Na rozdíl od eukaryot nemají bakterie vytvořené jádro, ale jejich DNA není rozptýlena po celé buňce, ale je soustředěna v kompaktní struktuře zvané nukleoid. Z funkčního hlediska se jedná o funkční obdobu jaderného zařízení.
Co je to nukleoid
Bakteriální nukleoid je oblast v jejich buňkách, která obsahuje strukturovaný genetický materiál. Na rozdíl od eukaryotického jádra není oddělen membránou od zbytku buněčného obsahu a nemá stálý tvar. Navzdory tomu je genetický aparát bakterií jasně oddělen od cytoplazmy.
Samotný termín znamená "jaderný" nebo "jaderná oblast". Tuto strukturu poprvé objevil v roce 1890 zoolog Otto Buchli, ale její odlišnosti od genetického aparátu eukaryot byly identifikovány již na počátku 50. let 20. století díky technologii elektronové mikroskopie. Název „nukleoid“odpovídá konceptu „bakteriálního chromozomu“, pokud je tento obsažen v buňce v jediné kopii.
Nukleoid nezahrnuje plazmidy, kteréjsou extrachromozomální prvky bakteriálního genomu.
Vlastnosti bakteriálního nukleoidu
Nukleoid obvykle zabírá centrální část bakteriální buňky a je orientován podél své osy. Objem tohoto kompaktního útvaru nepřesahuje 0,5 mikronu3 a molekulová hmotnost se pohybuje od 1×109 do 3×109 d alton. V určitých bodech je nukleoid navázán na buněčnou membránu.
Bakteriální nukleoid obsahuje tři složky:
- DNA.
- Strukturální a regulační proteiny.
- RNA.
DNA má chromozomální organizaci, která se liší od eukaryotické. Bakteriální nukleoid nejčastěji obsahuje jeden chromozom nebo několik jeho kopií (při aktivním růstu jejich počet dosahuje 8 nebo více). Tento ukazatel se liší v závislosti na typu a fázi životního cyklu mikroorganismu. Některé bakterie mají více chromozomů s různými sadami genů.
Uprostřed nukleoidu je DNA poměrně těsně zabalena. Tato zóna je nepřístupná pro ribozomy, replikační a transkripční enzymy. Naopak, deoxyribonukleové smyčky periferní oblasti nukleoidu jsou v přímém kontaktu s cytoplazmou a představují aktivní oblasti bakteriálního genomu.
Množství proteinové složky v bakteriálním nukleoidu nepřesahuje 10 %, což je asi 5krát méně než v eukaryotickém chromatinu. Většina proteinů je spojena s DNA a podílí se na její strukturování. RNA je produkttranskripce bakteriálních genů, která se provádí na periferii nukleoidu.
Genetický aparát bakterií je dynamická formace schopná měnit svůj tvar a strukturní konformaci. Postrádá jadérka a mitotický aparát charakteristický pro jádro eukaryotické buňky.
Bakteriální chromozom
Ve většině případů mají bakteriální nukleoidní chromozomy tvar uzavřeného prstence. Lineární chromozomy jsou mnohem méně běžné. V každém případě se tyto struktury skládají z jediné molekuly DNA, která obsahuje sadu genů nezbytných pro přežití bakterií.
Chromozomální DNA je dokončena ve formě supercoiled smyček. Počet smyček na chromozom se pohybuje od 12 do 80. Každý chromozom je plnohodnotným replikonem, protože při zdvojení je DNA zcela zkopírována. Tento proces vždy začíná od počátku replikace (OriC), který je připojen k plazmatické membráně.
Celková délka molekuly DNA v chromozomu je o několik řádů větší než velikost bakterie, takže je nutné ji zabalit, ale při zachování funkční aktivity.
V eukaryotickém chromatinu tyto úkoly plní hlavní proteiny – histony. Bakteriální nukleoid obsahuje proteiny vázající DNA, které jsou zodpovědné za strukturní organizaci genetického materiálu a také ovlivňují genovou expresi a replikaci DNA.
Proteiny spojené s nukleoidy zahrnují:
- proteiny podobné histonu HU, H-NS, FIS a IHF;
- topoizomerázy;
- proteiny rodiny SMC.
Poslední 2 skupiny mají největší vliv na supercoiling genetického materiálu.
Neutralizaci negativních nábojů chromozomální DNA provádějí polyaminy a hořčíkové ionty.
Biologická role nukleoidu
Nukleoid je v první řadě nezbytný pro bakterie, aby mohly ukládat a přenášet dědičnou informaci a také ji realizovat na úrovni buněčné syntézy. Jinými slovy, biologická úloha této formace je stejná jako úloha DNA.
Další funkce bakteriálního nukleoidu zahrnují:
- lokalizace a zhutnění genetického materiálu;
- funkční obal DNA;
- regulace metabolismu.
Strukturování DNA nejenže umožňuje molekule zapadnout do mikroskopické buňky, ale také vytváří podmínky pro normální tok replikačních a transkripčních procesů.
Vlastnosti molekulární organizace nukleoidu vytvářejí podmínky pro řízení buněčného metabolismu změnou konformace DNA. Regulace probíhá tak, že se určité části chromozomu vysouvají do cytoplazmy, což je zpřístupní pro transkripční enzymy, nebo naopak jejich vtažením dovnitř.
Metody detekce
Existují 3 způsoby, jak vizuálně detekovat nukleoid v bakteriích:
- světelná mikroskopie;
- fázová kontrastní mikroskopie;
- elektronová mikroskopie.
V závislosti na metoděpříprava preparátu a metoda výzkumu, nukleoid může vypadat jinak.
Světelná mikroskopie
K detekci nukleoidu pomocí světelného mikroskopu se bakterie předběžně obarví, aby měl nukleoid jinou barvu než zbytek buněčného obsahu, jinak nebude tato struktura viditelná. Na podložní sklíčko je také povinné fixovat bakterie (v tomto případě mikroorganismy umírají).
Skrze čočku světelného mikroskopu vypadá nukleoid jako útvar ve tvaru fazole s jasnými hranicemi, který zaujímá centrální část buňky.
Metody barvení
Ve většině případů se k vizualizaci nukleoidu pomocí světelné mikroskopie používají následující metody barvení bakterií:
- podle Romanovského-Giemsa;
- Felgenova metoda.
Při barvení podle Romanovského-Giemsy se bakterie předem fixují na podložní sklíčko metylalkoholem a poté se na 10-20 minut impregnují barvivem ze stejné směsi azuru, eoninu a methylenové modři rozpuštěný v methanolu. V důsledku toho se nukleoid stává fialovým a cytoplazma se stává světle růžovou. Před mikroskopií se skvrna vypustí a sklíčko se promyje destilátem a vysuší.
Feulgenova metoda využívá slabě kyselou hydrolýzu. Výsledkem je, že uvolněná deoxyribóza přechází do aldehydové formy a interaguje s kyselinou fuchsin-siřičitou Schiffova činidla. Výsledkem je, že nukleoid zčervená a cytoplazma zmodrá.
Fázová kontrastní mikroskopie
Fázová kontrastní mikroskopie mávyšší rozlišení než světlo. Tato metoda nevyžaduje fixaci a barvení preparátu – pozorování probíhá na živé bakterie. Nukleoid v takových buňkách vypadá jako světlá oválná oblast na pozadí tmavé cytoplazmy. Efektivnější metodu lze dosáhnout použitím fluorescenčních barviv.
Detekce nukleoidů elektronovým mikroskopem
Existují 2 způsoby, jak připravit přípravek pro vyšetření nukleoidů pod elektronovým mikroskopem:
- ultratenký střih;
- Řezejte zmrazené bakterie.
Na elektronových mikrosnímcích ultratenkého řezu bakterie má nukleoid vzhled husté síťové struktury sestávající z tenkých vláken, která vypadá lehčí než okolní cytoplazma.
Na řezu zmrzlé bakterie po imunobarvení vypadá nukleoid jako korálovitá struktura s hustým jádrem a tenkými výběžky pronikajícími do cytoplazmy.
Na elektronických fotografiích zaujímá nukleoid bakterií nejčastěji centrální část buňky a má menší objem než v živé buňce. To je způsobeno vystavením chemikáliím používaným k fixaci přípravku.
