Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 23
Урок 1: Структура на прокариотитеРазмножаване и биотехнология на прокариотите
Как прокариотите се възпроизвеждат чрез бинарно делене. Използване на E. coli бактерии в молекулярната биология.
Ключови точки:
- Прокариотите (бактерии и археи) се възпроизвеждат безполово чрез бинарно (напречно) делене. Повечето прокариоти се възпроизвеждат бързо.
- Поради своя бърз растеж и проста генетика бактериите E. coli са широко използвани в молекулярната биология.
- В лабораторни условия даден ген може да се внесе в бактерии E. coli чрез малка, кръгова молекула ДНК, наречена плазмид. Плазмидът се внася в бактериите чрез процес, наречен трансфoрмация.
- Трансформираните бактерии E. coli могат да се използват за създаване на множество копия на плазмида. Също така в някои случаи те могат да експресират гена в плазмида и да произведат съответния белтък.
Въведение
Да кажем, че имаш една бактерия. Как можеш да получиш още идентични на нея бактерии? Колко бързо можеш да ги получиш? И най-вече, защо изобщо ти трябват толкова много еднакви бактерии?
Нека прескочим до последния въпрос: някои бактерии, особено Escherichia coli (E.coli), са широко използвани в лабораториите по молекулярна биология. Там те служат като "фабрики", които бълват много копия на дадена молекула ДНК, която е от интерес за учените, или много молекули от даден белтък, който е необходим, например инсулин. Инсулинът се използва от диабетиците за регулиране на кръвната захар. Колкото повече бактерии имаме, толкова повече ДНК или белтък може да се произведе.
Две характеристики, които правят E. coli много полезна в лабораторията, са бързото ѝ възпроизводство и това, че произвежда свои копия или генетично идентични бактерии. Нека разгледаме накратко как E. coli и други прокариоти се възпроизвеждат. След това ще видим какви са техните приложения в биотехнологиите.
Как се възпроизвеждат прокариотите?
Прокариотите се размножават чрез процес на клетъчно делене, наречен бинарно делене или напречно делене. Както при митозата, този процес включва копиране на хромозомата и разделяне на клетката на две.
Бинарното делене е безполов вид размножаване, което означава, че то не включва производство на яйцеклетки и спрематозоиди или смесване на генетичен материал от два индивида. С изключение на редки мутации — промени в последователността на ДНК, бинарното делене води до създаване на дъщерни клетки, които са генетично еднакви с майчината клетка.
Можеш да научиш повече за стъпките на бинарното делене в статията за бинарно делене от раздела за клетъчно делене.
Прокариотите се възпроизвеждат бързо!
По принцип прокариотите се размножават много по-бързо от многоклетъчните еукариоти. Това се измерва чрез генерационен период (генерационно време) — времето от създаване на едно поколение до появата на следващото.
При хората този период е дълъг около
Не всички бактерии са чак толкова бързи. Някои патогенни бактерии като Mycobacterium tuberculosis имат генерационен период от повече от
Бактериите в молекулярната биология
Бактериите, които се възпроизвеждат бързо и се гледат лесно в лаборатория, са добри моделни организми за много научни изследвания. E. coli, например, е един от най-често използваните организми в биологичните проучвания.
Въпреки че може да считаш, че E. coli е бактерията, която замърсява храните, безвредни щамове на E. coli се използват в биологични лаборатории по целия свят. Всъщност много основни биологични процеси, например като механизма на репликация на ДНК, са открити за пръв път в E. coli.
E. coli като фабрики за ДНК и белтъци
Днес бактериите E. coli понякога се използват като миниатюрни "фабрики" за синтезиране на ДНК или белтъци. Учените могат да внесат ген, от който се интересуват, в клетки E. coli чрез процес, наречен трансформация (приемане на ДНК от средата), който ще обясним по-подробно в статията за генетичното разнообразие на прокариотите. В такива експерименти генът, от който се интересуваме, е носен от кръгова молекула ДНК, наречена плазмид, която може да бъде копирана от бактерията и да бъде предадена на следващото поколение.
Щом плазмидът с гена е в тях, клетките E. coli го копират и го предават всеки път, когато се разделят, така те произвеждат копия на ДНК плазмида. Ако плазмидът съдържа точните контролни последователности, E. coli могат да бъдат инструктирани и да транскрибират и транслират гена, от който се интересуваме, така те ще произведат белтък. Например по-голямата част от инсулина, който се използва от пациентите с диабет, се произвежда в бактерии E. coli чрез тази техника.
Стъпки на трансформацията
При типичен експеримент на трансформация генът, от който се интересуваме (оцветен в синьо по-горе), първо се интегрира в плазмид. Освен гена от интерес, плазмидът съдържа и ген, който осигурява устойчивост (резистентност) към определен антибиотик (червената част от ДНК по-горе). Ако целта ни е да използваме бактериите, за да синтезираме белтък от гена, в плазмида трябва да има и промотор (оцветен в зелено по-горе). Промоторът е контролна последователност, която позволява експресията на гена, който представлява интерес, в бактериите.
Когато копия на плазмида се смесят с E. coli, и клетките бъдат изложени на топлинен шок (кратко излагане на висока температура), малка част от тях приемат плазмида. Всички E. coli се посяват върху хранителна среда, която съдържа антибиотик. Поради наличието на антибиотик в средата оцеляват и растат само бактериите с плазмид.
E. coli, които нямат плазмид, ще бъдат убити от антибиотика. E. coli, които съдържат плазмида, могат да оцелеят и да се възпроизведат благодарение на гена за резистентност към антибиотика в плазмида. Всяка резистентна клетка ще формира колония от генетично еднакви бактерии. Тази колония изглежда като малка точка върху среда агар. Резистентната към антибиотика колония може да бъде анализирана и с други методи, за да се потвърди, че съдържа точния плазмид. След това тя може да бъде отгледана, за да създаде голяма култура от идентични бактерии, съдържащи плазмида.
За какво ни е необходима голяма култура от бактерии, които са интегрирали плазмида? Понякога учените се нуждаят от много копия на ДНК от плазмида, за да я използват в друг експеримент. Те могат да извлекат тази ДНК от бактериалната култура. В други случаи, ако плазмидът съдържа точния промотор, бактериите могат да бъдат индуцирани (инструктирани) да експресират гена и да синтезират белтък. Тази техника се използва за производството на някои белтъци от медицинска важност, например инсулин и човешки растежен хормон.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.