5. fejezet - Mikrobiális genetika – I. rész

Dr. Varga Máté egyetemi tanársegéd

Dr. Lengyel Katalin egyetemi tanársegéd

ELTE TTK Biológiai Intézet, Genetikai Tanszék

Tartalom

Bevezetés
Komplementáció
T4 fág komplementációs vizsgálata
T4 rII bakteriofág-mutánsok komplementációjának vizsgálata
Példafeladatok
Lac operon
Feladatmegolás
Példafeladatok
Kvórum érzékelés
Szelekciós nyomás genom-minimalizálásra

Bevezetés

Furcsa belegondolni, hogy a globális biomassza egyik legfontosabb csoportjának, az ismert földi fajok elsöprő többségét adó prokariótáknak a létezéséről egészen a 17. század végéig fogalmunk sem volt. Ekkor, Antony von Leeuwenhoek úttörő munkájának köszönhetően, derült fény a mikroszkópikus méretű, különleges alakú, egysejtű élőlények létezésére. Ugyanakkor még több száz évnek kellett eltelnie, amíg Louis Pasteur és Robert Koch munkája rávilágított arra is, hogy milyen fontos szerepük lehet ezeknek az egyszerű szerveződésű szervezeteknek más élőlények életében is, milyen relevánsak számos fertőző emberi betegség szempontjából.

Ma már persze tudjuk, hogy a prokarióták hihetelen faj- és egyedszámmal rendelkeznek; a felépítésükhöz használt szén-atomok száma egyes becslések szerint meghaladja a növények és állatok összfelépítéséhez szükséges szén-atomokét. A tengerek biomasszájának közel 90%-át mikroorganizmusok adják, amelyek hasonló nagyságrendű bakteriofágnak a gazdái is egyben. Mindez egy komplex mikrobiális ökoszisztéma létezésére utal, ami a tengerek élővilága számára nélkülözhetetlen.

Az utóbbi években arra is fény derült, hogy a bőrünkön és emésztőrendszerünkben élő mikrobiális közösség, az úgynevezett humán mikrobiomot alkotó bakteriális sejtek szintén fontos rlsztvevői életünknek. Ezeknek a prokarióta sejteknek a száma közel nagyságrendnyivel nagyobb, mint saját sejtjeink száma. Figyelembe véve, hogy számos megfigyelés és kísérletes eredmény alátámasztja, hogy a mikrobiom összetétele, illetve annak változása kiváltója lehet számos, korábban más okra visszavezetett emberi betegségnek, egészségügyi szempontból is releváns, hogy megértsük, milyen törvényszerűségek vezetik a mikrobiom összetételének kialakulását. 

A fent említett szempontok már önmagukban is komoly indokot képeznének, hogy a ezeknek a mikróbáknak a genetikáját jobban megismerjük, de említést igényel még egy ok, ami a kezdetektől fogva ideális modellorganizmusokká tette a fágokat és batériumokat: genetikai anyaguk szerveződése relatíve egyszerű, aminek köszönhetően számos a génműködés számos, később univerzálisnak bizonyuló szabályszerűségét először fágokban illetve baktériumokban írtak le.

A teljesség igénye nélkül említést érdemelnek Oswald Avery, valamint Alfred Herhsey és Martha Chase kísérletei, amiben Pneumococcus bakétrium törzsek, illetve T2 fágok felhasználásával igazolták, hogy a sejtek genetikai örökítőanyaga a DNS-ben található; Seymour Benzer a T4 fág rII mutánsai segítségével feltárta a gének felépítését; illetve François Jacob és Jacques Monod, akiknek a lac operonon végzett kísérletei hosszú időre megszabták a géműködés szabályozásáról kialakított elméleteket.

Az elmúlt években a baktériumok továbbra is fontos inspirációs forrásként szolgáltak evolúciós vizsgálatokban, a génműködés-szabályozás magasabb szintjeinek megértéseben és a genetikai hálózatok szabályszerűségeinek feltárásában. Mindez, az említett egészségügyi relevancián túl, sokban hozzájárult a szintetikus biológia térnyeréséhez is. Igény szerint „programozott”, genetikailag módosított mikroorganizmusokat használhatunk egyszerű bioszenzorként, bioüzemanyagok és gyógyszerek termelésére, terápiás ágensként, bonyolultabb biológiai folyomatok modellezésére, a felhasználásnak szinte csak a képzelet szab határt (lásd bővebben: http://igem.org).

Végül, de nem utolsó sorban, a baktériumok genetikájának jobb megértése hatékony eszközöket adott a kezünkbe, hogy eukarióta genomokat is megváltoztassunk: például a Xanthomonas fajok TALE (Transcription Activator-Like Effector) nukleázai, és a bakteriális immunrendszerként működő CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) rendszer működési logikáját felhasználva az utóbbi években nagy hatékonyásgú genom-editáló eljárások születtek.

A gyakorlat során, néhány klasszikus kísérletet is felevenítve, egy rövid bemutatót kívánunk adni arra, hogy miképp használható a mikrobiális genetika a komplementáció fogalmának megértésére, a génműködés szabályozásának, a sejtekre ható evolúciós erőknek, valamint a bakteriális kommunikációnak a megértésére.

A gyakorlat során a következő kísérletek végezzük el:

  1. Komplementációs analízis T4 rII fágok segítségével

  2. A génműködés szabályozásának vizsgálata és komplementációs analízis különböző lac operon mutánsok felhazsnálásával.

  3. A kvórum érzékelés jelenségének bemutatása egy biolumineszcens baktériumfaj viselkedésén keresztül.

  4. A baktériumokra ható, genomméret- és energiafelhasználás-optimalizálást okozó szelekciós erők bemutatása egy erős GFP-expressziót biztosító baktérium mutációin keresztül.