bakterİ genetİĞİ

BAKTERİ GENETİĞİ

Prof.Dr.Dilek Yaylalı


Nukleik asitler, doğada bilinen tüm canlıların (insan, hayvan, bitki, mikroorganizma) yapı, karakter ve tüm yaşamsal işlevlerini belirleyen ve yöneten, yaşamın sırlarını saklayan maddelerdir.

Her bakteri hücresi yaşamayla ilgili tüm işleri yapabilen bağımsız tam bir varlıktır. Diğer canlılarda olduğu gibi bakterilerde de belirli karakterin bir nesilden öteki nesle geçerek sürüp gitmesi her bölünmede ikileşen bir örgütlenme ile olabilir ve bu özellikler kromozom üzerindeki genlerle ilgilidir.

Genler kalıtımın biyolojik birimleridir, kendi kendine çoğalırlar ve kromozom üzerindeki özel bir yerde bulunurlar. Bunlar incelenerek bakterilerin kromozom haritası yapılmıştır. Genlerin yapı ve işlevleri en iyi E.coli’nin kromozomu üzerinde incelenmiştir. 5.000.000 baz çifti (5.000 kilo baz) içerir. Uzunluğu 1,3 mm’dir.


Önce kromozomlarda DNA bulunduğu gösterilebilmiş, daha sonra da (50 yıl sonra) DNA’nın genetik bir görevi olduğu gösterilebilmiştir. İncelemeler tüm hücrelerde genlerin replikasyonu ve fonksiyonundan sorumlu olan maddenin DNA olduğunu ortaya koymuştur. Tam bir hücre özelliği göstermeyen viruslarda bu sorumluluk DNA ‘da olabildiği gibi bazı viruslarda RNA’dadır.

Bakterilerin ve virusların süratli üremeleri, genetik çalışmalarda yeni nesillerin meydana gelebilmesi için beklenecek süreyi çok azaltmıştır. Örneğin birçok bakteri uygun koşullarda yarım saatten kısa bir sürede yeni nesiller verirler. Bu şekilde, genetik olayları hücre düzeyinde incelemek daha kolay olmuş ve “moleküler genetik”, “moleküler biyoloji” gibi hızla gelişen yeni bilim dalları ortaya çıkmıştır.

Watson ve Crick’in 1953’de yayınlamış oldukları ve Wilkins ile birlikte Nobel ödülü kazandıkları DNA modeli bugün hala DNA’nın tüm yapı ve işlevini en iyi açıklayan model olarak değerini korumaktadır.

James Watson and Francis Crick, crackers of the DNA code, in 1959


Nükleik Asitlerin Yapısı

l.Deoksiribonukleik asit (DNA) in yapısı: Canlıların genetik özelliklerini belirleyen maddeye “genetik madde” denir. Canlılarda RNA içeren bazı viruslar dışında genetik madde DNA dır. Watson ve Crick’in l953’de yayınladıkları ve Nobel ödülü kazandıkları DNA modeli bugün hala DNA’nın tüm yapı ve işlevlerini en iyi açıklayan model olarak değerini korumaktadır.DNA molekülü, deoksiribonukleotid kısaca nukleotid adı verilen yapı taşlarından (monomer) meydana gelen iki polinukleotid iplikçiğinin, sarmal biçimde birbirine bağlanmasıyla oluşan çok büyük bir polimer molekülüdür. Her nukleotidin yapısında: a-bir azotlu baz molekülü olan purin veya pirimidin b-bir fosfat grubu c-5 karbonlu bir şeker (pentoz) molekülü olmak üzere üç parça bulunur.


Azotlu bazlar Adenin, Guanin, Sitosin ve Timin’dir. Adenin ve Guanin purin; Sitozin ve Timin pirimidin bazlarıdır. Bunlara azot içerdikleri ve bazik oldukları için “azotlu bazlar” denir.

Pentoz molekülü DNA’da deoksiriboz, RNA’da ise riboz yapısındadır. Nükleik asitler (DNA veya RNA) bu şekerin yapısına göre adlandırılırlar.

Azotlu bazların pentoz molekülleri ile yaptıkları birleşiklere Nucleosid (Nukleozid) adı verilir.

Bir nukleozid molekülünün fosforik asit ile yaptığı bileşiğe Nukleotid adı verilir.Deoksiriboz molekülü 1 no.lu C atomuyla azotlu baza, 5 no.lu C atomuyla fosforik asite bağlanır ve bir nukleotid meydana getirir.


Bu şekilde oluşan nukleotidler fosfodiester bağları ile birleşerek çok sayıda nükleotid içeren, DNA molekülünün bir zinciri (ipçiği) meydana gelir. DNA zincirinin devamlılığını sağlayan deoksiriboz molekülleri ve aralarındaki fosfodiester bağlarından oluşan diziye DNA zincirinin belkemiği denir. DNA zincirinin belkemiği bütün zincir boyunca aynıdır. Çeşitli kısımların farklılıkları azotlu bazların sırasındadır. Bu bakımdan bir DNA zincirinin özel bir kısmını belirtmek için bu zincirdeki bazları gösteren harfleri alt alta yazmak yeterlidir.


DNA molekülü, bir eksen ve birbiri etrafında dönen sarmal şekilde iki DNA zincirinden (ipçiğinden) meydana gelir.

İki zincirin karşılıklı bulunması nukleotidlerdeki azotlu bazlar arasında H bağlarının oluşması ile sağlanır. Dört azotlu bazdan Timin ancak Adenin ile, Guanin ancak Sitozin ile bağlanabilir.

Böylece bir zincirdeki Timin, Adenin, Guanin, Sitozin moleküllerinin karşısında diğer zincirde Adenin, Timin, Sitozin, Guanin bulunabilir.T - AA - TG - CC - G


Demek ki bir zincirdeki bazların sırası karşı zincirdeki bazların sırasını belirler ve bir zincirdeki belli bir bazın karşısında diğer zincirde hangi bazın bulunacağı bilinebilir. Bu nedenle bir DNA’nın iki zincirinin birbirinin tamamlayıcısı olduğu söylenir.

Timin, Adenin ; Sitozin, Guanin ile birleştiğine göre bir DNA molekülündeki T miktarı A’ya, C miktarı G’ye eşittir. Ancak bir DNA molekülünde bulunan A + T miktarı, C + G miktarı ile eşit değildir. A+T/C+G oranı her canlı türü için özgül olup değişmez niteliktedir.

Bu nedenle bu özellikten mikroorganizmaların sınıflandırılmasında yararlanılmakta ve G+C’nin tüm DNA molekülüne oranı birbirine yakın olanlar, aynı cins ve türe dahil edilmektedirler.


Bir DNA molekülündeki purin ve pirimidin bazlarının (A,T,G,C) sayısı ve dizilişi her canlı varlık için değişmeyen ve özgüllük gösteren genetik bir özelliktir. Bunun sonucunda doğada milyonlarca farklı canlı türü ve bunların farklı bireyleri (fenotip) bulunmaktadır.

Bir canlının fenotipini belirleyen binlerce biyolojik karakter ve yaşamsal işlevden her birinden “gen” adı verilen genetik birimler sorumludur. Genler sorumlu oldukları fonksiyonları sentez ettirdikleri enzimlerle sağlarlar (genler enzimlerin sentezini yönetirler). Enzimler protein yapısında olduklarından gen, protein yapısını belirleyen DNA parçası olarak tanımlanmaktadır.

Uzunlukları 1000- 5000 nukleotid çifti kadar olabilen genlerdeki bu sayısız çeşitlilik azotlu bazların farklı sayı ve değişik diziliş düzeninde sıralanması ile oluşmaktadır


Proteinler, belli sayı ve sırada amino asitlerin yanyana gelip birbirleriyle bağlanmaları (polimerizasyon) sonucu oluşurlar. Her bir protein molekülünün gen üzerinde spesifik bir kodlanma düzeni vardır.

Protein ile ilgili kodlama nukleotidlerin üçlü gruplar halinde dizilişi ile sağlanmaktadır. Her birisi bir amino asidi kodlayan bu üçlü gruplara triplet, genetik dilinde kodon adı verilir. Triplet veya kodonlar üniversaldir. Bir triplet bakteride hangi amino asidi kodluyorsa insanda da aynı amino asidi kodlar. Bir gen üzerinde en az, oluşturulacak proteinde bulunan amino asit sayısı kadar triplet bulunur.


Bir DNA molekülü çift iplikli bir sarmaldır.Ancak bu sarmal da kendi üzerinde katlanarak 4 iplikli sarmal oluşturur. Süper sarmal denilen bu oluşumun meydana gelmesinde DNA gyrase, süper sarmalın açılmasında da topoisomerase enzimleri iş görür. DNA gyrase’ın blokajı ile DNA sentezi aksar.Kinolonların bakteriler üzerinde etkisi bu yolladır.

DNA molekülünün 2 önemli özelliği vardır :A- İki polinukleotid zinciri birbirlerinden ayrıldıkları zaman herbir ipçik, karşısındaki diğer yarımı aynen oluşturabilme yeteneğindedir. Başka hiç bir molekülde olmayan bu özellikle üreme sırasında 2 ipçik kendilerini tamamlayarak aynı yapı ve özellikte 2 DNA molekülü oluşur (Replikasyon).B- Gerektiği anda üzerindeki nukleotid sırasına uygun özellikte RNA molekülleri oluşturarak hücrenin yaşamsal işlevlerini yönetir (Transkripsiyon).


DNA’nın Replikasyonu (İkileşmesi)

Bir DNA molekülünden onun aynı baz sırasını gösteren 2 DNA molekülünün oluşmasına “DNA’nın replikasyonu” yani kendi kendini eşletmesi adı verilir.

DNA’nın bu özelliğinden yararlanarak DNA hibridizasyon ve poli-meraz zincir reaksiyonları (PCR) geliştirilmiş olup, canlıların tüm özellik ve biyolojik işlevlerinin açıklanması sağlanmıştır.


DNA molekülü 60°-70° C’ye kadar yavaş yavaş ısıtılırsa veya değişik konsantrasyonlardaki üre çözeltileri ile karşılaştırılırsa, purin ve pirimidin bazları arasındaki hidrojen bağları çözülür ve iki polinukleotid zinciri birbirinden ayrılır. Denatürasyon denilen bu olay reversibl olup, ortamın yavaş yavaş soğutulması veya hidrojen bağlarını kıran etkenlerden arındırılması sonucu, iki polinukleotid iplikçiği yeniden birleşir.

DNA molekülünün bu eşşiz özelliğinden yararlanarak, ayrı tür hatta farklı cinslere ait canlıların birbirinden ayrılmış DNA iplikçikleri bir araya getirilip eşletilebilmektedir (DNA hibridizasyon tekniği).


l960 yılında Kornberg ve arkadaşlarının, E.coli bakterisinden ayrılmış olan DNA’ nın bir tüp içinde polimeraz enzimi ve gerekli birtakım kimyasal maddelerle birarada bırakılmasından bir süre sonra, yeni DNA moleküllerinin sentez edilerek DNA miktarının iki katına kadar çoğaldığını göstermeleri, polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) ile ilgili ilk deneme olarak kabul edilebilir.

PCR , l985 yılında Erlich ve arkadaşları tarafından geliştirilmiş olan ve küçük bir DNA sekansının bir milyon sarmaldan daha fazla sayıda spesifik DNA sekanslarına çoğaltılabilmesine (amplifikasyon) imkan sağlayan güçlü ve çok duyarlı bir tekniktir. Bu yöntem insanı saçından, ağız çalkantı suyundaki hürelerden, tek bir lenfoid hücreden, kadavradan veya sperm hücrelerinden elde edilen DNA sekanslarının incelenebilmesini mümkün kılar. İmmünoloji,mikrobiyoloji, genetik, hematoloji ve adli tıp alanında yaygın biçimde kullanılan bir yöntemdir.

E. coli ve S. thyphimurium ile yapılan çalışmalar, bakteri kromozomlarının genellikle çember(sirküler) biçiminde olduğunu göstermiştir.Ancak yapılan son çalışmalarda bazı bakterilerin lineer(çizgi şeklinde) kromozomlara bazılarının ise birden fazla kromozoma sahip oldukları saptanmıştır.


DNA sarmalının replikasyonu, replikon denilen bir noktadan başlar. DNA bu noktada mezozom’a bağlanmıştır ve mezozomda replikasyon için gerekli enzimler bulunmaktadır.

Önce mezozomdaki replikondan itibaren 2 DNA iplikçiği birbirinden ayrılmaya başlar ve ayrılan iplikçikten birisi mezozomun yakınındaki ikinci bir noktaya bağlanır.

İplikçikler bir yandan birbirlerinden ayrılırken bir yandan da ayrılan her bir iplikçiğe hemen kendi karşılığı olan (tamamlayıcı) ipçikler sentez edilmeye başlar. Eski ipçik yeninin yapılması için kalıp görevi yapar.

Bu şekilde bir DNA molekülünden oluşan iki DNA molekülünün her biri, esas (örnek) DNA molekülünün bir zincirini ve yeni sentez edilmiş tamamlayıcı zinciri içerir.

İki polinukleotid iplikçiğin ayrılması tümüyle bittiğinde, bakteri içinde birbirinin tıpatıp benzeri olan 2 DNA sarmalı oluşmuştur.


Bu sırada uzayan bakteri hücresinde, ana bakteri DNA’sının iplikçiklerinin sitoplazma zarında bağlı olduğu noktalar da (mezozom) birbirlerinden uzaklaşmışlardır. Daha sonra,önce sitoplazmik zar, arkasından hücre duvarı içeriye doğru girinti yapar.

Böylece uzayan bakteriyi enine ikiye bölen bir hücre zarı ve hücre duvarı yapımı tamamlanarak birbirinin aynı olan iki yavru bakteri oluşur.


2-Ribonükleik asitlerin (RNA) yapısı :

RNA molekülünün yapısı bazı farklarla DNA’nınkine benzer. DNA’dan farklı olarak RNA’da deoksiriboz yerine riboz, timin (T) yerine urasil (U) bulunur. Ayrıca RNA tek iplikçikli bir poli-nukleotid zincirinden oluşmuştur. Yer yer kendi üzerine katlanarak çift katlı görünen RNA bölgeleri meydana gelir.

Hücre içinde 3 tip RNA bulunur:a) Messenger RNA (m-RNA)b) Ribozom RNA’sı (r-RNA)c) Transfer RNA (t-RNA)


a)Messenger RNA (m-RNA) =Mesaj İleten RNA = Ulak RNA

DNA molekülünün belli kısımları belli genleri oluşturur. Bakterilerde kromozom üzerinde 6000 kadar gen bulunur (1 gen 1000 - 5000 nukleotid çiftinden oluşur).Genler yaşamsal işlevde yeri olan protein (enzim ya da yapıtaşı) molekülünün yapılabilmesi için gerekli bilgiye sahiptirler. Başka bir deyişle proteinlerin sentezi için gerekli bilgi DNA molekülünde kaydedilmiş (şifrelenmiş) durumdadır. Buna genetik şifre denir.


Enzimlerin sentezi için gerekli genler arasındaki fark, (bütün DNA boyunca fosforik asit- deoksiriboz zinciri aynı olduğuna göre) zincirdeki karşılıklı baz çiftlerinin sırasındadır. Yani genetik şifre DNA molekülündeki baz çiftlerinin sırasında kayıtlıdır. İşte bu bilginin ribozomlara ulaştırılması gerekir. Çünkü enzimlerin ve diğer yapıtaşı proteinlerin sentezi ribozomlarda olur. DNA’daki bu bilginin proteinlerin yapım yeri olan ribozomlara ulaştırılabilmesi için genler m-RNA moleküllerini yaparlar. Genetik şifre DNA’dan ribozomlara m-RNA molekülleri ile taşınır. m-RNA, DNA’daki bazların sırasına göre dizilen ribonukleotidlerden oluşur.

DNA’nın replikasyonunda olduğu gibi m-RNA’nın oluşumunda da DNA’daki Guanin karşısına Sitozin, Timin karşısına Adenin,Adenin karşısına Urasil gelir.

DNA m-RNA G - C T - A A - U


Böylece DNA’daki bir gen kısmının şifresini kaydetmiş olan m-RNA molekülünün oluşmasına transkripsiyon =kopya çıkarma işlemi denir.Genler, bu şekilde oluşturdukları m-RNA’ya kendilerinde bulunan,protein yapımı ile ilgili bilgiyi 3’lü kodlar şeklinde aktarmış yani yapılması istenen protein kalıbını yapmış olurlar. (m-RNA’da da her 3 baz 1 amino aside işaret eder). Bu üçlü kod’a yani triplete de kodon adı verilir.Çekirdekte yapılan bu m-RNA sitoplazmaya salınır ve proteinlerin yapım yeri olan ribozom’lara gider.

b)Ribozomal RNA ve ribozomlar :Ribozomal RNA ribozomlarda bulunur, hücredeki tüm RNA’nın % 80’nini oluşturur. Ribozomdaki proteinlere bağlı olarak bulunur.


c)Transfer RNA (t-RNA)= Taşıyıcı RNA = Solubl RNA

Sitoplazmada yaygın bulunur. Yapı bakımından özellik taşır. RNA zinciri kendi üzerinde katlanarak çift katlı bir yapı halini almıştır.Görevi sitoplazmadaki amino asitlere bağlanıp onları aktive ederek ribozomlara yerleşen m-RNA’daki uygun kodonlara taşımaktır. Yonca yaprağı biçimindedir, 5 çıkıntı oluşturur. Çıkıntılardan birisi t-RNA tarafından taşınacak amino asit için özgül olan üçlü yapısındadır. Antikodon ismi verilen bu üçlü, m-RNA’daki kendi karşıtı olan kodon tripletindeki bazlarla H bağları ile birleşir. Bir başka kolu antikodondaki tripletin belirlediği amino asidi taşır. Bir hücredeki 20 çeşit amino asit için özgül olan t-RNA vardır.


Protein SenteziProtein ve enzimlerin sentezi ribozomlarda olur. Bu olayın gerçekleşmesi için önce DNA’daki belirli bir proteinin yapılmasından sorumlu olan genin genetik şifresine uyan m-RNA’ nın sentezlenmesi gerekir (Transkripsiyon). m-RNA sentezlenecek protein için bir kalıp görevi yapar. Oluşan m-RNA’lar sitoplazmaya salınırlar. Aynı zamanda bu kalıba uygun amino asitleri bağlayabilecek t-RNA’lar da salınmışlardır. m-RNA ribozomdaki oluğuna yerleşir. Burada m-RNA’daki kodonlar sırası ile okunup (translasyon, çeviri) her kodon karşıtı antikodonu taşıyan t-RNA, kendine özgü amino asidini yüklenerek ribozoma gelir ve m-RNA’daki kodon ile H bağları oluşturarak birleşir. Böylece amino asitleri taşıyan t-RNA’lar ribozomda, m-RNA’daki sıraya uygun biçimde dizilirler. Bir yandan da amino asitler birbiri ile birleşirler (polimerizasyon). Amino asidi polimerize olan t-RNA, serbest kalır ve ribozomdan ayrılır. Olay bu düzen içinde ve çok hızlı bir şekilde, polipeptid zincirinin tamamlanmasına kadar sürer. Bu şekilde oluşan bir çok polipeptid birleşerek protein molekülleri olan enzimler sentez edilmiş olur. Demek ki bir enzimin çeşidi o enzimin sentezi ile ilgili gendeki bazların sırasında kayıtlıdır.


MİKROORGANİZMALARDA GÖRÜLEN DEĞİŞİKLİKLER

Çeşitli etmenlerin etkisi ile mikroorganzimaların ana özelliklerinden bir ya da birkaçı değişmeye uğrayabilir.Mikroorganzimalarda görülen bu değişiklikler iki bölümde incelenebilir:

1-Fenotipik değişmeler (Modifikasyon) :Daha çok ısı, ışık, nem, pH, yüzey gerilimi, bazı kimyasal maddeler gibi dış ortam koşullarının etkisi ile oluşan, mikroorganzimanın genetiğinde bir değişmeye yol açmayan değişikliklerdir.

Bu değişiklikler, etmen ortadan kalkınca kolayca geri dönebilir. Kirpik değişmeleri Kapsül değişmeleri Fimbria değişikliği Spor değişiklikleri Hücre duvarı değişikliklerine bağlı involusyon şekilleri, protoplast, sferoplast ve L şeklindeki dönüşüm Koloni değişiklikleri M S R R S M

Boyanma özelliği değişikliği : taze ve eski kültürlerde Enzim değişmeleri Pigment değişmeleri, granül oluşturma değişmeleri fenotipik değişmelerdir.


MİKROORGANİZMALARDA GÖRÜLEN DEĞİŞİKLİKLER


2-Genotipik değişmeler :Bakterilerin genetik yapısında oluşan gelişmelerdir. Genlere bağlı değişmeler mutasyonla veya rekombinasyon (bakteriden bakteriye genetik madde aktarımı) ile oluşur.

Mutasyon : Mutasyonlar, bir canlının genomunda meydana gelen kalıtsal

değişikliklerdir. Mutasyon sonucunda ortaya çıkan yeni ve değişik tip canlıya da mutant denir. Aynı türün doğadan izole edilen farklı özellik gösteren bireyleri de varyant olarak kabul edilir.DNA molekülünün bazı bölgeleri, diğer bölgelerine göre mutasyona daha duyarlıdır. Mutasyona uğrama olasılığı daha yüksek olan bu bölgelere sıcak bölge adı verilir. Örneğin normal bir gendeki 10-7 lik mutasyona uğrama oranı sıcak bölgede 10-4’ e çıkabilir.

Muutasyonlar, bakteri bölünmesinde DNA’nın replikasyonu sırasında meydana gelebilir. Bakterilerin çok uzun bir DNA molekülü vardır. Bir genin ortalama 1000-2500 nukleotid çiftinden oluştuğu saptanmıştır ve genler DNA molekülü üzerinde bulunurlar. Bu kadar uzun bir DNA molekülünün replikasyonu sırasında baz çiftlerinde çeşitli değişiklikler oluşabilir.


. Bu değişmeler 3 şekilde olabilir;1)Delesyon : DNA molekülünde replikasyon sırasında bir, birkaç veya birçok baz çiftinin kaybolması, noksanlaşmasıdır. (Biz replikasyonu sekretere verdiğimiz bir kitabı aynen kopya etmesine benzetebiliriz. Sekreter kitabı kopya ederken bir veya birkaç harf, kelime, satır veya sayfa atlayabilir). İşte bir bakteri çoğalırken DNA’nın milyarlarca defa replikasyonu sırasında nadiren buna benzer hatalar olur ve yeni oluşan DNA ipçiğinde bir veya birçok nukleotid noksanlaşabilir.

2)Addisyon veya insersiyon : DNA molekülünün replikasyonunda bir, birkaç veya birçok nukleotid DNA yapısında olmaması gereken bir yere girebilir, ilave olur (Kitabı kopya eden sekreter fazladan bir harf basabilir, bir kelimeyi ya da satırı iki defa yazabilir, ya da sayfaları karıştırarak orada olmaması gereken bazı satırları oraya koyabilir). Bu olaya da addisyon veya insersiyon denir.

3)Transversiyon ve transisyon : Sekreterin yapacağı en basit hata bir harf yerine başka bir harf basmak olacaktır. Benzer şekilde DNA’nın replikasyonunda da bazen bir nukleotid yerine başka bir nukleotid girebilir. Bu değişme ile bir purin (adenin veya quanin) yerine pirimidin (timin veya sitozin) veya pirimidin yerine purin girerse olay transversiyon; bir purin yerine diğer purin, bir pirimidin yerine diğer pirimidin girerse olay transisyon olarak adlandırılır.

Mutasyonlar, tek bir nukleotid değişikliğine bağlı olarak nokta mutasyonlar veya çok sayıda nukleotidin etkilendiği büyük mutasyonlar şeklinde meydana gelebilir.


• Nokta mutasyonlarda bir nukleotidin eksilmesi veya artmasıyla DNA daki bütün tripletler kayar ve mRNA’da oluşacak kodonlar değişir. Bu tip mutasyonlara çerçeve kayması şeklinde mutasyonlar denir.Bunun sonucunda yapısı ve fonksiyonu tamamen kaybolmuş bir polipeptid sentezlenir.

• Örnek: ‘AMA ODA ÇOK LOŞ’ cümlesine dışarıdan herhangi bir yere bir A harfi eklenirse,üçlü kelime (triplet) yapısını bozmadan ‘AMA OAD AÇO KLO Ş’ şeklinde anlamsız bir çümle olacaktır.


Tüm bu değişmeler sonucunda bakteri bazı özelikler kaybeder veya kazanır.Mutasyonların çoğu spontan olarak (kendiliğinden) meydana gelirler. Bir genin mutasyona uğrama olasılığı 10-7-10-12 arasındadır. Ancak bazı fiziksel ve kimyasal etkiler mutasyon olasılığını artırır. Mutajen denilen bu etkiler fiziksel ve kimyasal mutajenler olarak ayrılabilirler.

Fiziksel mutajenler: Ultraviyole (UV) ışınları X ışınları P 32 gibi etkilerdir. Kimyasal mutajenler: Baz analogları (DNA’daki purin veya primidinlere benzeyen maddeler), Nitröz asidi, Nitrojen mustard (zehirli harp gazı), Akridin boyaları (akridin oranj, proflavin, akriflavin) gibi kimyasal maddelerdir.

Bu mutajen etkiler DNA molekülünde replikasyon hatalarına, kopmalara ve değişmelere neden olurlar.


Mutasyonla Oluşan Değişmeler

Eğer mutasyon,enzim sentezi ile ilgili bir yapı geninde meydana gelmişse ve bu enzim bakteri için vazgeçilmez cinsten ise mutasyon sonucu bakteri ölür veya üremesi durur. Eğer bu enzim mikroorganizmanın onsuz da yaşayabileceği bir reaksiyonu katalize ediyorsa, bakteri bazı özelliklerini kaybedebilir ama yaşamını sürdürür.

Bakterilerin çeşitli özelliklerini ilgilendiren mutasyonlar meydana gelir. Örneğin bakterinin bir fermantasyon yeteneği kaybolabilir. Böylece laktozu fermente edemeyen bir E.coli mutantı meydana gelebilir.

Pigment, spor, kirpik, kapsül oluşumu ile ilgili genlerdeki mutasyonlar pigmentsiz, sporsuz, kirpiksiz, kapsülsüz mutant’ların oluşmasına yol açar. Bazen, mutasyon bakterinin fenotipik özelliklerine de etki eder. Hücre duvarında değişmeye neden olan bir mutasyon, bakterinin koloni morfolojisi, antijenik yapısı ve virulansında değişmelere yol açabilir.

Bütün bu örneklerdeki gibi mutasyon çok defa bir yeteneğin kaybına yol açar ve bakterinin zararınadır. Fakat bakteriye yeni özellikler kazandıran ve bakterinin yararına olabilen mutasyonlar da vardır. Örneğin antibiyotiklere, diğer kemoterapötiklere dirençli mutantlar oluşabilir. Dirençle ilgili mutasyonlar tek yönlü değildir.Bir bakteri kültüründe dirençli mutantlar meydana geldiği gibi, daha duyarlı mutantlar da meydana gelebilir.


Bakteriler Arasında Genetik Madde Aktarımı (Rekombinasyon)

Bilindiği gibi yüksek canlılarda üreme esnasında iki ayrı haploid genetik hücreden birinin genetik materyalinin tümü diğer hücreye aktarılmakta, her iki hücrenin genetik materyali birleşerek bir Zigot oluşturmaktadır.

Bakterilerde üreme tek hücrenin genetik materyalinden başlayarak tüm hücrenin ikiye bölünmesi ile olur. Ancak bakteriler arasında genetik materyalin bir kısmının hücreden hücreye çeşitli şekilde aktarıldığı ve bu aktarmalar sonunda bakterilerde önemli genetik değişikliklerin olageldiği bilinmektedir.

Birbirine çok yakın iki mikroorganizmanın genetik maddeleri bir arada bulunduğunda, bir DNA molekülünde bulunan farklı genler, diğer DNA molekülü tarafından kazanılabilir. Böylece bazı genleri bir genetik maddeden, bazılarını diğerinden alan yeni tip genetik madde oluşmasına “rekombinasyon=yeni bileşim”; oluşan melez bakteriye de rekombinant=yeni bileşen denir. Diğer deyişle rekombinasyon, yabancı DNA parçalarının bakteri kromozomuna (DN’sına) karışması olayıdır.


Bakterilerde rekombinasyon olayının oluşması için bir bakteri hücresine diğer bir bakteri hücresindeki DNA’nın girmesi gerekir. Bunu sağlayan, transformasyon, transdüksiyon, konjugasyon olaylarıdır.

Transformasyon :

Bir bakteri hücresinin DNA’sının bir kısmının, bir diğer bakteri hücresine, iki bakteri arasında fiziksel bir birleşme veya bir bakteriyofaj aracılığı olmaksızın girmesi olayına “transformasyon” denir. Burada genetik maddeyi veren hücreye verici (donor), alan hücreye de alıcı (resipient) denir.

Transformasyon olayını ilk kez 1928’de Griffith, S.pneumoniae’de göstermiştir. S.pneumoniae kapsüllü bir bakteridir. S şeklinde koloni yapar ve deney hayvanları için virulandır. Kapsül yapma yeteneğini kaybeden R mutantları ise avirulandır.

S şeklindeki bakterilerin deney hayvanlarına şırıngası hayvanın ölümüne neden olur.

R şeklindekilerin veya ısı ile öldürülmüş S şeklindeki bakterilerin şırıngasında ise hayvan sağlıklı kalır.


Griffith, R şeklindeki canlı ve ısı ile öldürülmüş S şeklindeki bakterilerin ayrı ayrı deney hayvanlarına verdiğinde, hayvanların sağlıklı kaldıklarını fakat beraber verildiklerinde ise hayvanların septisemi ile öldüklerini ve kanlarında I.tipten S şeklinde canlı S.pneumoniae’nin ürediğini gözlemiştir.

Bu olay ölü S bakterilerinden bir maddenin, canlı R bakterilerine geçmesi ve ona kapsül yapma yeteneğini kazandırması ile açıklanabilir.

Transformasyonu yapan maddenin, yani alıcıya vericideki bazı genetik özellikleri taşıyan bu maddenin, DNA olduğunun 1944’te gösterilmesi, genetik maddenin DNA olduğu hakkındaki ilk bulgudur.

Daha sonraları sadece kapsül değil, çeşitli özelliklerin bir bakteriden diğerine geçebildiği ve bir çok bakteri cinslerinde (Neisseria, Streptokok, Hemofil vs.), aynı türden, aynı cins fakat farklı türlerden ve yakın cinslere ait bakteriler arasında meydana gelebildiği anlaşılmıştır.


Transdüksiyon Bir bakteriyofaj aracılığı ile bir bakteriden (vericiden) bir diğerine (alıcıya)

bakteri genlerinin (genetik materyalin) aktarılması olayına “Transdüksiyon” denir.

Bakteriyofajlar (faj) bakteri viruslarıdır. Normal olarak kendilerine özgül olan konak bir bakteri kültürüne konulan

bakteriyofajlar, kuyrukları ile bakteri hücresine yapışırlar ve faj, DNA’sını bakteri hücresi içine enjekte eder. Protein kılıf hücre dışında kalır. Faj DNA’sı bakteri içine girer girmez, hücrenin yaşamsal işlevleri faj’ın yararına çalışmaya başlar ve bir yandan faj DNA’sı, bir yandan da faj kapsitleri için gerekli proteinler yapılır.

Kısa zamanda hücrenin içi faj birimleri ile dolar. Sonunda hücre yırtılır ve fajlar hücre dışına çıkarak yeni bakterilere girerler. Böyle bakteriyofajlara virulan bakteriyofaj’lar denir.

Böyle bir bakteri kültüründe gözle görünen şey sıvı ortamda bulanık kültürünün saydamlaşması; katı ortamda kültür yüzeyinde saydam alanların oluşmasıdır.


Tempere bakteriyofaj denilen bazı bakteriyofajlarla konak bakterinin infeksiyonunda ise bakteriyofaj genetik maddesi, konak bakteri genetik maddesi (kromozom, DNA) ile birleşir ve bakteri kromozomu ile birlikte çoğalır.Bu nedenle yeni bakteriyofaj partikülleri yapılmaz, bakteri hücresi erimez. Bakteri kromozomu ile birleşmiş olan ve ancak onunla birlikte çoğalan bakteriyofaj genetik maddesine profaj, profaj taşıyan konak bakteriye de lizojen suş denir.Çok az sayıda bakteride profaj, bakteri DNA’sından ayrılarak bakteri hücresi içinde ayrı bir şekilde çoğalmaya başlar (otonomisini kazanır) ve konuk olduğu bakteriyi eritir.Bir lizojen kültür, UV ışınları ile ışınlanırsa hemen bütün bakterilerde profaj otonomisini kazanır ve bakteriler eriyerek bakteriyofaj partikülleri serbest kalır. Pek seyrek olarak

(10 –5-10-6 oranında) bakteri kromozom’una bağlanmış olan faj genetik maddesi, otonom hale geçerken, bakteri kromozomunun bir kısmı bununla birlikte ayrılır. Böyle bir partikül başka konak hücreyi enfekte ettiğinde ona önceki konağa ait bir kısım genetik maddeyi de taşımış olur. Bu olaya transdüksiyon adı verilir. O halde transdüksiyon, bir bakteriyofaj aracılığı ile bir bakteriden diğer bakteriye genetik materyal ya da bir kromozom parçacığının aktarılması olayıdır.

Transdüksiyon, en çok Salmonella, Shigella, Escherichia coli, Pseudomonas, Vibrio, Proteus, Stafilokok ve Bacillus cinslerinde görülen bir olaydır.


Faj koversiyonu :

Profajlar bulundukları bakteriye bazı özellikler kazandırabilirler. Bazı lizojen bakterilerde direkt olarak bakteriyofaj genleri ile kontrol edilen bazı genetik özellikler vardır.

Lizojen bir bakterinin bazı özelliklerinin bakteriyofajlardaki genler ile sağlanması olayına faj koversiyonu (lizojenik konversiyon) denir.

En belirgin örneği C.diphtheriae’nin toksin oluşturmasıdır. Bu bakterinin patojenliğini bu toksin sağlar. Bu toksinin yapılması için gerekli genler ise bakteri kromozomunda değil, belli bir bakteriyofaj suşunun kromozomundadır. Bu bakteriyofajla lizojen olmayan suşlar toksin yapamazlar ve avirulandırlar.


Konjugasyon :

Genetik bakımından seks ayrımı gösteren iki bakteri hücresinin yan yana gelip aralarında geçici olarak sitoplazmik köprü oluşması ile bir bakteriden diğerine genetik madde aktarılması olayına konjugasyon adı verilir.

Konjugasyon olayı bazı bakımlardan yüksek organizmalardaki cinsel bileşmeye benzer. Bu nedenle konjugasyonda verici olarak rol oynayan bakterilere erkek hücre veya F + (fertil) hücre, alıcı olarak rol oynayan bakterilere de dişi hücre veya F – bakteriler denir.

Erkek bakterilerde (F + bakterilerde), bakteri kromozomundan ayrı, DNA yapısında ve F faktörü (fertilite faktörü) veya seks faktörü denilen bir faktör bulunur. Yalnızca bu faktörü içeren bakterilerin bunu içermeyen bakteriler ile yan yana gelme, aralarında köprüler oluşturma ve bakteriden bakteriye bu faktörü ya da aynı anda bakterinin kromozomundan bir parçayı aktarma yeteneği vardır. F faktörü tra denilen bir sıra gen taşır. Bakteriden bakteriye genetik madde aktarılmasını bu genler yönetir.


Konjugasyon olayında F pilusları (seks pilusları) rol oynar. Seks pilusu, bilinen fimbriya’lar dışında, onlardan daha büyük, bazen bakteri boyunun birkaç misli uzunluğundan, içi boş boru gibi bir pilustur. Bu piluslar, F faktörü taşıyan (F + bakteriler) bakterilerde bulunur ve F + bakterinin F –bakteri ile birleşmesini sağlarlar. Böylece genetik maddenin geçmesi için bir kanal oluştururlar. F pilusları bakteriyofajların adsorpsiyonunu da sağlarlar.

F+ bakteriler F– bakterilerle aynı ortamda bulunduklarında aralarında konjugasyon olur, (F faktörü replikasyona uğrar, çift kat olan DNA ipçikleri birbirlerinden ayrılırken, bir tanesi F– hücreye geçer, diğeri esas verici hücrede kalır) ve F+ bakteriden F– bakteriye F faktörü geçer.

Bu şekilde F– bakteriler de bu faktörü kazanarak F+ hale geçerler. Bazen F–

hücrelerinin % 100’ü F+ hücre haline dönüşür.

F+ bakterilerden F– bakterilere F faktörünün aktarılma sıklığı çok yüksek olmasına karşın, konak bakteriye ait DNA parçalarının aktarılması oldukça seyrektir (10-4–10-6 oranında).


Konjugasyonla bakteri kromozom parçalarının aktarılması :Bazı durumlarda (10-4–10-6 oranında) F faktörü, bakteri kromozomunun uygun bir yerine yapışır (bağlanır) ve bir fajın profaj durumuna geçmesi gibi ancak bakteri kromozomu ile birlikte çoğalır. Böylece bakteride otonom çoğalan serbest F faktörleri bulunmaz. Bu hücrelere Hfr hücreler (high frequency of recombination=yüksek sıklıkla rekombinasyon yapan) hücreler denir.

F faktörü bütünleşmiş olduğu bakteri kromozomundan ayrılarak, kromozom dışında çembersel şeklini alabilir.Böylece Hfr hücrelerden F+ hücreler oluşabilir. Bu ayrılma sırasında bazen F faktörüne, bakteri kromozomunun bir parçası da bağlı kalabilmektedir.Bu şekilde serbest kalan plazmit niteliğindeki bu oluşumda hem F faktörüne, hem de bakteri kromozom’una ait bazı genler birlikte bulunmaktadırlar. Bu faktörlere F/ Faktörü, onu içeren hücrelere de F prime hücreler denir.

Böyle bakteriler F– bakterilerle karıştırıldıklarında yine konjugasyon olur, F faktörü ve bakteri kromozomuna ait bazı genler F– bakteriye geçmeye başlar. Daha sonra F– bakterinin kendi kromozomu ile yeni geçen kromozom parçası arasında rekombinasyon olur ve farklı genler alıcı bakteriler tarafından kazanılmış olur.


Bakterilerde Hücreden Hücreye Aktarılan Elementler

Buraya kadar olan açıklamalarda hücreden hücreye çeşitli yollarla aktarılan maddelerin, verici bakterilere ait genler olabileceği gibi, kromozom dışında ve F faktörü dediğimiz, bakteriye vericilik özelliği kazandıran oluşumların da olabileceği belirlenmişti.

Bugün bakteri kromozomu dışında bakterilerden bakteriye aktarılan DNA parçacıklarının yalnız F faktörü olmadığı, ayrıca değişik yapı ve nitelikte ve aktarıldığı bakteride çeşitli işlevsel değişikliklere yol açabilen kromozom dışı elementlerin de bulunduğu bilinmektedir.

İşte kromozomlardan başka, bakterilerin içinde bulunabilen DNA yapısında, içinde bulundukları bakteriye bazı özellikler kazandıran elementlere (kromozom dışı genetik parçacıklara) plazmid adı verilir. Plazmidler bakteri kromozomu ile birleştiklerinde epizom adını da alabilirler.

Plazmid’ler çift ipçikli DNA molekülünden yapılmış, sitoplazma içinde çoğu çembersel yapıda, bir uçları ile bakteri sitoplazmasının bir noktasına tutunarak bakteri kromozomundan ayrı bir şekilde replikasyon gösteren elementlerdir.


Bakteri kromozomundan küçüktürler. Hepsinde kendi replikasyonlarını sağlayan genler bulunur. Bazı plazmidlerde bakteriden bakteriye kendi transferlerini sağlayan tra genleri bulunur. Bunlara konjugatif plazmid’ler adı verilir. Bu tür genleri bulunmayanlara da non konjugatif plazmid’ler denir. Bunlar ancak F faktörünün bulunması veya konjugatif plazmid’ler aracılığı ile harekete geçirilerek konjugasyonla başka bakterilere aktarılabilirler. Buna plazmid mobilizasyonu denir.

Bugüne kadar bakterilerde plazmid’ler tarafından kodlandıkları bilinen özelliklerden bazıları şunlardır:

Antibiyotiklere, UV’ye direnç, enterotoksin, eksfolyatif toksin, hemolizinler, proteazlar, üreaz, H2 S oluşturma, pigment, koagulaz, vb.

Plazmid’ler bakteri hücresinin içinde kendiliğinden oluşmazlar, başka bakterilerden aktarılırlar. Aynı bakteri içindeki plazmid’ler kendi aralarında birleşebildikleri gibi bakteri kromozomuna entegre olarak epizom şekline de geçebilirler. Bulundukları bakteriler için mutlak gerekli elementler değildirler.


Bilinen başlıca plazmid’ler :

1-F faktörleri (Fertilite = seks faktörü)

2-F / faktörleri

3-Col plazmid’leri (Kolisinojenik faktörler)

İlk olarak bazı coli basillerinin başka coli basillerini eriten maddeler yaptığı gözlenmiş, bunlara kolisin (colisin) adı verilmiştir. Daha sonra bu maddelerin diğer barsak bakterilerinde de bulunabildiği saptanmış ve kolisinlere genel olarak bakteriyosin (bacteriocine) adı verilmiştir. Yapılan incelemeler bakteriyosinlerin hücredeki bir plazmid tarafından sağlandığını ortaya koymuş, bu plazmid’lere Col Plazmid’leri ya da kolisinojenik faktör adı verilmiştir.

4-R plazmid’leri RTF faktörleri

Gram negatif bakterilerde antibiyotiklere karşı ekstra kromozomal direncin bakteriden bakteriye aktarılmasını yöneten kromozom dışı elementler vardır. Bu faktöre RTF (Rezistans Transfer Faktör) ya da TF (Transfer Faktör) adı verilir.


RTF faktörü bulunan bakterilerden, bu faktörü olmayan bakterilere direnç genlerinin aktarılması, bu faktörlerin kontrolü altında yapılır.Dirençli bakterilerde dirençlik genleri, her kemoterapötik’e karşı bir direnç geni olarak bir DNA parçacığı şeklinde bakterinin sitoplazması içinde bulunurlar. Bu genlerin RTF faktör ile ilişkisi şu şekildedir:

a) Direnç genleri RFT faktörü ile birleşmiş olarak tek bir R plazmidi oluşturacak şekilde bulunurlar. Bunlara Sınıf I direnç plazmid’leri de denir.RTF + direnç geni R plazmid = Sınıf I direnç plazmidiBu durumda konjugasyon olayı sırasında eşleşilen plazmidin tümü alıcı hücreye geçer ve alıcı hücre aktarılan plazmid’deki direnç genleri sayısı kadar antibiyotik sayısına aniden direnç kazanmış olur.

b)Bakteri hücresi içinde TF (RTF) faktörü, direnç genlerine bağlı olmaksızın ayrı bir plazmid olarak bulunur ve başka bakterilere direnç genlerinin aktarılmasını yönetir. Bu durumda direnç genleri konjugasyon anında tek tek, bir kaçı bir arada ya da tümü birden alıcı bakteriye RTF faktörü ile birlikte ya da onsuz geçebilirler. Bu tür direnç plazmid’lerine Sınıf II direnç plazmid’leri denir.


RTF (TF) faktörlerinde aynı F faktöründeki gibi tra genleri bulunduğundan bu bakteri de seks pilusu oluşturma yeteneğindedir.5-Stafilokok plazmid’leri : Konjugasyon ile geçmezler. Bakteriyofajlar aracılığı ile transdüksiyon yolu ile geçerler:Penisilaz plazmidiTetrasiklin plazmidiKloramfenikol plazmidiNeomisin plazmidiKanamisin plazmidiBakteriyosin plazmidi.

6-Virulans plazmid’leri : Bakterilerde virulansı etkileyen plazmid’ler de bulunmaktadır.Enterepatojenik E.coli’de enterotoksin, Stafilokoklarda eksfolyatif toksin, oluşmasını yöneten plazmid’ler, streptokokların hemolizinleri bunlara örnek verilebilir.


7-Ağır metallere direnç plazmid’leri: Genellikle Gram pozitif koklarda bakır, civa, kobalt gibi ağır metallere direnç sağlayan plazmitler vardır ve çoğunlukla antibiyotik direnç genleri ile birlikte bulunurlar,

8- Dissimilasyon plazmitleri: Bazı plazmitler doğada parçalanması güç olan bazı maddeleri( ksilen, toluen gibi) parçalayıp temizleme görevi yaparlar.Bu tip plazmitler bazi Pseudomonas türlerinde bulunur.Bu çeşit plazmitlerle ham petroldeki zararlı bileşikler parçalanabilmektedir.Böyle bakterilerin çevredeki petrol artıklarının temizlenmesinde kullanılabilmesinin mümkün olduğu söylenmektedir.


Yer Değiştiren (Transposable) Elementler

Yer değiştirebilen elementler özgül DNA sıraları olup, kopyaları genom (replikon) içinde yer değiştirirler.İlk kez E.coli’de gerek bakteri DNA’sında, gerekse plazmid DNA’larının üzerinde bazı DNA sıralarının (Polinukleotid’lerin) birden çok sayıda oldukları ve bunların yerlerinden ayrılarak DNA’nın başka yerlerine göçebildikleri görülmüştür. Bunlara IS elementler (Insertion Sequences Elements= Araya girebilen sıralar elementleri) adı verilmiştir.

Daha sonraları özellikle plazmid’ler üzerinde bulunan direnç genlerinin de plazmid’den plazmid’e, plazmid’den DNA’ya, DNA’dan plazmid’e yer değiştirici özellik taşıyabilecekleri gözlenmiş ve replikonlar arası yer değiştirme yeteneğindeki bu DNA parçalarına da Transpozon’lar (sıçrayıcı gen’ler) adı verilmiştir.

Son yıllarda plazmit ve transpozonlardanki antibiyotik direnç genlerinden başka direnç genlerinin yayılımında rol oynayan farklı yapılar bulunmuştur.Bunlar plazmit ve transpozonlara direnç genlerinin girmesini sağlayan hareketli DNA parçacıklarıdır.Bunlara da İntegron denir. Kısaca integronlar, DNA belkemiği içine direnç gen kasetlerini sokabilen enzimleri kodlayan hareketli DNA elementleridir.

bakterİ genetİĞİ

Documents