ژنتیک میکروبی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

ژنتیک میکروبی (به انگلیسی Microbial genetics) آمیخته ای از میکروبیولوژی و مهندسی ژنتیک است. در ژنتیک میکروبی، ژنتیکِ موجودات خیلی ریز (میکروسکوپی) مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

این موجودات شامل باکتری‌ها، آرکی‌ها، ویروس‌ها، برخی از پروتوزوئاها و قارچ‌ها است.[۱]

در ژنتیک میکروبی، ژنوتیپ سویه‌های میکروبی و فنوتیپ آنها (که حاکی از سیستم بیانی میکروارگانیسم است) بررسی می‌شود.

میکروارگانیسم در سال‌های ۱۶۶۵ تا ۱۸۸۵ توسط رابرت هوک و آنتونی ون لیووانگک کشف گردید.[۲] از آن زمان تا به امروز از میکروارگانیسم‌ها به منظور مطالعه فرایندهای بسیاری استفاده شد و این موجودات میکروسکوپی در حوزه‌های مختلف ژنتیک کاربرد پیدا کردند.

به عنوان مثال سرعت رشد بالا و زمان کوتاه زاد و ولد میکروارگانیسم‌ها باعث شده تا دانشمندان به منظور مطالعه تکامل از آنها استفاده کنند.[۳] همچنین در ژنتیک میکروبی به منظور مطالعه فرایندها و مسیرهایی که در آنها انسان‌ها و میکروب‌ها مشابه هستند (همچون متابولیسم دارو)، از میکروب‌ها استفاده می‌کنند.[۴]

میکروارگانیسم‌هایی که مطالعه آنها با ژنتیک میکروبی در هم آمیخته است[ویرایش]

باکتری‌ها[ویرایش]

باکتری‌ها از ۵/۳ بیلیون سال قبل بر روی این کره وجود داشته‌اند. این میکروارگانیسم‌ها از نظر شکل متفاوتند و در گروه‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شوند.[۵]

ژنتیک باکتری‌ها، به مطالعه چگونگی به ارث رسیدن اطلاعات، کروموزوم‌ها، پلاسمیدها، ترنسپوزون‌ها و فاژها می‌پردازد.[۶]

سیستم‌های انتقال ژنی که به خوبی در باکتری‌ها مورد مطالعه قرار گرفته، عبارتند از ترنسفورماسیون(transformation)، هم یوغی(conjugation) و ترنسداکشن(transduction).

آرکی‌ها[ویرایش]

آرکی‌ها، پروکاریوت وتک سلولی هستند. قدمت آرکی‌ها بر روی زمین به حدود ۴ بیلیون سال قبل می‌رسد و با باکتری‌ها جد مشترک دارند. اما در مقایسه با باکتری‌ها، شباهت بیشتری به یوکاریوت‌ها دارند.[۷]

برخی از آرکی‌ها قادرند در شرایط سخت هم زنده بمانند. این توانایی باعث شده است تا در زمینه ژنتیک کاربرد داشته باشند. یکی از موارد استفاده از آرکی‌ها استفاده از آنزیم‌های مشتق از آرکی هاست که قادر هستند شرایط سخت را در شرایط آزمایشگاهی(in vitro) بهتر تحمل کنند.[۸]

انتقال و جایگزینی ژنی نیز در آرکی‌های شور پسند(halophile) به نام Halobacterium volcanii و آرکی‌های گرما دوست به نام Sulfolobus solfataricus و Sulfolobus acidocaldarius مورد مطالعه قرار گرفته است.

H. volcani یکی دیگر از انواع آرکی هاست. این آرکی یک پل سیتوپلاسمی در بین سلول‌ها ایجاد می‌کند و به همین دلیل به منظور انتقال DNA از یک سلول به سلول مجاور مناسب است.[۹]

از انواع دیگر می‌توان S. solfataricus و S. acidocaldarius را نام برد. هنگامی که S. solfataricus و S. acidocaldarius در معرض مواد تخریب کنندهٔ DNA قرار می‌گیرند، تجمع سلولی خاصی ایجاد می‌شود. این تجمع سلولی، تبادلات نشانگر کروموزومی و نوترکیبی با فرکانس بالا را میانجی گری می‌کند. در واقع تجمع سلولی از طریق نوترکیبی همولوگ (homologous recombination) با بهبود تعمیر DNAی آسیب دیده، انتقال DNA را در بین سلول‌های Sulfolobus افزایش می‌دهد.[۱۰][۱۱][۱۲]

قارچ‌ها[ویرایش]

قارچ‌ها ممکن است تک سلولی یا پرسلولی باشند و از جهت چگونگی بدست آوردن غذا، از سایر میکروب‌ها متمایز می‌شوند.

قارچ‌ها از خود آنزیم‌هایی ترشح می‌کنند و با این کار مواد آلی که در اطرافشان وجود دارد را می‌شکنند۵. در ژنتیک قارچ از مخمر و قارچ‌های رشته ای به عنوان ارگانیسم‌های مدل در تحقیقات سلول‌های یوکاریوتی (از جمله چگونگی تنظیم چرخه سلولی، ساختار کروماتین و تنظیم بیان ژن) استفاده می‌شود.[۱۳]

پروتوزوآ[ویرایش]

پروتوزوآها موجودات تک سلولی واجد هسته هستند اجسام سلولی اولترامیکروسکوپی پروتوزوآها در داخل سیتوپلاسم قرار دارد۵. یک ویژگی منحصر به فرد پروتوزوئا که باعث جذابیت آن در مطالعات ژنتیک انسانی شده است، تاژک (flagella) است. این ساختار مانند ساختار تاژک در اسپرم انسان می‌باشد. مطالعه بر روی Paramecium نیز به درک ما از چگونگی تقسیم میوز کمک کرده است.

ویروس‌ها[ویرایش]

ویروس‌ها ارگانیسم‌هایی محصور در کپسید (capcid-encoding organisms) و متشکل از اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها هستند که می‌توانند با استفاده از تجهیزات سلول میزبان رونویسی کرده و خودتجمعی (self-assemble) انجام دهند.[۱۴] از آنجایی که ویروس‌ها ریبوزوم ندارند، بر روی اینکه آیا موجود زنده محسوب می‌شوند یا نه، اتفاق نظر وجود ندارد.

درک درست از ژنوم ویروس نه تنها در مطالعات ژنتیک اهمیت زیادی دارد بلکه به منظور فهم ویژگی‌های بیماری زایی آنها نیز حائز اهمیت است.[۱۵]

کاربردهای ژنتیک میکروبی[ویرایش]

میکروب‌ها مدل‌های ایده‌آلی در مطالعات بیوشیمیایی و ژنتیک هستند و سهم زیادی در حوزه‌های علمی ایفا کرده‌اند. به عنوان مثال ما از طریق بررسی بر روی میکروب‌ها متوجه شدیم که DNA ماده ژنتیکی است،[۱۶]،[۱۷] ژن یک ساختار خطی ساده دارد،[۱۸] کدهای ژنتیکی ۳ تایی هستند[۱۹] و بیان ژن توسط فرایندهای ژنتیکی ویژه تنظیم می‌شوند.[۲۰]

ژاکوپ و مونود از اشرشیا کولی که نوعی باکتری است جهت توسعه مدل اپرون در بیان ژن استفاده کردند. این دستاورد پایه بیان ژن و تنظیم آن شد.[۲۱]

علاوه بر آن وراثت در یک میکروارگانیسم یوکاریوتی تک سلولی بسیار مشابه ارگانیسم‌های پرسلولی است؛ بنابراین امکان دستیابی محققان به چگونگی این فرایندها امکان‌پذیر می‌گردد.[۲۲]

یکی دیگر از باکتری‌هایی که به طور گسترده در حوزه ژنتیک مورد استفاده قرار گرفته است Thermus aquaticus است. این باکتری قادر است دماهای بالا را تحمل کند. دانشمندان آنزیمی به نام تگ پلیمراز(Taq polymerase) را از این باکتری استخراج کرده‌اند که در تکنیک‌های آزمایشگاهی از جمله واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۲۳] به علاوه توسعه تکنولوژی DNAی نوترکیب (recombinant DNA technology) از طریق باکتری‌ها، باعث شده است تا مهندسی ژنتیک و زیست فناوری وارد یک دوره پیشرفته شوند.[۲۴]

منابع[ویرایش]

  1. 1- "Microbial genetics". Nature. Nature Publishing Group, A division of Macmillan Publishers Limited. Retrieved 2015-09-24.
  2. 2- Gest, Hau (22 May 2004). "The discovery of microorganisms by Robert Hooke and Antoni van Leeuwenhoek, Fellows of The Royal Society". The Royal Society. 58: 137–201. PMID 15209075. doi:10.1098/rsnr.2004.0055. Retrieved 2015-09-25.
  3. 3- Mortlock, Robert (2013). Microorganisms As Model Systems for Studying Evolution. Springer Verlag. p. 2. ISBN 978-1-4684-4846-7.
  4. 4- Murphy, Cormac D. (2 September 2014). "Drug metabolism in microorganisms". Biotechnology Letters. 37 (1): 19–28. doi:10.1007/s10529-014-1653-8.
  5. 5- Weeks, Benjamin S. (2012). Alcamo's microbes and society (3rd ed.). Sudbury, MA: Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-0-7637-9064-6.
  6. 6- "Bacterial genetics". Nature. Macmillan Publishers Limited. Retrieved 8 November 2015.
  7. 7- "Archaea". Microbe World. Microbe World. Retrieved 8 November 2015.
  8. 8- Chambers, Cecilia R. ; Patrick, Wayne M. (2015). "Archaeal Nucleic Acid Ligases and Their Potential in Biotechnology". Archaea. 2015: 1–10. doi:10.1155/2015/170571.
  9. 9- Rosenshine I, Tchelet R, Mevarech M (1989). "The mechanism of DNA transfer in the mating system of an archaebacterium". Science. 245 (4924): 1387–9. PMID 2818746. doi:10.1126/science.2818746.
  10. 12- Ajon M, Fröls S, van Wolferen M, Stoecker K, Teichmann D, Driessen AJ, Grogan DW, Albers SV, Schleper C (2011). "UV-inducible DNA exchange in hyperthermophilic archaea mediated by type IV pili". Molecular Microbiology. 82 (4): 807–17. PMID 21999488. doi:10.1111/j.1365-2958.2011.07861.x.
  11. 11- Fröls S, White MF, Schleper C (2009). "Reactions to UV damage in the model archaeon Sulfolobus solfataricus". Biochemical Society Transactions. 37 (Pt 1): 36–41. PMID 19143598. doi:10.1042/BST0370036.
  12. Fröls S, Ajon M, Wagner M, Teichmann D, Zolghadr B, Folea M, Boekema EJ, Driessen AJ, Schleper C, Albers SV (2008). "UV-inducible cellular aggregation of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus is mediated by pili formation". Molecular Microbiology. 70 (4): 938–52. PMID 18990182. doi:10.1111/j.1365-2958.2008.06459.x.
  13. 13- "Fungal Genetics". Nature.com. Macmillan Publishers Limited. Retrieved 9 November 2015.
  14. 14- Raoult, Didier; Forterre, Patrick (3 March 2008). "Redefining viruses: lessons from Mimivirus". Nature Reviews Microbiology. 6 (4): 315–319. PMID 18311164. doi:10.1038/nrmicro1858.
  15. Seto, Donald (30 November 2010). "Viral Genomics and Bioinformatics". Viruses. 2 (12): 2587–2593. doi:10.3390/v2122587.
  16. 16- Avery OT, MacLeod CM, McCarty M (1979). "Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Inductions of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III". Journal of Experimental Medicine. 149 (2): 297–326. PMC 2184805. PMID 33226. doi:10.1084/jem.149.2.297.
  17. 17- Hershey AD, Chase M (1952). "Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage". Journal of General Physiology. 36 (1): 39–56. PMC 2147348. PMID 12981234. doi:10.1085/jgp.36.1.39.
  18. Benzer S (1959). "On The Topology of the Genetic Fine Structure". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 45 (11): 1607–20. PMC 222769. PMID 16590553. doi:10.1073/pnas.45.11.1607.
  19. 19- Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ (1961). "General nature of the genetic code for proteins". Nature. 192: 1227–32. PMID 13882203. doi:10.1038/1921227a0.
  20. 20- Jacob F, Monod J (1961). "Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins". Journal of Molecular Biology. 3: 318–56. PMID 13718526. doi:10.1016/S0022-2836(61)80072-7.
  21. "Microbial Genetics". World Of Microbiology and Immunology. 2003. Retrieved 9 November 2015.
  22. 22- Bainbridge, B.W. (1987). Genetics of microbes (2nd ed.). Glasgow: Blackie. ISBN 0-412-01281-2.
  23. Terpe, Kay (1 November 2013). "Overview of thermostable DNA polymerases for classical PCR applications: from molecular and biochemical fundamentals to commercial systems". Applied Microbiology and Biotechnology. 97 (24): 10243–10254. PMID 24177730. doi:10.1007/s00253-013-5290-2.
  24. Weeks, Benjamin S. (2012). Alcamo's microbes and society (3rd ed.). Sudbury, MA: Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-0-7637-9064-6.