Mutasi dan Seleksi Bakteri

Mutasi adalah perubahan yang dapat diwariskan dalam urutan DNA, dan pada bakteri mutasi muncul secara spontan selama pertumbuhan, terlepas dari apakah perubahan tersebut bermanfaat. Ketika lingkungan kemudian mendukung sel-sel yang membawa varian tertentu, seleksi meningkatkan frekuensinya dalam populasi, yang merupakan cara bakteri beradaptasi, termasuk dengan memperoleh resistansi terhadap antibiotik.

Definition

Mutasi bakteri adalah perubahan yang dapat diwariskan dalam urutan genom bakteri; seleksi adalah kelangsungan hidup dan reproduksi sel yang berbeda sesuai dengan sifat-sifat yang diberikan oleh genotipe mereka dalam lingkungan tertentu.

Scope

Topik ini mencakup asal dan jenis mutasi bakteri, bukti klasik bahwa mutasi sudah ada sebelumnya daripada diarahkan, bagaimana seleksi bekerja pada populasi bakteri, dan mekanisme yang memodulasi laju mutasi. Ini adalah tinjauan referensi tentang mekanisme genetik populasi dan tidak memberikan instruksi klinis.

Core questions

• Apakah mutasi bakteri muncul sebelum, atau sebagai respons terhadap, agen penyeleksi?
• Jenis mutasi apa yang terjadi, dan mekanisme apa yang menghasilkannya?
• Bagaimana seleksi mengubah frekuensi varian dalam populasi bakteri?
• Bagaimana laju mutasi diatur, dan bisakah stres meningkatkannya?

Key concepts

• Mutasi spontan
• Mutasi titik, insersi, dan delesi
• Uji fluktuasi
• Mutasi yang sudah ada sebelumnya versus mutasi yang diarahkan
• Seleksi positif dan negatif
• Laju mutasi dan strain mutator
• Mutasi yang diinduksi stres dan adaptif
• Lokus kontingensi dan variasi fase

Key theories

Mutasi acak yang sudah ada sebelumnya (Luria-Delbruck)

Analisis fluktuasi menunjukkan bahwa jumlah sel resisten sangat bervariasi antara kultur paralel, yang hanya diharapkan jika mutasi resistansi terjadi secara acak selama pertumbuhan sebelum paparan, bukan sebagai respons terarah terhadap agen penyeleksi.

Mechanisms

Mutasi muncul dari kesalahan replikasi, perubahan kimia spontan pada DNA, dan aksi elemen bergerak, menghasilkan substitusi titik, insersi, delesi, dan penataan ulang. Uji fluktuasi Luria-Delbruck menetapkan bahwa mutasi semacam itu terjadi secara acak selama pertumbuhan, independen dari agen penyeleksi, sehingga seleksi bekerja pada variasi yang sudah ada dalam populasi. Seleksi kemudian memperkaya varian yang menguntungkan dan menghilangkan varian yang merugikan. Pasokan mutasi tidak seragam: strain mutator dengan perbaikan yang cacat meningkatkan laju keseluruhan, lokus kontingensi tertentu dengan pengulangan urutan sederhana bermutasi pada frekuensi tinggi untuk memungkinkan variasi fase reversibel seperti yang dijelaskan oleh Moxon dan rekan, dan respons stres dapat secara transien meningkatkan mutasi, sebuah fenomena yang ditinjau Rosenberg di bawah mutasi adaptif. Bersama-sama proses-proses ini memungkinkan populasi bakteri menghasilkan dan memperbaiki perubahan yang dapat diwariskan.

Clinical relevance

Mutasi spontan yang diikuti oleh seleksi adalah jalur inti menuju resistansi antimikroba, dan variasi laju mutasi serta variasi fase berkontribusi pada persistensi dan penghindaran kekebalan. Entri ini menjelaskan bagaimana variasi dihasilkan dan diseleksi dan bukan merupakan panduan terapi.

History

Eksperimen Luria-Delbruck tahun 1943 memecahkan pertanyaan lama dengan menunjukkan bahwa mutasi bakteri bersifat spontan dan sudah ada sebelumnya daripada diinduksi oleh seleksi, sebuah hasil yang dihormati dengan bagian dari Hadiah Nobel dan mendasari genetika populasi bakteri. Pekerjaan selanjutnya tentang fenotipe mutator, lokus kontingensi, dan mutasi yang diinduksi stres, yang ditinjau oleh Moxon dan Rosenberg, menyempurnakan pemahaman tentang bagaimana pasokan mutasi itu sendiri dibentuk.

Debates

Apakah ada mekanisme mutasi 'adaptif' atau yang diinduksi stres yang berbeda dan diatur?

Beberapa eksperimen menunjukkan bahwa stres dapat secara transien meningkatkan mutasi dengan cara yang meningkatkan kemungkinan perubahan yang bermanfaat, tetapi seberapa terarah atau umum hal ini, dan bagaimana hal itu sesuai dengan kerangka mutasi acak, masih diperdebatkan.

Key figures

• Salvador Luria
• Max Delbruck
• Susan Rosenberg
• Richard Moxon

Seminal works

• luria-delbruck-1943
• rosenberg-2001
• moxon-2006

Frequently asked questions

Apakah bakteri bermutasi sebagai respons terhadap antibiotik?

Bukti klasik menunjukkan mutasi resistansi muncul secara spontan selama pertumbuhan sebelum antibiotik ditemui; antibiotik kemudian menyeleksi sel-sel yang sudah resisten daripada menyebabkan mutasi spesifik.

Apa itu strain mutator?

Strain mutator memiliki laju mutasi yang lebih tinggi dari normal, biasanya karena fungsi perbaikan DNA atau proofreading cacat, yang dapat mempercepat adaptasi tetapi juga mengumpulkan mutasi berbahaya.