Γιατί το 16s rRNA χρησιμοποιείται για την αναγνώριση βακτηρίων

Τα βακτήρια είναι η πιο πανταχού παρούσα μορφή ζωής στη γη. Η βιομάζα των βακτηρίων υπερβαίνει αυτή των φυτών ή των ζώων. Λόγω της αφθονίας τους, τα περισσότερα από τα βακτηριακά είδη δεν έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής. Η παραδοσιακή αναγνώριση των βακτηρίων βασίζεται στα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά, τα οποία δεν είναι ακριβή όπως οι γονοτυπικές μέθοδοι. Η σύγκριση της αλληλουχίας 16S rRNA έχει αναδειχθεί ως η πλέον προτιμώμενη γονοτυπική μέθοδος για την ταυτοποίηση βακτηρίων στο επίπεδο του γένους τους. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για να χρησιμοποιήσετε το 16S rRNA ως γενετικό δημιουργό νοικοκυριών , το οποίο θα εξηγηθεί περαιτέρω λεπτομερώς.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι το 16S rRNA
     – Ορισμός, Δομή, Ρόλος
2. Γιατί χρησιμοποιείται το 16S rRNA για την αναγνώριση βακτηρίων
     – Εισαγωγή, Λόγοι, Μέθοδοι
3. Ποιες είναι οι Εφαρμογές του 16S rRNA στη Μικροβιολογία
     – Εφαρμογές

Βασικοί όροι:βακτήρια, ταξινόμηση, αλληλουχία γονιδίων, ταυτοποίηση, ριβόσωμα, 16S rRNA

Τι είναι το 16S rRNA

Το 16S rRNA είναι συστατικό της μικρής υπομονάδας του προκαρυωτικού ριβοσώματος. Οι δύο υπομονάδες του προκαρυωτικού ριβοσώματος είναι η μεγάλη υπομονάδα 50S και η μικρή υπομονάδα 30S. Σχηματίζουν 70S ριβόσωμα. Η μικρή υπομονάδα αποτελείται από 16S rRNA συνδεδεμένο με 21 πρωτεΐνες. Το 16S rRNA αποτελείται από 1540 νουκλεοτίδια. Η δευτερεύουσα δομή του 16S rRNA φαίνεται στο σχήμα 1 .

Εικόνα 1:16S rRNA

Το 3'άκρο του 16S rRNA περιέχει την αλληλουχία anti-Shine-Dalgarno που συνδέεται προς τα πάνω στο κωδικόνιο έναρξης, AUG. Η αλληλουχία Shine-Dalgarno είναι η θέση ριβοσωματικής δέσμευσης του βακτηριακού mRNA. Καθώς το 16S rRNA είναι απαραίτητο για τη λειτουργία των βακτηρίων, το γονίδιο που κωδικοποιεί το 16S rRNA διατηρείται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ των βακτηριακών ειδών. Η αλληλουχία του 16S rRNA χρησιμοποιείται ευρέως στην αναγνώριση και ταξινόμηση βακτηρίων.

Γιατί το 16S rRNA χρησιμοποιείται για την αναγνώριση βακτηρίων

Οι παραδοσιακές μέθοδοι αναγνώρισης των βακτηρίων βασίζονται κυρίως στα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά των βακτηρίων. Ωστόσο, η σύγκριση της αλληλουχίας 16S rRNA έχει γίνει ένα «χρυσό πρότυπο», αντικαθιστώντας τις παραδοσιακές μεθόδους ταυτοποίησης βακτηρίων. Η ανάλυση της αλληλουχίας 16S rRNA είναι καλύτερη για την ταυτοποίηση φαινοτυπικά ανώμαλων, κακώς περιγραφόμενων ή σπάνια απομονωμένων στελεχών. Είναι επίσης καλύτερο για την αναγνώριση μη καλλιεργημένων βακτηρίων και νέων παθογόνων. Το γονίδιο 16S rRNA εμφανίζεται στο οπερόνιο rRNA στο βακτηριακό γονιδίωμα. Το οπερόνιο rRNA φαίνεται στο σχήμα 2.

Εικόνα 2:Οπερόνιο rRNA

Το 16S rRNA είναι κατάλληλο για χρήση ως γενετικός δείκτης καθαριότητας για διάφορους λόγους. Περιγράφονται παρακάτω.

1. Το γονίδιο 16S rRNA είναι ένα πανταχού παρόν γονίδιο στο βακτηριακό γονιδίωμα. Δεδομένου ότι η λειτουργία 16S rRNA είναι απαραίτητη για το βακτηριακό κύτταρο κατά τη μετάφραση, σχεδόν όλα τα βακτηριακά γονιδιώματα αποτελούνται από το γονίδιο 16S rRNA.
2. Η αλληλουχία του γονιδίου 16S rRNA είναι εξαιρετικά διατηρημένη. Καθώς η λειτουργία του 16S rRNA είναι πιο γενική, η αλληλουχία του γονιδίου 16S rRNA διατηρείται σε μεγάλο βαθμό. Οι αλλαγές στη γονιδιακή αλληλουχία μπορούν να θεωρηθούν ως μέτρηση του χρόνου (εξέλιξη).
3. Το μέγεθος του γονιδίου 16S rRNA (1, 550 bp) επαρκεί για βιοπληροφορικούς σκοπούς.
4. Το γονίδιο 16S rRNA είναι ένα καλά μελετημένο γονίδιο στο βακτηριακό γονιδίωμα. Δεδομένου ότι η λειτουργία του γονιδίου 16S rRNA είναι ζωτικής σημασίας για το κύτταρο, έχει υποβληθεί σε πολλές μελέτες.

Αναγνώριση

Μέχρι σήμερα, περισσότερα από 8, 168 είδη βακτηρίων έχουν ταυτοποιηθεί με τη χρήση της αλληλουχίας γονιδίου 16S rRNA. Η διαδικασία της διαδικασίας αναγνώρισης περιγράφεται παρακάτω.

1. Εξαγωγή γονιδιωματικού DNA
2. Ενίσχυση PCR του γονιδίου 16S rRNA
3. Λάβετε την αλληλουχία νουκλεοτιδίων του ενισχυμένου γονιδίου 16S rRNA
4. Συγκρίνετε την αλληλουχία με τις υπάρχουσες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων στις βάσεις δεδομένων

Η ακολουθία 16S rRNA έχει μήκος περίπου 1.550 ζεύγη βάσεων και αποτελείται τόσο από μεταβλητές όσο και από διατηρημένες περιοχές. Οι γενικοί εκκινητές, οι οποίοι είναι συμπληρωματικοί προς τη συντηρημένη περιοχή του γονιδίου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση της μεταβλητής περιοχής του γονιδίου με PCR. Γενικά, η περιοχή 540 ζευγών βάσεων από την αρχή του γονιδίου ή ολόκληρο το γονίδιο ενισχύεται με PCR. Αναλύεται η αλληλουχία του θραύσματος PCR και η αλληλουχία συγκρίνεται με τις υπάρχουσες νουκλεοτιδικές αλληλουχίες του γονιδίου 16S rRNA για την ταυτοποίηση του προ-απομονωθέντος βακτηριακού είδους. Η GenBank, η μεγαλύτερη αποθήκη αλληλουχιών νουκλεοτιδίων, έχει πάνω από 20 εκατομμύρια αλληλουχίες 90.000 διαφορετικών γονιδίων 16S rRNA. Εάν το βακτηριακό είδος είναι νέο, η αλληλουχία δεν θα ταιριάζει με καμία αλληλουχία 16S rRNA στις βάσεις δεδομένων.

Ταξινόμηση

Δεδομένου ότι η αλληλουχία γονιδίου 16S rRNA βρίσκεται σχεδόν σε όλα τα βακτηριακά είδη, η σύγκριση διαφορετικών αλληλουχιών γονιδίου 16S rRNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαφοροποίηση των βακτηρίων σε επίπεδα ειδών και υποειδών. Παρόμοια βακτηριακά είδη μπορεί να έχουν παρόμοιες αλληλουχίες του γονιδίου 16S rRNA. Ένα φυλογενετικό δέντρο βακτηρίων που κατασκευάστηκε συγκρίνοντας την αλληλουχία γονιδίου 16S rRNA φαίνεται στην εικόνα 3.

Εικόνα 3:Φυλογενετικό δέντρο που κατασκευάστηκε με βάση τη σύγκριση αλληλουχίας 16S rRNA

Ποιες είναι οι Εφαρμογές του 16S rRNA στη Μικροβιολογία

Οι εφαρμογές του 16S rRNA στη μικροβιολογία παρατίθενται παρακάτω.

1. Η αλληλουχία του γονιδίου 16S rRNA χρησιμοποιείται ως το "χρυσό πρότυπο" για την ταυτοποίηση και την ταξινομική ταξινόμηση των βακτηριακών ειδών.
2. Η σύγκριση της αλληλουχίας 16S rRNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση νέων παθογόνων.
3. Η αλληλουχία 16S rRNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γρήγορη και φθηνή εναλλακτική λύση στις φαινοτυπικές μεθόδους ταυτοποίησης βακτηρίων στην ιατρική μικροβιολογία.

Συμπέρασμα

Το 16S rRNA είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία των βακτηρίων καθώς παρέχει μια θέση για τη σύνδεση του βακτηριακού mRNA στο ριβόσωμα κατά τη μετάφραση. Δεδομένου ότι η λειτουργία του 16SrRNA είναι απαραίτητη για το κύτταρο, η γονιδιακή του αλληλουχία υπάρχει σχεδόν σε όλα τα βακτηριακά κύτταρα. Επιπλέον, η αλληλουχία του διατηρείται σε μεγάλο βαθμό. Ωστόσο, η αλληλουχία 16S rRNA αποτελείται επίσης από μεταβλητές περιοχές, επιτρέποντας την ταυτοποίηση βακτηριακών ειδών. Επιπλέον, τα βακτηριακά είδη μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τη γονιδιακή αλληλουχία του 16S rRNA.

Αναφορά:

1. Janda, J. Michael, and Sharon L. Abbott. "Αλληλουχία γονιδίου 16S rRNA για βακτηριακή ταυτοποίηση στο διαγνωστικό εργαστήριο:πλεονεκτήματα, κίνδυνοι και παγίδες." Journal of Clinical Microbiology, American Society for Microbiology, Σεπτ. 2007, Διαθέσιμο εδώ.
2. Clarridge, Jill E. «Impact of 16S rRNA Gene Sequence Analysis for Identification of Bacteria on Clinical Microbiology and Infectious Diseases». Clinical Microbiology Reviews, American Society for Microbiology, Οκτ. 2004, Διαθέσιμο εδώ.

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. “16S” By Squidonius – Own work (Public Domain) μέσω Commons Wikimedia
2. “Amit Yadav Phytoplasma rRNA operon” (CC BY-SA 3.0) μέσω Commons Wikimedia
3. “Phylogenetic position of Mollicutes ανάμεσα στα βακτήρια» των Kenro Oshima, Kensaku Maejima και Shigetou Namba – Front. Microbiol., 14 Αυγούστου 2013 / doi:10.3389/fmicb.2013.00230 (CC BY 3.0) μέσω Commons Wikimedia