Baktérie, kvasinky či zelená riasa ako modelové organizmy

28. júl. 2017 • Biologické vedy

Baktérie, kvasinky či zelená riasa ako modelové organizmy

Ako si vybrať vhodný modelový organizmus v rámci štúdia genetiky? Každý má svoje prednosti, ale aj nedostatky. Účastníci Letnej školy genetiky Univerzity Komenského v Bratislave, ktorá sa konala v dňoch 10. až 14. júla 2017, sa zaoberali najčastejšie využívanými modelovými organizmami v genetike. Medzi ne sa radia baktérie, kvasinky, ale aj zelená riasa.

V teoretickom úvode k tejto prednáške sa uvádza, že baktérie ako jednoduché prokaryotické bunky predstavujú ideálny model štúdia mnohých základných aspektov biológie a biochémie. Najlepšie preštudovaným druhom baktérií je Escherichia coli, dlhodobo jeden z najvyužívanejších organizmov pri skúmaní základných mechanizmov molekulárnej genetiky. „Escherichia coli, známejšia skôr svojím skráteným označením E. coli, je gramnegatívna nesporulujúca fakultatívne anaeróbna pohyblivá tyčinka. E. coli sa fyziologicky nachádza v hrubom čreve teplokrvných živočíchov a človeka. Tvorí približne 0,1 % črevnej mikroflóry a jej prítomnosť je potrebná pre správny priebeh tráviacich procesov v čreve. Patogénne kmene E. coli zapríčiňujú infekcie tráviacej sústavy a močových ciest, vyskytovať sa môžu aj v krvných vzorkách, kedy sú pôvodcom bakterémie. Často spôsobujú nozokomiálne infekcie, t. j. infekcie vznikajúce hospitalizáciou alebo vyšetrovaním pacienta v nemocnici,“ píšu organizátori v podkladoch k prednáške Modelové organizmy v genetike. 

Pokračujú, že E. coli je kvôli svojej relatívnej jednoduchosti zvlášť užitočná pre molekulárnych biológov. Známa je sekvencia celého genómu E. coli – pozostáva približne zo 4,6.106 párov báz a kóduje asi 4 300 – 5 900 rôznych proteínov. „Takáto malá veľkosť genómu poskytuje zjavné výhody pre genetickú analýzu. Molekulárno-genetické experimenty sú ďalej uľahčené rýchlym rastom E. coli za dobre definovaných laboratórnych podmienok. V závislosti od podmienok kultivácie sa E. coli priečne delí každých 20 – 60 minút. Navyše, klonálna populácia E. coli, v ktorej sú všetky bunky odvodené delením jedinej bunky, sa ľahko izoluje ako kolónia kultivovaná na pevnom médiu. Pretože bakteriálne kolónie obsahujúce viac ako 108 buniek, možno získať v krátkom čase (za 12 – 16 hodín), selekcia a analýza genetických variantov kmeňov E. coli (napr. mutantov, ktoré sú rezistentné voči antibiotikám) je veľmi jednoduchá a rýchla. Väčšina súčasných koncepcií molekulárnej biológie a genetiky, vrátane nášho chápania replikácie DNA, genetického kódu, génovej expresie či proteosyntézy, vyplýva práve zo štúdií mnohých mutantov tejto baktérie,“ poznamenávajú organizátori Letnej školy genetiky Univerzity Komenského v Bratislave.

Hoci sú baktérie neoceniteľným modelom pri štúdiu viacerých, konzervovaných vlastností buniek, z hľadiska bunkovej štruktúry a funkcií, ktoré sú jedinečné pre eukaryotické organizmy, nemôžu byť využité. Kľúčovým modelom pre štúdium mnohých základných aspektov biológie eukaryotických buniek sa tak stali najjednoduchšie eukaryoty – kvasinky, ktoré majú, podobne ako E. coli, množstvo experimentálnych výhod. Najčastejšie používanou a najviac preštudovanou je kvasinka Saccharomyces cerevisiae. Táto kvasinka je pôvodcom kvasenia ovocných štiav, používa sa na skvasovanie sladu pri výrobe piva, na výrobu pekárenských kvasníc, využíva sa pri príprave vína, na výrobu liehu i na výrobu vitamínov z radu B. V slovenčine vďaka svojmu využitiu získala prívlastky pivná, vínna či pekárenská.

Štruktúra bunky (vľavo; www.biocourseware.com/iphone/cell/index_pad.htm) a životný cyklus (vpravo; Feldman 2012) kvasiniek S. cerevisiae.

Ako sa ďalej uvádza v teoretických podkladoch k prednáške Modelové organizmy v genetike, haploidný genóm S. cerevisiae pozostáva z viac ako 1,2.107 bázových párov a obsahuje okolo 6 200 génov, z ktorých takmer 40 % je homologických s génmi človeka. „Hoci je kvasinkový genóm približne trojnásobne väčší než genóm E. coli, je oveľa jednoduchšie študovateľný ako genómy zložitejších eukaryotov. Aj napriek svojej jednoduchosti vykazuje bunka kvasiniek typické vlastnosti eukaryotických buniek, obsahuje zreteľné jadro obklopené jadrovou membránou, genómová DNA je organizovaná do 16 lineárnych chromozómov rôznej veľkosti a cytoplazma obsahuje cytoskelet a subcelulárne organely.“

Kvasinky S. cerevisiae môžu byť podľa odborníkov vďaka nepohlavnému (vegetatívnemu) rozmnožovaniu udržiavané v stabilnom haploidnom alebo diploidnom stave. „Kvasinky je možné ľahko kultivovať v laboratóriu a môžu byť študované rovnakými molekulárno-genetickými prístupmi ako baktérie E. coli. Hoci sa kvasinky nereplikujú tak rýchlo ako baktérie, stále sa delia – pučia približne každé dve hodiny a môžu sa ľahko pestovať na pevných kultivačných médiách ako kolónie vznikajúce z jednej bunky. Následkom toho môžu byť kvasinky použité na rôzne genetické manipulácie či prípravu mutantných línií. Kvasinkové mutanty sú dôležité pri štúdiu viacerých základných procesov v eukaryotoch, vrátane replikácie DNA, transkripcie, procesovania RNA, triedenia proteínov. Všeobecné princípy štruktúry a funkcie bunky získané štúdiom kvasiniek sú platné pre všetky eukaryotické bunky,“ konštatuje sa v uvedených podkladoch.

Ďalej je tiež spomenutá Chlamydomonas reinhardtii, ktorá je jednobunková eukaryotická zelená riasa. Taxonomicky je zaradená do rodu Chlamydomonas, oddelenia Chlorophyta, ríša Viridiplantae (zelené rastliny). Rod Chlamydomonas divergoval od skupiny Embryophyta (suchozemské rastliny) pred 1 miliardou rokov. Evolučný pôvod robí z C. reinhardtii neoceniteľný modelový organizmus pre analýzy komparatívnej fylogenomiky. Študovanými sú podľa odborníkov najmä gény zapojené v biológii bičíka, plastidov a fotosyntézy, ale aj regulátory bunkového cyklu. Bunka Chlamydomonas  má 10 μm v priemere a štandardný je pre ňu guľovitý až oválny tvar. Najvýraznejším v bunke je veľký chloroplast (viditeľný v svetelnom mikroskope) v tvare písmena U. V tesnej blízkosti chloroplastu sa nachádza jadro (zhruba v strede bunky), čiastočne obklopené chloroplastom.

 Chlamydomonas reinhardtii – jadro (N) s jadierkom (Nu), dve izoformy bičíka (F), chloroplast (C) s červenou škvrnou (stigma) (E), pyrenoid so škrobom (P), mitochondria (M) Golgiho aparát (G), škrobové zrná (S) a vakuoly (V).

 

Ešte mnoho zaujímavého sa dozvedeli účastníci Letnej školy genetiky 2017, ktorú pripravila Univerzita Komenského v Bratislave. Primárne bola určená pre študentov druhého a tretieho ročníka stredných škôl a gymnázií, pričom jej cieľom bolo oboznámiť študentov s klasickými a modernými metódami využívanými v genetickom výskume. Organizátorom Letnej školy genetiky bola Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave. Zodpovedná osoba za organizátora doc. RNDr. Andrea Ševčovičová, PhD. priblížila, že pri príprave programu Letnej školy genetiky sa snažili navrhnúť ho tak, aby si študenti vyskúšali metódy, ktoré sa bežne používajú v genetickom laboratóriu.

 

Informácie a foto poskytla: zodpovedná osoba za organizátora, doc. RNDr. Andrea Ševčovičová, PhD.

Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Uverejnila: VČ

Súvisiace:

Hore
TVT 2017 fotografická súťaž
film Cesta času
kam za vedou 1
QUARK
Extrapolácie 2017
téma mesiaca
Aurelium - centrum vedy
Prechod VK na VND - jeseň
Veda v Centre
TVT 2017 výtvarná súťaž
Noc výskumníkov 2017
kúpa časopisov jún 2016
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
kam za vedou 2
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Fermentácia je jedným z najstarších a najekonomickejších spôsobov výroby a konzervácie potravín.
Zistite viac