If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Rozmnażanie się prokariota i biotechnologia

Rozmnażanie przez podział binarny. Wykorzystanie bakterii  E. coli  biologii molekularnej. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji "HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Prokariota (bakterie i archaea) rozmnażają się bezpłciowo przez podział binarny. Większość prokariota szybko się rozmnaża.
  • Ze względu na ich szybki wzrost i prostą genetykę, bakterie E. coli są powszechnie stosowane w biologii molekularnej.
  • W laboratorium, gen może zostać przeniesiony do bakterii E. coli w małej, okrągłej cząsteczce DNA zwanej plazmidem. Plazmid jest pobierany przez bakterie w procesie zwanym transformacją.
  • Bakterie E.coli po transformacji mogą zostać wykorzystane do stworzenia wielu kopii plazmidu. W niektórych przypadkach będą one również przeprowadzać ekspresję genu na plazmidzie i tworzyć białka.

Wprowadzenie

Powiedzmy, że masz jedną bakterię. W jaki sposób uzyskasz więcej identycznych bakterii? W jakim czasie? A co najważniejsze, dlaczego chciałbyś mieć na Ziemi cały szereg identycznych bakterii?
Przejdźmy szybko do tego ostatniego pytania: niektóre bakterie, w szczególności Escherichia coli (E.coli), są powszechnie stosowane w laboratoriach biologii molekularnej. Tam służą jako małe "fabryki", które wypuszczają wiele kopii pożądanej cząsteczki DNA lub wiele cząsteczek potrzebnego białka (takiego jak insulina stosowana przez diabetyków w celu regulacji poziomu cukru we krwi). Im więcej bakterii, tym więcej DNA lub białka można wytwarzać.
Dwie cechy, które sprawiają, że bakterie E. coli są bardzo przydatne w laboratorium to ich szybka reprodukcja i powstawanie klonów lub genetycznie identycznych bakterii. Przyjrzyjmy się jak E. coli i inne prokariota rozmnażają się. Potem zbadamy zastosowanie tych organizmów w biotechnologii.

Jak rozmnażają się prokariota?

Prokariota rozmnażają się poprzez proces podziału komórek zwany podziałem binarnym. Podobnie jak mitoza u eukariota, proces ten polega na skopiowaniu chromosomu i podzieleniu jednej komórki na dwie.
Podział binarny jest bezpłciową formą rozmnażania, co oznacza, że ​​nie obejmuje ona produkcji jaj i plemników ani mieszania materiału genetycznego dwojga organizmów. Z wyjątkiem przypadków rzadkich mutacji lub zmian sekwencji DNA podział binarny wytwarza komórki potomne, które są genetycznie identyczne z komórką macierzystą.
Możesz dowiedzieć się więcej o etapach podziału binarnego w artykule podział binarny poświęconym podziałom komórki.

Prokariota szybko się rozmnażają!

Prokariota generalnie rozmnażają się znacznie szybciej niż wielokomórkowe organizmy eukariotyczne Można to zmierzyć za pomocą określenia czasu generacji lub długości okresu, od narodzin jednego pokolenia do narodzin następnego.
Dla ludzi typowy czas generacji wynosi około 20 lat. Dla typowej bakterii może to być około 20 na minutę! W rzeczywistości, bakterie E. coli które żyją w Twoim wnętrzu i które są szeroko stosowane w badaniach laboratoryjnych, mogą generować nowe pokolenie co 17 minut1.
Nie wszystkie bakterie są tak szybkie, niektóre bakterie patogenne, takie jak Mycobacterium tuberculosis, mają czas generacji wynoszący ponad 12 godzin1. Mimo to, prokariota w stosunku do eukariota rozmnażają się szybko, oznacza to, że ​​ich populacja może wzrastać bardzo szybko - w środowisku naturalnym lub, w niektórych przypadkach, w probówce w laboratorium.

Bakterie w biologii molekularnej

Bakterie, które rozmnażają się szybko i są łatwe do hodowli w laboratorium, są dobrymi organizmami modelowymi do wielu badań naukowych. Na przykład E. coli, jest jednym z najbardziej powszechnie stosowanych organizmów w badaniach biologicznych.
Mimo, że słyszałeś o E. coli jako zanieczyszczeniu żywności, nieszkodliwe szczepy E. coli są stosowane w laboratoriach biologicznych na całym świecie. W rzeczywistości wiele podstawowych procesów biologicznych, takich jak mechanizm replikacji DNA, zostało po raz pierwszy odkryte w E. coli.

E. coli jako fabryki DNA i białek

Obecnie, E. coli są czasem wykorzystywane jako małe "fabryki" do syntetyzowania DNA lub białek. Naukowcy mogą wstawić gen będący przedmiotem zainteresowania do komórek E. coli poprzez proces zwany transformacją (pobór DNA ze środowiska), co opisano szerzej w artykule zróżnicowanie genetyczne prokariota. W takich eksperymentach gen będący przedmiotem zainteresowania jest zwykle przenoszony na kawałek okrągłego DNA nazywany plazmidem, który może zostać skopiowany przez bakterie i przekazany potomstwu.
Kiedy komórki E. coli pobiorą chociaż raz plazmid z genem będącym przedmiotem zainteresowania, będą replikować i przekazywać je za każdym razem podczas podziału, tworząc wiele kopii plazmidowego DNA. Jeśli plazmid zawiera właściwe sekwencje kontrolne, E. coli można pokierować tak aby, przeprowadziły transkrypcję i translację wytwarzając białko. Na przykład, większość insuliny stosowana przez diabetyków jest wytwarzana w E. coli przy użyciu tej strategii.

Etapy transformacji

W typowym eksperymencie transformacji docelowy gen (niebieski DNA powyżej) wprowadza się najpierw do plazmidu. Oprócz genu docelowego, plazmid zawiera również gen, który zapewnia oporność na określone antybiotyki (czerwone DNA powyżej). Jeśli celem jest użycie bakterii do syntezy białka z genu, to plazmid będzie zawierał również promotor lub sekwencję kontrolną, co pozwali na ekspresję genu docelowego w bakteriach (zielone DNA powyżej).
Kiedy kopie plazmidu są mieszane z komórkami E. coli i komórki są poddane szokowi cieplnemu (wystawione na krótko na wysoką temperaturę), niewielka ich część pobiera plazmid. Wszystkie E. coli są następnie wysiewane na płytce odżywczej zawierającej antybiotyk. Celem antybiotyku jest selekcja bakterii - jedynie bakterie z plazmidem mogą przetrwać i wzrastać.
Bakterie E. coli bez plazmidu zostają zabite przez antybiotyk. E. coli, które zawierają plazmid, mogą przetrwać i rozmnażać się (dzięki genowi oporności na antybiotyki znajdującym się w plazmidzie). Każda oporna komórka tworzy kolonię genetycznie identycznych bakterii, która pojawia się na płytce agarowej jako mała kropka. Kolonię oporną na antybiotyki może zostać przeanalizowana (sprawdzona za pomocą innych metod w celu potwierdzenia, że ​​zawiera prawidłowy plazmid), a następnie hodowana w celu uzyskania dużej kultury identycznych bakterii - nośników plazmidów.
W jaki celu wykorzystuje się dużą kulturę bakterii - nośników plazmidów? Czasami badacze potrzebują wielu kopii plazmidowego DNA do zastosowania w innym eksperymencie i mogą wyodrębnić ten DNA z hodowli. Alternatywnie, jeśli plazmid zawiera prawidłowy promotor, można skłonić bakterie (wyszkolić) do prowadzenia procesu ekspresji genu i syntetyzowania białka. Ta technika jest stosowana do produkcji ważnych medycznie białek, takich jak insulina i ludzki hormon wzrostu.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.