In tegenstelling tot eukaryoten hebben bacteriën geen gevormde kern, maar hun DNA is niet verspreid door de cel, maar is geconcentreerd in een compacte structuur die een nucleoïde wordt genoemd. Functioneel gezien is het een functioneel analoog van een nucleair apparaat.
Wat is een nucleoïde
Een bacteriële nucleoïde is een gebied in hun cellen dat gestructureerd genetisch materiaal bevat. In tegenstelling tot de eukaryote kern, wordt deze niet door een membraan gescheiden van de rest van de celinhoud en heeft deze geen permanente vorm. Desondanks is het genetische apparaat van bacteriën duidelijk gescheiden van het cytoplasma.
De term zelf betekent "kernachtig" of "nucleair gebied". Deze structuur werd voor het eerst ontdekt in 1890 door de zoöloog Otto Buchli, maar de verschillen met het genetische apparaat van eukaryoten werden al in het begin van de jaren vijftig geïdentificeerd dankzij elektronenmicroscopietechnologie. De naam "nucleoïde" komt overeen met het concept van "bacterieel chromosoom", als dit laatste in een enkele kopie in een cel aanwezig is.
Nucleoid bevat geen plasmiden diezijn extrachromosomale elementen van het bacteriële genoom.
Kenmerken van bacteriële nucleoïde
Gewoonlijk bezet de nucleoïde het centrale deel van de bacteriecel en is langs zijn as georiënteerd. Het volume van deze compacte formatie is niet groter dan 0,5 micron3, en het molecuulgewicht varieert van 1×109 tot 3×109 d alton. Op bepaalde punten is de nucleoïde aan het celmembraan gebonden.
De bacteriële nucleoïde bevat drie componenten:
- DNA.
- Structurele en regulerende eiwitten.
- RNA.
DNA heeft een chromosomale organisatie die verschilt van eukaryoot. Meestal bevat de bacteriële nucleoïde één chromosoom of meerdere exemplaren ervan (bij actieve groei bereikt hun aantal 8 of meer). Deze indicator varieert afhankelijk van het type en het stadium van de levenscyclus van het micro-organisme. Sommige bacteriën hebben meerdere chromosomen met verschillende sets genen.
In het midden van het nucleoïde DNA zit het vrij strak opeengepakt. Deze zone is ontoegankelijk voor ribosomen, replicatie- en transcriptie-enzymen. Integendeel, de deoxyribonucleïsche lussen van het perifere gebied van de nucleoïde staan in direct contact met het cytoplasma en vertegenwoordigen actieve gebieden van het bacteriële genoom.
De hoeveelheid eiwitcomponent in de bacteriële nucleoïde is niet groter dan 10%, wat ongeveer 5 keer minder is dan in eukaryoot chromatine. De meeste eiwitten zijn geassocieerd met DNA en nemen deel aan de structurering ervan. RNA is een producttranscriptie van bacteriële genen, die wordt uitgevoerd aan de periferie van de nucleoïde.
Het genetische apparaat van bacteriën is een dynamische formatie die in staat is zijn vorm en structurele conformatie te veranderen. Het mist de nucleoli en mitotische apparaten die kenmerkend zijn voor de kern van een eukaryote cel.
Bacterieel chromosoom
In de meeste gevallen hebben bacteriële nucleoïde chromosomen een gesloten ringvorm. Lineaire chromosomen komen veel minder vaak voor. Deze structuren bestaan in ieder geval uit één enkel DNA-molecuul, dat een reeks genen bevat die nodig zijn voor het overleven van bacteriën.
Chromosomaal DNA wordt voltooid in de vorm van supercoiled lussen. Het aantal lussen per chromosoom varieert van 12 tot 80. Elk chromosoom is een volwaardig replicon, want bij verdubbeling wordt het DNA volledig gekopieerd. Dit proces begint altijd vanaf de oorsprong van replicatie (OriC), die aan het plasmamembraan is bevestigd.
De totale lengte van een DNA-molecuul in een chromosoom is enkele ordes van grootte groter dan de grootte van een bacterie, dus het wordt noodzakelijk om het te verpakken, maar met behoud van functionele activiteit.
In eukaryoot chromatine worden deze taken uitgevoerd door de belangrijkste eiwitten - histonen. De bacteriële nucleoïde bevat DNA-bindende eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de structurele organisatie van het genetische materiaal en die ook de genexpressie en DNA-replicatie beïnvloeden.
Nucleoid-geassocieerde eiwitten omvatten:
- histon-achtige eiwitten HU, H-NS, FIS en IHF;
- topoisomerasen;
- eiwitten van de SMC-familie.
De laatste 2 groepen hebben de grootste invloed op de supercoiling van het genetisch materiaal.
Neutralisatie van de negatieve ladingen van chromosomaal DNA wordt uitgevoerd door polyaminen en magnesiumionen.
De biologische rol van de nucleoïde
Allereerst is de nucleoïde nodig voor bacteriën om erfelijke informatie op te slaan en door te geven, en om deze te implementeren op het niveau van cellulaire synthese. Met andere woorden, de biologische rol van deze formatie is dezelfde als die van DNA.
Andere bacteriële nucleoïde functies zijn:
- lokalisatie en verdichting van genetisch materiaal;
- functionele DNA-verpakking;
- regulatie van de stofwisseling.
Door DNA-structurering past het molecuul niet alleen in een microscopisch kleine cel, maar schept het ook voorwaarden voor de normale stroom van replicatie- en transcriptieprocessen.
Kenmerken van de moleculaire organisatie van de nucleoïde creëren voorwaarden voor de controle van het cellulaire metabolisme door de DNA-conformatie te veranderen. Regulatie vindt plaats door bepaalde delen van het chromosoom in het cytoplasma te laten lopen, waardoor ze beschikbaar worden voor transcriptie-enzymen, of vice versa, door ze naar binnen te trekken.
Detectiemethoden
Er zijn 3 manieren om een nucleoïde in bacteriën visueel te detecteren:
- lichtmicroscopie;
- fasecontrastmicroscopie;
- elektronenmicroscopie.
Afhankelijk van de methodede voorbereiding van het preparaat en de onderzoeksmethode, de nucleoïde kan er anders uitzien.
Lichtmicroscopie
Om een nucleoïde te detecteren met behulp van een lichtmicroscoop, worden bacteriën vooraf gekleurd, zodat de nucleoïde een andere kleur heeft dan de rest van de celinhoud, anders is deze structuur niet zichtbaar. Het is ook verplicht om bacteriën op een glasplaatje te fixeren (in dit geval gaan micro-organismen dood).
Door de lens van een lichtmicroscoop ziet de nucleoïde eruit als een boonvormige formatie met duidelijke grenzen, die het centrale deel van de cel inneemt.
Kleurmethoden
In de meeste gevallen worden de volgende kleurmethoden voor bacteriën gebruikt om de nucleoïde zichtbaar te maken door middel van lichtmicroscopie:
- volgens Romanovsky-Giemsa;
- Felgen-methode.
Bij het kleuren volgens Romanovsky-Giemsa worden bacteriën vooraf op een glasplaatje gefixeerd met methylalcohol en vervolgens gedurende 10-20 minuten geïmpregneerd met een kleurstof uit een gelijk mengsel van azuur, eonine en methyleenblauw, opgelost in methanol. Als gevolg hiervan wordt de nucleoïde paars en wordt het cytoplasma bleekroze. Vóór microscopie wordt de vlek gedraineerd en wordt het objectglaasje gewassen met destillaat en gedroogd.
De Feulgen-methode maakt gebruik van zwakzure hydrolyse. Als resultaat gaat de vrijgekomen deoxyribose over in de aldehydevorm en gaat een interactie aan met het fuchsine-zwavelzuur van het Schiff-reagens. Als resultaat wordt de nucleoïde rood en het cytoplasma blauw.
Fasecontrastmicroscopie
Fasecontrastmicroscopie heefthogere resolutie dan licht. Deze methode vereist geen fixatie en kleuring van het preparaat - de observatie vindt plaats voor levende bacteriën. De nucleoïde in dergelijke cellen ziet eruit als een licht ovaal gebied tegen de achtergrond van donker cytoplasma. Een effectievere methode kan worden gemaakt door fluorescerende kleurstoffen toe te passen.
Nucleoïde detectie met een elektronenmicroscoop
Er zijn 2 manieren om een preparaat voor nucleoïdonderzoek onder een elektronenmicroscoop voor te bereiden:
- ultradunne snit;
- Snijd bevroren bacteriën.
Op elektronenmicrofoto's van een ultradunne sectie van een bacterie, ziet de nucleoïde eruit als een dichte netwerkstructuur bestaande uit dunne filamenten, die er lichter uitziet dan het omringende cytoplasma.
Op een sectie van een bevroren bacterie na immunokleuring, ziet de nucleoïde eruit als een koraalachtige structuur met een dichte kern en dunne uitsteeksels die het cytoplasma binnendringen.
In elektronische foto's bezet de nucleoïde van bacteriën meestal het centrale deel van de cel en heeft een kleiner volume dan in een levende cel. Dit komt door blootstelling aan de chemicaliën die worden gebruikt om het preparaat te fixeren.
