The lac operon adalah sekelompok gen struktural yang berfungsi untuk kode untuk protein yang terlibat dalam metabolisme laktosa. Mereka adalah gen yang tersusun secara berurutan dalam genom hampir semua bakteri dan telah dipelajari dengan upaya khusus pada "model" bakteri Escherichia coli.
Lac operon adalah model yang digunakan oleh Jacob dan Monod pada tahun 1961 untuk mengusulkan pengaturan genetik dalam bentuk operon. Dalam karyanya, para penulis ini menggambarkan bagaimana ekspresi dari satu atau lebih gen dapat “dihidupkan” atau “dimatikan” sebagai konsekuensi dari keberadaan molekul (laktosa, misalnya) dalam media pertumbuhan.
Skema umum lac operon. Tereseik. Karya turunan gambar G3pro. Terjemahan bahasa Spanyol oleh Alejandro Porto.
Bakteri yang tumbuh di media pertumbuhan yang kaya senyawa karbon atau gula selain laktosa, seperti glukosa dan galaktosa, memiliki jumlah protein yang sangat rendah yang diperlukan untuk metabolisme laktosa.
Kemudian, jika tidak ada laktosa, operon "dimatikan", mencegah RNA polimerase mentranskripsikan segmen gen yang sesuai dengan operon lac. Ketika sel "merasakan" keberadaan laktosa, operon diaktifkan dan gen ini ditranskripsikan secara normal, yang dikenal sebagai "menyalakan" operon.
Semua gen operon diterjemahkan ke dalam satu molekul messenger RNA dan, oleh karena itu, faktor apa pun yang mengatur transkripsi RNA messenger dari lac operon ini akan secara langsung mengatur transkripsi gen apa pun yang dimilikinya.
Penemuan
Teori Jacob dan Monod berkembang dalam konteks di mana sangat sedikit yang diketahui tentang struktur DNA. Dan hanya delapan tahun sebelum Watson dan Crick membuat proposal mereka tentang struktur DNA dan RNA, sehingga RNA pembawa pesan hampir tidak diketahui.
Jacob dan Monod pada tahun 1950-an telah menunjukkan bahwa metabolisme laktosa bakteri diatur secara genetik oleh dua kondisi yang sangat spesifik: ada dan tidak adanya laktosa.
Kedua ilmuwan telah mengamati bahwa protein dengan karakteristik yang mirip dengan enzim alosterik mampu mendeteksi keberadaan laktosa dalam media dan begitu gula terdeteksi, transkripsi dua enzim dirangsang: permease laktosa dan galaktosidase.
Saat ini diketahui bahwa permease berperan dalam pengangkutan laktosa ke dalam sel dan galaktosidase diperlukan untuk "memecah" atau "memotong" molekul laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, sehingga sel dapat memanfaatkan disakarida ini di bagian-bagian penyusunnya.
Pada tahun 1960-an telah ditentukan bahwa permease laktosa dan galaktosidase dikodekan oleh dua urutan genetik yang berdekatan, masing-masing wilayah Z dan wilayah Y.
Lac operon adalah bagian dari genom dari bakteri Escherichia coli. Sumber: NIAID, melalui Wikimedia Commons
Akhirnya, pada tahun 1961, Jacob dan Monod mempresentasikan model genetik yang terdiri dari lima elemen genetik:
- Seorang promotor
- Seorang operator dan
- gen Z, Y dan A.
Semua segmen ini diterjemahkan menjadi RNA kurir tunggal dan terdiri dari bagian-bagian penting untuk mendefinisikan hampir semua operon bakteri di alam.
Analisis dan eksperimen genetik
Jacob, Monod, dan kolaboratornya melakukan banyak eksperimen dengan sel bakteri yang mengalami mutasi yang membuat galur tersebut tidak dapat memetabolisme laktosa. Strain tersebut diidentifikasi dengan nama strain dan mutasi yang dimilikinya.
Dengan cara ini, para peneliti dapat mengidentifikasi bahwa mutasi pada gen lacZ, yang mengkode β-galactosidase, dan lacY, yang mengkode permease laktosa, menghasilkan bakteri tipe lac, yaitu bakteri yang tidak mampu memetabolisme laktosa. .
Dari “pemetaan genetik” menggunakan enzim restriksi, lokasi gen dalam strain yang berbeda kemudian ditentukan, sebuah fakta yang memungkinkan penetapan bahwa tiga gen lacZ, lacY dan lacA ditemukan (dalam urutan itu) pada kromosom bakteri di a kelompok gen yang berdekatan.
Keberadaan protein lain, yang disebut protein penekan, yang belum tentu dianggap sebagai "bagian" dari operon, dijelaskan melalui mutasi pada gen yang disebut lacI-. Ini mengkodekan protein yang mengikat ke wilayah "operator" di operon dan mencegah transkripsi gen untuk β-galaktosidase dan permease laktosa.
Dikatakan bahwa protein ini bukan bagian dari gen yang menyusun lac operon, karena mereka sebenarnya terletak "hulu" dari operon terakhir dan ditranskripsi menjadi RNA messenger yang berbeda.
Skema operon lac (Sumber: Barbarossa di Wikipedia Belanda melalui Wikimedia Commons)
Strain bakteri yang memiliki laktasi "secara konstitutif" mengekspresikan gen lacZ, lacY dan lacA, yang terjadi terlepas dari ada atau tidaknya laktosa dalam lingkungan ekstraseluler.
Banyak dari pengamatan ini dikuatkan dengan mentransfer gen lacI + dan lacZ + ke sel bakteri yang tidak menghasilkan protein yang dikodekan oleh gen ini dalam media bebas laktosa.
Karena bakteri "berubah" dengan cara ini hanya menghasilkan enzim β-galaktosidase dengan adanya laktosa, percobaan menegaskan bahwa gen lacI penting untuk regulasi ekspresi operon lac.
Fungsi
Operon lac mengatur transkripsi gen yang diperlukan bakteri untuk mengasimilasi laktosa sebagai sumber karbon dan energi. Namun, transkripsi gen ini hanya terjadi jika sumber energi utama sesuai dengan karbohidrat tipe galaktosida.
Dalam sel bakteri, terdapat mekanisme yang mengatur ekspresi gen lac operon saat mereka berada di hadapan glukosa atau gula lain yang lebih mudah dimetabolisme.
Metabolisasi gula ini melibatkan pengangkutannya ke bagian dalam sel dan pemecahan atau pemrosesannya selanjutnya.
Laktosa digunakan sebagai sumber energi alternatif bagi bakteri, membantu mereka bertahan bahkan setelah sumber energi lain di lingkungan seperti glukosa habis.
Model lac operon adalah sistem genetik pertama dari jenisnya yang akan dijelaskan dan dengan demikian berfungsi sebagai dasar untuk menggambarkan banyak operon lain dalam genom berbagai jenis mikroorganisme.
Dengan mempelajari sistem ini, banyak kemajuan dibuat dalam memahami fungsi protein jenis "penekan" yang mengikat DNA. Ada juga kemajuan dalam pemahaman tentang enzim alosterik dan bagaimana mereka bertindak secara selektif saat mengenali satu atau beberapa substrat.
Kemajuan penting lainnya yang muncul dari studi tentang lac operon adalah pembentukan peran penting yang dimainkan oleh messenger RNA dalam menerjemahkan instruksi yang ditemukan dalam DNA dan juga sebagai langkah awal untuk sintesis protein.
Referensi
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Pengantar analisis genetik. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetika: dari gen ke genom (hlm. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery dan lac Operon. Jurnal biologi molekuler, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Operon lac (hlm. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Simulasi deterministik dan stokastik dan analisis jaringan reaksi biokimia: Contoh operon laktosa. Dalam Metode dalam enzim (Vol. 487, hlm. 371-395). Pers Akademik.