Bacteriële reproductie en binaire splijting

Bacteriën zijn prokaryotische organismen die zich aseksueel voortplanten. Bacteriële reproductie vindt meestal plaats door een soort celdeling die binaire splijting wordt genoemd. Binaire splijting omvat de deling van een enkele cel, wat resulteert in de vorming van twee cellen die genetisch identiek zijn. Om het proces van binaire splijting te begrijpen, is het nuttig om de bacteriële celstructuur te begrijpen.

Belangrijkste leerpunten

• Binaire splijting is het proces waarbij een enkele cel verdeelt om twee cellen te vormen die genetisch identiek aan elkaar zijn.
• Er zijn drie veel voorkomende bacteriële celvormen: staafvormig, bolvormig en spiraalvormig.
• Veel voorkomende bacteriële celcomponenten zijn: een celwand, een celmembraan, het cytoplasma, flagella, een nucleïde regio, plasmiden en ribosomen.
• Binaire splijting als reproductiemiddel heeft een aantal voordelen, waaronder het vermogen om zich in zeer hoge snelheid in grote aantallen te reproduceren.
• Omdat binaire splijting identieke cellen produceert, kunnen bacteriën genetisch gevarieerder worden door recombinatie, wat de overdracht van genen tussen cellen inhoudt.

Bacteriële celstructuur

Bacteriën hebben verschillende celvormen. De meest voorkomende bacteriecelvormen zijn bolvormig, staafvormig en spiraalvormig. Bacteriële cellen bevatten typisch de volgende structuren: een celwand, celmembraan, cytoplasma, ribosomen, plasmiden, flagella en een nucleïde regio.

• Celwand: Een buitenste laag van de cel die de bacteriecel beschermt en vorm geeft.
• Cytoplasma: Een gelachtige substantie die voornamelijk bestaat uit water en die ook enzymen, zouten, celcomponenten en verschillende organische moleculen bevat.
• Celmembraan of plasmamembraan: Omgeeft het cytoplasma van de cel en reguleert de stroom van stoffen in en uit de cel.
• flagella: Lang, zweepachtig uitsteeksel dat helpt bij cellulaire voortbeweging.
• ribosomen: Celstructuren die verantwoordelijk zijn voor de eiwitproductie.
• plasmiden: Gendragende, circulaire DNA-structuren die niet betrokken zijn bij de voortplanting.
• Nucleoid Region: Gebied van het cytoplasma dat het enkele bacteriële DNA-molecuul bevat.

Binaire splijting

Dit is een gekleurde transmissie-elektronenmicrofoto (TEM) van een E. coli-bacterie in de vroege stadia van binaire splijting. Credit: CNRI / Getty Images

De meeste bacteriën, waaronder Salmonella en E coli, reproduceren door binaire splijting. Tijdens dit soort aseksuele reproductie repliceert het enkele DNA-molecuul en beide kopieën hechten zich op verschillende punten aan het celmembraan. Naarmate de cel begint te groeien en uit te breiden, neemt de afstand tussen de twee DNA-moleculen toe. Zodra de bacterie zijn oorspronkelijke grootte ongeveer verdubbelt, begint het celmembraan in het midden naar binnen te knijpen. Ten slotte vormt zich een celwand die de twee DNA-moleculen scheidt en de oorspronkelijke cel verdeelt in twee identieke dochtercellen.

Deze afbeelding toont bacteriën die exponentieel groeien in een petrischaal. Een enkele kolonie kan triljoenen bacteriën bevatten. Wladimir Bulgar / Science-fotobibliotheek / Getty Images

Er zijn een aantal voordelen verbonden aan reproductie door binaire splijting. Een enkele bacterie kan zich snel in grote aantallen voortplanten. Onder optimale omstandigheden kunnen sommige bacteriën hun aantal populaties binnen enkele minuten of uren verdubbelen. Een ander voordeel is dat er geen tijd wordt verspild aan het zoeken naar een partner, omdat reproductie aseksueel is. Bovendien zijn de dochtercellen die het gevolg zijn van binaire splijting identiek aan de oorspronkelijke cel. Dit betekent dat ze goed geschikt zijn voor het leven in hun omgeving.

Bacteriële recombinatie

Binaire splijting is een effectieve manier voor bacteriën om zich voort te planten, maar het is niet zonder problemen. Omdat de cellen die door dit type reproductie worden geproduceerd identiek zijn, zijn ze allemaal vatbaar voor dezelfde soorten bedreigingen, zoals veranderingen in het milieu en antibiotica. Deze gevaren kunnen een hele kolonie vernietigen. Om dergelijke gevaren te voorkomen, kunnen bacteriën genetisch gevarieerder worden door recombinatie. Recombinatie omvat de overdracht van genen tussen cellen. Bacteriële recombinatie wordt tot stand gebracht door conjugatie, transformatie of transductie.

Conjugatie

Sommige bacteriën zijn in staat stukken van hun genen over te dragen naar andere bacteriën waarmee ze in contact komen. Tijdens conjugatie verbindt de ene bacterie zichzelf met de andere via een eiwitbuisstructuur genaamd a pilus. Via deze buis worden genen van de ene bacterie op de andere overgebracht.

transformatie

Sommige bacteriën kunnen DNA uit hun omgeving opnemen. Deze DNA-resten komen meestal uit dode bacteriecellen. Tijdens transformatie bindt de bacterie het DNA en transporteert het over het bacteriële celmembraan. Het nieuwe DNA wordt vervolgens opgenomen in het DNA van de bacteriecel.

transductie

Transductie is een soort recombinatie waarbij bacterieel DNA wordt uitgewisseld via bacteriofagen. Bacteriofagen zijn virussen die bacteriën infecteren. Er zijn twee soorten transductie: gegeneraliseerde en gespecialiseerde transductie.

Zodra een bacteriofaag zich aan een bacterie hecht, voegt hij zijn genoom in de bacterie in. Het virale genoom, enzymen en virale componenten worden vervolgens gerepliceerd en geassembleerd in de gastheerbacterie. Eenmaal gevormd, lyseren of splitsen de nieuwe bacteriofagen de bacterie, waardoor de gerepliceerde virussen vrijkomen. Tijdens het assemblageproces kan echter een deel van het bacteriële DNA van de gastheer worden ingekapseld in de virale capside in plaats van het virale genoom. Wanneer deze bacteriofaag een andere bacterie infecteert, injecteert deze het DNA-fragment van de eerder geïnfecteerde bacterie. Dit DNA-fragment wordt vervolgens ingevoegd in het DNA van de nieuwe bacterie. Dit type transductie wordt gegeneraliseerde transductie genoemd.

Bij gespecialiseerde transductie worden fragmenten van het DNA van de gastheerbacterie opgenomen in de virale genomen van de nieuwe bacteriofagen. De DNA-fragmenten kunnen vervolgens worden overgebracht naar nieuwe bacteriën die deze bacteriofagen infecteren.

bronnen

• Reece, Jane B. en Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.