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Genetica batterica
I batteri sono organismi procarioti e unicellulari.
Spesso, i batteri vivono a spese di altri organismi fino a causarne la morte, come quelli che provocano malattie quali la peste, il colera e la lebbra.
Figura 1. Mycobacterium tuberculosis, il batterio della tubercolosi polmonare.
Figura 2. Vibrio cholerae, il batterio del colera.
Tuttavia, esistono anche batteri utili all'uomo, come quelli che costituiscono la flora intestinale e che svolgono un'importante funzione di mantenimento della mucosa intestinale e digestione del cibo ingerito.
A livello strutturale, i batteri, in quanto procarioti, non sono dotati di un nucleo. Il loro materiale genetico è contenuto all'interno di un unico cromosoma circolare collocato in una zona della cellula chiamata nucleoide.
I geni contenuti in un batterio sono nell'ordine di poche migliaia. A confronto, il DNA umano contiene circa 20-25 mila geni.
La particolarità dei batteri che risulta interessante per gli studiosi è il fatto di contenere plasmidi.
I plasmidi sono piccole molecole circolari contenenti DNA a doppio filamento formato da pochi geni, da un minimo di 1-2 a un massimo di qualche decina.
I plasmidi si duplicano autonomamente rispetto al cromosoma. Alcuni batteri ne contengono solo uno, altri ne contengono decine, altri ancora non ne contengono. Esistono diversi tipi di plasmidi:
Plasmidi F. Consentono lo scambio di materiale genetico tra batteri.
Plasmidi R. Responsabili della resistenza agli antibiotici.
Plasmidi Col. Sono in grado di uccidere altri batteri.
Plasmidi della virulenza. Infettano le cellule che li ospitano trasformandole in cellule patogene.
Plasmidi degradativi. Permettono di smaltire sostanze tossiche, come i pesticidi.
Figura 3. Diagramma di un batterio comune.
La trasmissione del materiale genetico può avvenire con la riproduzione cellulare, in cui il batterio si riproduce per scissione binaria (mitosi) e le due cellule figlie ottengono lo stesso patrimonio genetico della cellula madre. Lo spostamento di geni avviene in questo caso in modo verticale. Tuttavia, non è questo l'unico modo di variazione del materiale genetico. I geni possono infatti cambiare posizione all'interno dei cromosomi oppure spostarsi verso una cellula batterica non discendente (spostamento orizzontale) in vari modi:
Coniugazione. Il DNA passa da un batterio a un altro in modo diretto.
Trasduzione. Il DNA passa da un batterio a un altro utilizzando i virus come vettori.
Trasformazione. Il DNA presente all'esterno della cellula viene inglobato nella cellula batterica stessa.
Trasferimento. Il materiale genetico cambia posizione all'interno del cromosoma.
Coniugazione batterica
La coniugazione è il processo di spostamento del DNA da una cellula all'altra per contatto diretto.
Un esempio di coniugazione batterica è quanto avviene tra cellule dotate di plasmidi F (chiamate batteri F+) e cellule prive di plasmidi F (batteri F-). I plasmidi F sono alla base della produzione di pili, strutture proteiche collocate sulla membrana cellulare che si sviluppano in lunghezza, come una sorta di peli. Un pilo di una cellula F+ si allunga per attaccarsi alla membrana di una cellula F- e, una volta "agganciata" la cellula ricevente, si accorcia per avvicinare tra loro le due cellule. A questo punto, tra i due batteri si forma un ponte che collega i due citoplasmi. Il plasmide F si divide poi in due filamenti: uno rimane nella cellula F+, l'altro si sposta tramite il ponte nella cellula F-. Infine, ognuno dei due filamenti singoli funge da stampo per ricreare il filamento complementare: entrambe le cellule batteriche hanno ora un plasmide F completo ciascuna. Il batterio F- diventa quindi F+ e può procedere a sua volta nel trasferimento del plasmide.
Figura 5. Coniugazione batterica nella trasmissione del plasmide F.
Inoltre, il plasmide F può anche integrarsi al cromosoma di una cellula batterica, "rubarne" alcuni geni, poi spostarsi in un'altra cellula, integrarsi nuovamente al cromosoma di questa seconda cellula e trasferirvi i geni "rubati" alla prima cellula. Il risultato finale è la ricombinazione del materiale genetico che passa dal cromosoma di una cellula batterica al cromosoma di un'altra cellula batterica.
Trasformazione batterica
La trasformazione consiste nella cattura di materiale genetico presente nell'ambiente extracellulare e nella sua integrazione nel patrimonio genetico.
I batteri dotati di particolari proteine, chiamate fattori di competenza, sono in grado di individuare, catturare e inserire materiale genetico esterno nel proprio DNA. Questo materiale genetico consiste in un filamento di DNA appartenuto a un batterio morto e che può presentare informazioni utili, come ad esempio la resistenza agli antibiotici.
Trasduzione batterica
La trasduzione è il processo di spostamento del DNA da una cellula all'altra per mezzo di un virus, il quale agisce da vettore.
Il virus è un organismo minuscolo, molto più piccolo del batterio, e costituito soltanto da una molecola di acido nucleico (DNA o RNA) avvolta in un involucro proteico. Non è in grado di replicarsi autonomamente, bensì ha bisogno di una cellula ospite da infettare (cioè in cui penetrare).
I tipi virus si distinguono tra loro per il rivestimento proteico, che permette loro di infettare soltanto determinate cellule. I virus specializzati nell'attacco ai batteri sono chiamati batteriofagi e sono i vettori della trasduzione. Quando un virus penetra in un batterio, il suo involucro proteico viene eliminato e il suo DNA (detto profago) si inserisce nel cromosoma della cellula ospite. A questo punto, il profago può rimanere latente per qualche tempo e duplicarsi congiuntamente al materiale genetico batterico. Quando si attiva, il materiale genetico virale avvia un processo di distruzione della cellula ospite ed è pronto così a infettare una nuova cellula, portando con sé il nuovo materiale genetico acquisito.
Trasferimento batterico
Il trasferimento batterico è lo spostamento di frammenti di DNA (chiamati trasposoni) da una zona all'altra del cromosoma.
I trasposoni possono contenere soltanto una breve sequenza di materiale genetico oppure alcuni geni. Il trasposone è in grado di duplicarsi autonomamente dal resto del cromosoma e di spostarsi da una parte all'altra. Nei suoi spostamenti, esso utilizza degli enzimi contenuti nella sua stessa sequenza.
Genetica dei batteri - Punti chiave
- I batteri sono organismi procarioti e unicellulari il cui materiale genetico è contenuto in un unico cromosoma circolare collocato in una zona della cellula chiamata nucleoide.
- I batteri possono contenere plasmidi, piccole molecole circolari contenenti DNA a doppio filamento formato da pochi geni.
- I batteri possono variare e trasportare il materiale genetico in modo verticale (tramite la riproduzione) oppure in modo orizzontale, cioè senza che la cellula ricevente sia discendente della cellula donatrice.
Le modalità orizzontali di variazione del materiale genetico possono avvenire tramite uno dei seguenti processi: coniugazione, in cui il DNA passa da un batterio a un altro in modo diretto; trasduzione, in cui il DNA passa da un batterio a un altro tramite virus; trasformazione, in cui il batterio ingloba DNA presente nell'ambiente extracellulare; trasferimento, in cui il materiale genetico cambia posizione all'interno del cromosoma per azione dei trasposoni.
References
- Fig. 5 - Diagram of bacterial conjugation taking place (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Conjugation.svg), Author: Adenosoine, is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) translated into Italian by StudySmarter
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Domande frequenti riguardo Genetica dei batteri
Come è fatto il DNA di un batterio?
Il DNA di un batterio consiste in un unico cromosoma circolare. Inoltre, i batteri possono contenere plasmidi, piccole molecole circolari contenenti DNA a doppio filamento formato da pochi geni.
Dove si trova il materiale genetico nei batteri?
Il materiale genetico batterico non è contenuto in un nucleo, bensì si trova in una zona della cellula chiamata nucleoide.
Quanti geni contiene il genoma di un batterio?
I geni contenuti in un batterio sono nell'ordine di poche migliaia. A confronto, il DNA umano contiene circa 20-25 mila geni.
Chi ha scoperto che i batteri possono trasferire informazioni genetiche?
La coniugazione batterica fu scoperta negli anni '50 e fu il risultato di molteplici studi ed esperimenti condotti da diversi gruppi di ricerca che lavoravano indipendentemente l'uno dall'altro.
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