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Giuseppe Saccone » 9.La genetica dei microrganismi


Archilbald Garrod: idea di corrispondenza tra geni ed enzimi

Un medico inglese nel 1902, il Dr. Archilbald Garrod propose che l’alcoptonuria, un difetto metabolico nell’uomo, fosse ereditario e non infettivo, e che fosse causato dall’assenza di un enzima. E’ la prima volta che venne proposta l’idea della corrispondenza tra geni ed enzimi.

Per quasi trent’anni, la natura molecolare degli enzimi fu oggetto di discussione e sperimentazione.

Nel 1926 il chimico James B. Sumner purificò l’enzima urease dimostrando che è una proteina. Prese poi Nobel Prize in Chimica nel 1946.

Grazie agli studi genetici nei microrganismi quali batteri, funghi e virus batterici fu possibile in pochi decenni comprendere meccanismi fondamentali del funzionamento e dell’evoluzione della vita.

Archilbald Garrod. Fonte: Wikipedia

Archilbald Garrod. Fonte: Wikipedia


La scoperta dei virus batterici

Tra il 1915 ed il 1917 Frederick Twort, medico inglese, e Felix d’Herelle, medico canadese, furono scopritori dei batteriofagi, cioè virus batterici. d’Herelle ebbe l’idea di usarli come cura contro le infezioni batteriche, la cosidetta terapia fagica, ancora oggi studiata contro i batteri resistenti ad antibiotici nell’uomo come anche in medicina veterinaria.

Grazie allo studio dei batteriofagi sono stati in seguito scoperti i fenomeni di parasessualità nei procarioti.

Frederick Twort. Fonte: Wikipedia

Frederick Twort. Fonte: Wikipedia

Felix d’Herelle. Fonte: Wikipedia

Felix d'Herelle. Fonte: Wikipedia


Controllo genetico delle reazioni biochimiche in Neurospora

Nel fungo Neurospora crassa Beadle e Tatum (1941) dimostrarono che la sintesi biochimica di un particolare prodotto nella cellula dipende da un insieme di geni non allelici che producono enzimi.

Neurospora crassa, cresciuta in tubi di vetro Dong et al., Plos One 2008

Neurospora crassa, cresciuta in tubi di vetro Dong et al., Plos One 2008


Fenomeni di parasessualità nei procarioti

All’inizio degli anni 40, ancora ci si chiedeva se i batteri avessero i geni.

Nel 1948 Mitchell e Lein offrirono la prima diretta dimostrazione che un mutante genetico di Neurospora fosse deficiente di un particolare enzima.

Nel 1949 Linus Pauling e colleghi dimostrarono una relazione strutturale tra l’emoglobina mutata e l’anemia falciforme.

Nel 1952-53, furono identificati enzimi mutanti termolabili sia nel batterio E. coli che nel fungo Neurospora.

Linus Pauling, 
vincitore di due premi. Fonte: Wikipedia

Linus Pauling, vincitore di due premi. Fonte: Wikipedia


Il batteriofago lambda: un parassita dei batteri

Il batteriofago inietta il suo genoma nel batterio e lo utilizza per produrre progenie fagica. Fonte: Wikipedia

Il batteriofago inietta il suo genoma nel batterio e lo utilizza per produrre progenie fagica. Fonte: Wikipedia

Placche di lisi su batteri. Fonte: Wikipedia

Placche di lisi su batteri. Fonte: Wikipedia

Esther Lederberg. Fonte: Wikipedia

Esther Lederberg. Fonte: Wikipedia


Ciclo litico e lisogenico del fago lambda

Ciclo litico e lisogenico

Ciclo litico e lisogenico


Salvador Edward Luria: un Nobel italiano emigrato

Scoperta degli 1) enzimi di restrizione nei batteri, 2) dimostrazione insieme a Delbruck mediante uso dei batteri e batteriofagi che la mutazione è casuale e non adattativa.

Max Delbruck ha anche scoperto che i batteriofagi si replicano in un unico passo e non esponenzialmente come i batteri.

Salvador Edward Luria, uno scienziato italiano di origine ebrea, costretto ad emigrare durante il fascismo negli Stati Uniti e premio Nobel nel 1969. Fonte: Wikipedia

Salvador Edward Luria, uno scienziato italiano di origine ebrea, costretto ad emigrare durante il fascismo negli Stati Uniti e premio Nobel nel 1969. Fonte: Wikipedia


Luria e Delbruck: la mutazione casuale e non adattativa

Luria e Delbruck al Cold Spring Harbor Laboratory, 1953. Fonte: Wikipedia

Luria e Delbruck al Cold Spring Harbor Laboratory, 1953. Fonte: Wikipedia

Luria e Delbruck al Cold Spring Harbor Laboratory, 1953. Fonte: Wikipedia

Luria e Delbruck al Cold Spring Harbor Laboratory, 1953. Fonte: Wikipedia


La mutazione è causale e selezionata dall’ambiente

Test di fluttuazione di Luria–Delbrück del 1948. Fonte: Wikipedia

Test di fluttuazione di Luria–Delbrück del 1948. Fonte: Wikipedia


I Nobel per la genetica dei microrganismi: 1958

George Wells Beadle (vedi foto)

Edward Lawrie Tatum (vedi foto)

Joshua Lederberg (foto a destra)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1958 was divided, one half jointly to George Wells Beadle and Edward Lawrie Tatum “for their discovery that genes act by regulating definite chemical events” and the other half to Joshua Lederberg “for his discoveries concerning genetic recombination and the organization of the genetic material of bacteria”.

Joshua Lederberg. Fonte: Wikipedia

Joshua Lederberg. Fonte: Wikipedia


La genetica dei microganismi porta alla biotecnologia

I coniugi Lederberg hanno posto le basi per la nascita della biotecnologia.
Hanno scoperto in modo del tutto casuale 1) i plasmidi, circoli di DNA extracromosomico presenti nei batteri e che permettono scambi genetici; 2) la trasduzione, un fenomeno di trasferimento di DNA da batterio a batterio mediato dai virus batterici; la ricombinazione genetica nei batteri. Esther ha perfezionato la replica plating, che permette di avere una copia della medesima distribuzione di batteri su due differenti piastre, che ha permesso di dimostrare che la mutazione è casuale e non adattativa

Joshua Lederberg mentre riceve la medaglia nazionale per la Scienza dal Presidente G. H. W. Bush (1989). Fonte: Wikipedia

Joshua Lederberg mentre riceve la medaglia nazionale per la Scienza dal Presidente G. H. W. Bush (1989). Fonte: Wikipedia


I plasmidi sono circoli di DNA extracromosomico


Ricombinazione genetica nei batteri

I due ceppi batterici mutanti auxotrofi, dopo esser stati mescolati, sono in grado di crescere in un terreno minimo (1946, Lederberg e Tatum)

I due ceppi batterici mutanti auxotrofi, dopo esser stati mescolati, sono in grado di crescere in un terreno minimo (1946, Lederberg e Tatum)


La coniugazione e ricombinazione batterica

Il tubo ad U di Bernard Davis

Il tubo ad U di Bernard Davis


Come i batteri si scambiano geni: coniugazione batterica


Mappa per coniugazione batterica

Trasferimento di parte del fattore F che porta geni batterici

Trasferimento di parte del fattore F che porta geni batterici


Mappa per coniugazione batterica (segue)

Doppio crossing over e degradazione del DNA trasferito
e non integrato

Doppio crossing over e degradazione del DNA trasferito e non integrato


Mappa per coniugazione batterica (segue)

Il batterio è diventato selvatico per le funzioni geniche a e b

Il batterio è diventato selvatico per le funzioni geniche a e b


Come i batteri si scambiano geni: trasduzione


Colienarità tra sequenze nel gene e nel polipeptide

La conferma finale dell’ipotesi un gene un enzima venne dagli studi dei mutanti in batteri di E. coli (Yanofsky) e fagi T4 (Sarabhai e colleghi).

Charles Yanofky

Charles Yanofky


Altri Nobel per la genetica dei microrganismi: 1969

Max Delbruck
Salvador Luria
Alfred Hershey
(vedi foto).

Max Delbruck. Fonte Wikipedia

Max Delbruck. Fonte Wikipedia

Salvador Luria (con la moglie Zella). Fonte Wikimedia

Salvador Luria (con la moglie Zella). Fonte Wikimedia


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