I modsætning til eukaryoter har bakterier ikke en dannet kerne, men deres DNA er ikke spredt ud over hele cellen, men er koncentreret i en kompakt struktur kaldet en nukleoid. I funktionelle termer er det en funktionel analog til et nukleart apparat.
Hvad er en nukleoid
En bakteriel nukleoid er en region i deres celler, der indeholder struktureret genetisk materiale. I modsætning til den eukaryote kerne er den ikke adskilt af en membran fra resten af celleindholdet og har ikke en permanent form. På trods af dette er bakteriernes genetiske apparat klart adskilt fra cytoplasmaet.
Udtrykket i sig selv betyder "kernelignende" eller "nuklear region". Denne struktur blev først opdaget i 1890 af zoologen Otto Buchli, men dens forskelle fra det genetiske apparat af eukaryoter blev identificeret allerede i begyndelsen af 1950'erne takket være elektronmikroskopi-teknologi. Navnet "nukleoid" svarer til begrebet "bakterielt kromosom", hvis sidstnævnte er indeholdt i en celle i en enkelt kopi.
Nukleoid inkluderer ikke plasmider, derer ekstrakromosomale elementer i bakteriegenomet.
Funktioner af bakteriel nukleoid
Sædvanligvis optager nukleoiden den centrale del af bakteriecellen og er orienteret langs dens akse. Volumenet af denne kompakte formation overstiger ikke 0,5 mikron3, og molekylvægten varierer fra 1×109 til 3×109 d alton. På visse punkter er nukleoiden bundet til cellemembranen.
Bakterienukleoiden indeholder tre komponenter:
- DNA.
- Strukturelle og regulatoriske proteiner.
- RNA.
DNA har en kromosomorganisation, der er forskellig fra eukaryot. Oftest indeholder den bakterielle nukleoid et kromosom eller flere kopier af det (med aktiv vækst når deres antal 8 eller mere). Denne indikator varierer afhængigt af typen og stadiet af mikroorganismens livscyklus. Nogle bakterier har flere kromosomer med forskellige sæt gener.
I midten af nukleoidet er DNA pakket ret tæt. Denne zone er utilgængelig for ribosomer, replikations- og transskriptionsenzymer. Tværtimod er deoxyribonukleinsløjferne i den perifere region af nukleoidet i direkte kontakt med cytoplasmaet og repræsenterer aktive områder af bakteriegenomet.
Mængden af proteinkomponenten i den bakterielle nukleoide overstiger ikke 10 %, hvilket er omkring 5 gange mindre end i eukaryotisk kromatin. De fleste proteiner er forbundet med DNA og deltager i dets strukturering. RNA er et produkttransskription af bakterielle gener, som udføres i periferien af nukleoiden.
Bakteriers genetiske apparat er en dynamisk formation, der er i stand til at ændre sin form og strukturelle konformation. Den mangler nukleolerne og mitotiske apparatur, der er karakteristiske for kernen i en eukaryot celle.
Bakterielt kromosom
I de fleste tilfælde har bakterielle nukleoidkromosomer en lukket ringform. Lineære kromosomer er meget mindre almindelige. Under alle omstændigheder består disse strukturer af et enkelt DNA-molekyle, som indeholder et sæt gener, der er nødvendige for bakteriers overlevelse.
Kromosom alt DNA færdiggøres i form af supersnoede løkker. Antallet af løkker pr. kromosom varierer fra 12 til 80. Hvert kromosom er et fuldgyldigt replikon, da DNA'et ved fordobling kopieres fuldstændigt. Denne proces starter altid fra replikationsoriginet (OriC), som er knyttet til plasmamembranen.
Den samlede længde af et DNA-molekyle i et kromosom er flere størrelsesordener større end en bakteries størrelse, så det bliver nødvendigt at pakke det, men samtidig med at funktionel aktivitet opretholdes.
I eukaryotisk kromatin udføres disse opgaver af hovedproteinerne - histoner. Bakterienukleoidet indeholder DNA-bindende proteiner, der er ansvarlige for den strukturelle organisering af det genetiske materiale, og som også påvirker genekspression og DNA-replikation.
Nukleoid-associerede proteiner omfatter:
- histonlignende proteiner HU, H-NS, FIS og IHF;
- topoisomeraser;
- proteiner fra SMC-familien.
De sidste 2 grupper har den største indflydelse på supercoiling af det genetiske materiale.
Neutralisering af de negative ladninger af kromosom alt DNA udføres af polyaminer og magnesiumioner.
Nukleoidens biologiske rolle
Først og fremmest er nukleoiden nødvendig for bakterier for at kunne lagre og transmittere arvelig information, såvel som for at implementere den på cellulær synteseniveau. Med andre ord er denne formations biologiske rolle den samme som DNA's.
Andre bakterielle nukleoide funktioner omfatter:
- lokalisering og komprimering af genetisk materiale;
- funktionel DNA-emballage;
- regulering af stofskiftet.
DNA-strukturering tillader ikke kun molekylet at passe ind i en mikroskopisk celle, men skaber også betingelser for det normale flow af replikations- og transkriptionsprocesser.
Funktioner ved den molekylære organisation af nukleoiden skaber betingelser for kontrol af cellulær metabolisme ved at ændre DNA-konformationen. Regulering sker ved at sløjfe visse dele af kromosomet ud i cytoplasmaet, hvilket gør dem tilgængelige for transskriptionsenzymer, eller omvendt, ved at trække dem ind.
Detektionsmetoder
Der er 3 måder til visuelt at detektere en nukleoid i bakterier:
- lysmikroskopi;
- fasekontrastmikroskopi;
- elektronmikroskopi.
Afhænger af metodenforberedelsen af præparatet og forskningsmetoden, kan nukleoidet se anderledes ud.
Lysmikroskopi
For at detektere en nukleoid ved hjælp af et lysmikroskop farves bakterier foreløbigt, så nukleoiden har en anden farve end resten af celleindholdet, ellers vil denne struktur ikke være synlig. Det er også obligatorisk at fiksere bakterier på et objektglas (i dette tilfælde dør mikroorganismer).
Gennem linsen i et lysmikroskop ligner nukleoiden en bønneformet formation med klare grænser, som optager den centrale del af cellen.
Farvemetoder
I de fleste tilfælde bruges følgende farvningsmetoder for bakterier til at visualisere nukleoiden ved lysmikroskopi:
- ifølge Romanovsky-Giemsa;
- Felgen-metoden.
Ved farvning ifølge Romanovsky-Giemsa præfikseres bakterier på et objektglas med methylalkohol, og derefter i 10-20 minutter imprægneres de med et farvestof fra en lige blanding af azurblå, eonin og methylenblå opløst i methanol. Som et resultat bliver nukleoidet lilla, og cytoplasmaet bliver lyserødt. Før mikroskopi drænes pletten, og objektglasset vaskes med destillat og tørres.
Feulgen-metoden bruger svag syrehydrolyse. Som et resultat går den frigivne deoxyribose over i aldehydformen og interagerer med fuchsin-svovlsyren i Schiff-reagenset. Som et resultat bliver nukleoidet rødt, og cytoplasmaet bliver blåt.
Fasekontrastmikroskopi
Fasekontrastmikroskopi harhøjere opløsning end lys. Denne metode kræver ikke fiksering og farvning af præparatet - observationen foregår for levende bakterier. Nukleoidet i sådanne celler ligner et lyst ov alt område på baggrund af mørk cytoplasma. En mere effektiv metode kan laves ved at anvende fluorescerende farvestoffer.
Nukleoiddetektion med et elektronmikroskop
Der er 2 måder at forberede et præparat til nukleoidundersøgelse under et elektronmikroskop:
- ultra-tyndt snit;
- Skær frosne bakterier.
I elektronmikrofotografier af et ultratyndt udsnit af en bakterie ser nukleoiden ud som en tæt netværksstruktur bestående af tynde filamenter, som ser lettere ud end det omgivende cytoplasma.
På et afsnit af en frossen bakterie efter immunfarvning ligner nukleoiden en korallignende struktur med en tæt kerne og tynde fremspring, der trænger ind i cytoplasmaet.
I elektroniske fotografier optager bakteriernes nukleoid oftest den centrale del af cellen og har et mindre volumen end i en levende celle. Dette skyldes eksponering for de kemikalier, der bruges til at fikse præparatet.
