微生物遺伝学

微生物遺伝学は、微生物学と遺伝子工学の分野です。微生物遺伝学は、さまざまな目的で微生物を研究します。観察される微生物は、細菌と古細菌です。一部の真菌と原生動物も、この分野の研究対象です。微生物の研究には、遺伝子型と発現システムの研究が含まれます。遺伝子型は、生物の遺伝的構成です。(オースティン、「遺伝子型」、nd) 遺伝子工学は、微生物遺伝学における研究分野です。^[1]組み換え DNA 技術の使用は、この研究のプロセスです。 [ ^1]このプロセスには、DNA 配列を操作することによって組み換え DNA 分子を作成することが含まれます。^[1]作成された DNA は、その後、宿主生物と接触します。クローニングも遺伝子工学の例です。^[1]

1665年から1885年の間にロバート・フックとアントニ・ファン・レーウェンフックによって微生物が発見されて以来^[2]、微生物は多くのプロセスの研究に使用され、遺伝学のさまざまな研究分野に応用されてきました。たとえば、微生物の急速な成長率と短い世代時間は、科学者が進化を研究するために使用されています。ロバート・フックとアントニ・ファン・レーウェンフックの発見には、微生物の描写、観察、および説明が含まれていました。^[3]ケカビは、フックが発表し、描写した微小菌類です。 ^[4]彼の貢献は、ケカビが初めて図示された微生物であることです。アントニ・ファン・レーウェンフックの微視的原生動物と微視的細菌への貢献は、科学的な観察と説明をもたらしました。^[4]これらの貢献は単純な顕微鏡によって達成され、今日の微生物の理解につながり、科学者の理解を進歩させ続けています。   ^{[5]微生物遺伝学は、}薬物代謝 など、人間に見られるプロセスや経路を研究する分野にも応用されています。^[6]

微生物遺伝学はチャールズ・ダーウィンの研究に焦点を当てることができ、科学者は微生物を使って彼の研究と理論を研究し続けています。^[7]具体的には、ダーウィンの自然選択理論が使用される情報源です。微生物遺伝学を使用して進化を研究するには、科学者が進化のバランスを調べる必要があります。^[1]これを達成する方法の例として、微生物の自然選択または漂流を研究することが挙げられます。^[7]この知識の応用は、さまざまな方法で存在または不在を探すことから生まれます。^[7]方法には、特定の経路、遺伝子、および機能の特定が含まれます。対象が観察されると、科学者はそれを保存された遺伝子の配列と比較する場合があります。^[1]この方法で微生物の進化を研究するプロセスでは、進化がいつ起こったかの時間スケールを示すことができません。^[7]ただし、このように進化をテストすることで、科学者は進化の速度と結果を知ることができます。微生物と環境の関係を研究することは、微生物遺伝学の進化の重要な要素です。^[8]

細菌は約35億年前からこの惑星に存在しており、その形状によって分類されています。^[9] 細菌遺伝学では、細菌の遺伝情報、染色体、プラスミド、トランスポゾン、ファージのメカニズムを研究しています。^[10]

細菌において広範に研究されてきた遺伝子伝達システムには、遺伝子形質転換、接合、形質導入などがある。 自然形質転換は、媒介媒体を介して2つの細胞間でDNAを伝達するための細菌の適応である。ドナーDNAの取り込みと受容体染色体への組み換え組み込みは、このプロセスを指示する多数の細菌遺伝子の発現に依存する。^{[11] [12]} 一般に、形質転換は複雑でエネルギーを必要とする発達プロセスであり、DNA損傷を修復するための適応であると思われる。^[13]

細菌接合は、細胞同士の直接接触、または2つの細胞間の橋のような接続によって細菌細胞間で遺伝物質が伝達されることである。細菌接合は大腸菌で広く研究されているが、マイコバクテリウム・スメグマティスなどの他の細菌でも起こる。接合にはドナー株とレシピエント株の安定した長期接触が必要であり、DNase耐性があり、伝達されたDNAは相同組み換えによってレシピエント染色体に組み込まれる。大腸菌の接合はプラスミド遺伝子の発現によって媒介されるが、マイコバクテリアの接合は細菌染色体上の遺伝子によって媒介される。^[14]

形質導入とは、ウイルスまたはウイルスベクターによって外来DNAが細胞に導入されるプロセスです。形質導入は、分子生物学者が外来遺伝子を宿主細胞のゲノムに安定的に導入するために使用する一般的なツールです。

古細菌は、原核生物で単細胞の生物の領域であり、40億年前に発生したと考えられています。「細胞内に細胞核やその他の器官はありません。」古細菌は、二分裂と呼ばれるプロセスで無性生殖します。細胞分裂周期には、娘細胞の染色体が複製される時期が含まれます。古細菌は染色体という単一の構造を持っているため、2つの娘細胞は分離して細胞分裂します。古細菌は、尾のような構造である鞭毛を含む運動性を持っています。古細菌の染色体は、異なる複製起点から複製され、2つの半数体娘細胞を生成します。^[15]「^[16]細菌と共通の祖先を共有していますが、細菌と比較すると真核生物に近いです。^{[17]一部の古細菌は極端な環境でも生き残ることができるため、遺伝学の分野で多くの応用がされています。 そのような応用の1つは、}試験管内での厳しい条件でも生き残ることができる古細菌酵素の使用です。^[18]

遺伝子伝達と遺伝子交換は、好塩性古細菌Halobacterium v​​olcaniiと超好熱性古細菌Sulfolobus solfataricusおよびSulfolobus acidocaldariusで研究されている。H . volcani は細胞間に細胞質橋を形成し、この橋は DNA を一方の細胞から他方の細胞へ双方向に伝達するために使用されていると思われる。^[19] S. solfataricusとS. acidocaldariusが DNA 損傷物質にさらされる と、種特異的な細胞凝集が誘発される。細胞凝集は染色体マーカー交換と遺伝子組み換えを高頻度に媒介する。細胞凝集はSulfolobus細胞間の種特異的な DNA 伝達を促進し、相同組み換えによる損傷 DNA の修復を促進すると考えられている。^{[20] [21] [22]古細菌は、}好塩菌、メタン生成菌、好熱好酸性菌の3つのサブグループに分けられます。最初のグループであるメタン生成菌は、沼地や湿地、および人間の腸内に生息する古細菌です。また、死んだ生物の腐敗と分解に大きな役割を果たしています。メタン生成菌は嫌気性生物であり、酸素にさらされると死にます。古細菌の2番目のサブグループである好塩菌は、グレートソルトレイクや死海のような塩分濃度の高い地域に生息する生物です。3番目のサブグループの好熱好酸性菌は好熱菌とも呼ばれ、酸性地域に生息する生物です。温泉や間欠泉のようなpHレベルの低い地域に生息します。ほとんどの好熱菌はイエローストーン国立公園で発見されています。^[23]

古細菌遺伝学は、単一の核を持たない細胞からなる遺伝子の研究分野です。^[24]古細菌は、DNA合成を開始するための複数の複製起点を含む単一の環状染色体を持っています。^[25]古細菌のDNA複製には、開始、伸長、終結などの同様のプロセスが含まれます。 RNAプライマーを合成するために使用されるプライマーゼは、真核生物とは異なります。 古細菌によるプライマーゼは、RNA認識モチーフ（RRM）の高度に派生したバージョンです。^[25]古細菌はグラム陽性細菌に由来し、どちらも単一の脂質二重層を持ち、抗生物質に耐性があります。 古細菌は、代謝と呼ばれる化学反応を通じてアデノシン三リン酸（ATP）としてエネルギーを放出するという点で、真核生物のミトコンドリアに似ています。 ^[25]光合成古細菌として知られる一部の古細菌は、太陽のエネルギーを使用してATPを生成します。 ATP合成酵素は光リン酸化反応として化学物質をATPに変換するために使われる。^[15]

古細菌と細菌は、生命の樹の中では近縁ではないものの、構造的に類似している。細菌と古細菌の細胞の形状は、球菌として知られる球形から桿菌として知られる棒形まで様々である。また、内部膜がなく、細胞がその形状を維持するのを助ける細胞壁があることでも関連している。古細菌細胞には細胞壁があるが、ペプチドグリカンを含まないため、古細菌はセルロースやキチンを生成しない。古細菌は細菌にはないが古細菌にはtRNAが存在するため、真核生物に最も近縁である。古細菌には真核生物と同じリボソームがあり、タンパク質を合成する。^[26]古細菌と細菌の形態とは別に、これらのドメインには他の違いがある。塩湖、海洋、反芻動物や人間の腸内など、pHレベルが低い極端で厳しい環境に生息する古細菌は、極限環境生物としても知られている。対照的に、細菌は植物、動物、土壌、岩石などさまざまな領域に存在します。^[27]

真菌は多細胞生物と単細胞生物の両方であり、栄養素を獲得する方法によって他の微生物と区別されます。真菌は周囲に酵素を分泌し、有機物を分解します。^{[9]真菌遺伝学では、}酵母と糸状菌をモデル生物として用いて、細胞周期の制御、クロマチン構造、遺伝子制御などの真核生物の遺伝学研究を行っています。^[28]

真菌 Neurospora crassaの研究は、遺伝子の働きを理解するのに大きく貢献してきました。N . crassaは子嚢菌門に属する赤パンカビの一種です。栽培が容易で、子孫に劣性形質が現れる半数体ライフサイクルを持つため、遺伝子解析が簡単になるという理由から、モデル生物として使用されています。子嚢胞子における減数分裂産物の整然とした配置により、遺伝子組み換えの解析が容易になります。自然環境では、N. crassa は主に熱帯および亜熱帯地域に生息しています。火災後の枯れた植物質に生えているのがよく見られます。

エドワード・テイタムとジョージ・ビードルは、ニューロスポラを実験に使用し^{[29]、この実験で1958年に}ノーベル生理学・医学賞を受賞しました 。これらの実験の結果は、特定の遺伝子が特定のタンパク質をコードするという1遺伝子1酵素仮説に直接つながりました。この概念は、分子遺伝学とそれに続くすべての発展のきっかけとなりました。 ^[30]

サッカロミセス・セレビシエは子嚢菌門の酵母である。栄養が豊富な場合に通常起こる栄養成長の間、 S. cerevisiae は二倍体細胞として有糸分裂によって再生する。しかし、飢餓状態になると、これらの細胞は減数分裂を起こして半数体の胞子を形成する。 ^{[31]交配は、反対の}交配型MATaとMATαの半数体細胞が接触する ことで起こる^{。Ruderferら[32]}は、自然界では、2つの理由から近縁の酵母細胞間でそのような接触が頻繁に起こると指摘した。1つ目は、反対の交配型の細胞が同じ嚢、つまり1回の減数分裂で直接生成された細胞を含む袋の中に一緒に存在し、これらの細胞が互いに交配できることである。2つ目の理由は、 1つの交配型の半数体細胞が細胞分裂すると、反対の交配型の細胞が頻繁に生成されることである。天然のS. cerevisiae株の祖先を解析した結果、異系交配は非常にまれにしか起こらない（細胞分裂50,000回に1回程度）という結論が出た。 ^[32] 異系交配によって減数分裂が起こることは自然界では比較的稀であることから、異系交配の長期的な利点（多様性の創出など）は、一般的に1世代から次の世代に性別を維持するのに十分ではないと考えられる。むしろ、ストレスの多い条件（飢餓など）によって引き起こされるDNA損傷の減数分裂組換え修復などの短期的な利点^[33]が、 S. cerevisiaeにおける性別維持の鍵となる可能性がある。

カンジダ・アルビカンスは酵母としても糸状菌としても成長する二倍体の真菌です。 カンジダ・アルビカンスはヒトにおいて最も一般的な真菌性病原体です。衰弱性粘膜感染症と、生命を脅かす可能性のある全身感染症の両方を引き起こします。 カンジダ・アルビカンスは精巧ですが大部分は隠れた交配装置を維持しています。 ^[34] ジョンソン^{[34]は交配戦略によって}カンジダ・アルビカンスが哺乳類宿主の過酷な環境で生き残る ことができるのではないかと示唆しました

知られている250種のアスペルギルスのうち、約33%に有性生殖の状態が確認されている。^[35]有性生殖周期を示すアスペルギルス種 のうち、自然界では圧倒的多数がホモタリック（自家受粉）である。^[35] ホモタリック菌Aspergillus nidulansの自殖では、異種交配種における性別に特徴的な同じ交配経路が活性化される。つまり、自家受精では異種交配に必要な経路が迂回されるのではなく、単一個体内でこれらの経路が活性化される必要がある。^{[36]半数体核の融合は}閉殻と 呼ばれる生殖構造内で起こり、そこでは二倍体接合子が減数分裂して半数体の子嚢胞子が生じる。

原生動物は単細胞生物であり、核と細胞質内に極微細な細胞体を持っています。^[9] 原生動物の中で人類の遺伝学者が特に興味を持っているのは、その鞭毛です。 これはヒトの精子の鞭毛と非常によく似ています。

ゾウリムシの研究は、減数分裂の機能に関する理解に貢献してきました。すべての繊毛虫と同様に、ゾウリムシは倍数体の 大核と、1つ以上の二倍体の 小核を持っています。大核は非生殖細胞の機能を制御し、日常的な機能に必要な遺伝子を発現します。小核は生殖核、つまり生殖系列核であり、世代から世代へと受け継がれる遺伝物質を含んでいます。^[37]

成長の無性分裂期には、細胞分裂が減数分裂ではなく有糸分裂によって起こるが、この段階ではクローン老化が起こり、徐々に活力が失われる。よく研究されているゾウリムシ属テトラウレリアなどの一部の種では、クローン老化するゾウリムシの無性系統は、細胞が減数分裂に続いて自家受精または接合（異系交配）を起こさなかった場合、約200回の分裂後に活力を失い、消滅する（ゾウリムシの老化を参照）。DNA損傷はクローン細胞分裂を繰り返す間に劇的に増加し、これがP.テトラウレリアにおけるクローン老化の原因である可能性が高い。^{[38] [39] [40]}

クローン的に老化したP. tetraurelia が自家生殖または接合のいずれかに関連して減数分裂を起こすよう刺激されると、子孫は若返り、より多くの有糸分裂二分裂を起こすことができる。これらのいずれかのプロセス中に、細胞の微小核は減数分裂を起こし、古い大核は崩壊し、最近減数分裂を起こした微小核 DNA の複製によって新しい大核が形成される。新しい大核には DNA 損傷がほとんどないか、まったくないように見えることから、若返りは減数分裂中の微小核のこれらの損傷の修復に関連していることが示唆される。^{[引用が必要]}

ウイルスは、タンパク質と核酸で構成されたカプシドをコードする生物であり、宿主の複製機構を使用して宿主細胞内で複製された後に自己集合することができる。[ 41 ^{] ウイルスがリボソームを欠いているため生きているかどうかについては科学界で意見の相違がある。[41]ウイルス}ゲノムを理解することは、遺伝学の研究だけでなく、ウイルスの病原性を理解するためにも重要である。^[42]

多くの種類のウイルスは遺伝子組み換えが可能です。同じ種類の2つ以上の個別のウイルスが細胞に感染すると、それらのゲノムが互いに組み換えられ、組み換えウイルスの子孫が作られることがあります。DNAウイルスとRNAウイルスの両方が組み換えを起こすことができます。それぞれが致死的なゲノム損傷を含む2つ以上のウイルスが同じ宿主細胞に感染すると、ウイルスのゲノムは互いに対になって相同組み換え修復を起こし、生存可能な子孫を生み出すことがよくあります。^{[43] [44]} このプロセスは多重性再活性化として知られています。^{[43] [45]}多重性再活性化に使用される酵素は、細菌や真核生物の組み換え修復に使用される酵素と機能的に相同です。多重性再活性化は、インフルエンザウイルス、HIV-1、アデノウイルス、シミアンウイルス40、ワクシニアウイルス、レオウイルス、ポリオウイルス、単純ヘルペスウイルスなどの病原性ウイルスや、多数のバクテリオファージで発生することがわかっています。^[45]

あらゆる生物は、寄生虫に成長する機会を与えることによってウイルスに感染する可能性があります。寄生虫は他の生物の栄養分を餌とし、それによってウイルスが繁殖します。人体がウイルスを検知すると、寄生虫/ウイルスを攻撃する戦闘細胞を作り出します。文字通り、体内で戦争を引き起こします。^[46] ウイルスは体のあらゆる部分に影響を及ぼし、インフルエンザ、風邪、性感染症など、さまざまな病気を引き起こします。^[46]インフルエンザは空気感染するウイルスで、小さな飛沫を介して移動し、正式にはインフルエンザとして知られています。寄生虫は空気中を移動し、人間の呼吸器系を攻撃します。このウイルスに最初に感染した人は、話したりくしゃみをしたりするなどの日常の通常の活動によって感染を広げます。人がウイルスに接触すると、風邪とは異なり、インフルエンザウイルスはほぼ即座に人に影響を与えます。このウイルスの症状は風邪と非常に似ていますが、はるかにひどいです。体の痛み、喉の痛み、頭痛、冷や汗、筋肉痛、疲労感など、ウイルスに伴う症状は数多くあります。^[47]上気道のウイルス感染が風邪を引き起こします。^[48]喉の痛み、くしゃみ、微熱、咳などの症状を伴う風邪は、通常無害で、1週間ほどで治ります。風邪も空気感染するウイルスですが、直接接触によっても感染します。この感染症は症状が出るまでに数日かかり、インフルエンザとは異なり徐々に進行します。^[48]

微生物は生化学や遺伝学の研究に理想的であり、DNAが遺伝物質であること、^{[49] [50]}遺伝子が単純な線状構造であること、^[51]遺伝暗号がトリプレットコードであること、^[52]遺伝子発現が特定の遺伝プロセスによって制御されていることの実証など、これらの科学分野に多大な貢献をしてきました。^[53] ジャック・モノとフランソワ・ジャコブは、細菌の一種である大腸菌を使用して、遺伝子発現のオペロンモデルを開発し、遺伝子発現と制御の基礎を築きました。^[54] さらに、単細胞真核微生物の遺伝プロセスは多細胞生物のものと類似しているため、研究者はこのプロセスに関する情報も収集できます。 ^[55]遺伝学の分野に大きく貢献した別の細菌は、高温に耐える細菌であるサーマス・アクアティカスです。この微生物から科学者たちはTaqポリメラーゼという酵素を単離しました。これは現在、強力な実験技術であるポリメラーゼ連鎖反応（PCR）に使用されています。^{[56]さらに、細菌を利用した}組み換えDNA技術の発展は、現代の遺伝子工学とバイオテクノロジーの誕生につながりました。^[9]

微生物を用いて、その速い増殖を利用して、目的の遺伝子のためのバイオファクトリーを作るために、細菌のプラスミドに遺伝子を挿入するためのプロトコルが開発された。このように遺伝子操作された細菌は、インスリン、ヒト成長ホルモン、インターフェロン、血液凝固因子などの医薬品を生産することができる。^[9]これらのバイオファクトリーは、通常、医薬品を生産する他の手順よりも運営と維持がはるかに安価である。それらは、大量の製品を生産するために基本的な原材料と適切な環境のみを必要とする、何百万もの小さな製薬機械のようなものです。ヒトインスリン遺伝子を組み込むことだけでも、医療業界に大きな影響を与えてきました。バイオファクトリーは、高価な命を救う医薬品化合物の価格を下げるための究極の鍵かもしれないと考えられています。

微生物は、発酵食品、実験室検査試薬、乳製品（レニンなど）、さらには衣類（ジーンズにストーンウォッシュのような外観を与える酵素であるトリコデルマ菌など）などの産業用途向けにさまざまな酵素を合成します。^[9]

現在、微生物は石油系界面活性剤の代替品として使用できる可能性があります。微生物界面活性剤は、石油系界面活性剤と同じ種類の親水性および疎水性官能基を持ちますが、競合製品に比べて多くの利点があります。比較すると、微生物両親媒性化合物は、高温や極端な pH の地域などの極端な環境でも機能を維持する傾向が強く、生分解性があり、環境への毒性が低いです。この効率的で安価な製造方法は、増え続ける界面活性剤の世界的な消費に対する解決策となる可能性があります。皮肉なことに、バイオベースの界面活性剤の需要が最も高い用途は、一般的な製造だけでなく特定の油組成物の開発にも界面活性剤を使用する石油産業です。^[57]

微生物は、産業や消費者向けに幅広い用途を持つリパーゼの豊富な供給源です。酵素は生物の細胞内でさまざまな機能を果たすため、同様の目的のために大規模に使用できるのは当然のことです。微生物酵素は、利用できる機能が多様で大量生産が可能なため、通常、大量生産に適しています。植物や動物の酵素は通常、大量生産するには高価すぎますが、必ずしもそうとは限りません。特に植物の場合です。リパーゼの産業用途には、脂肪や油から商業的に価値のある化学物質を製造するための、より効率的で費用対効果の高い触媒としての酵素が含まれます。これは、リパーゼが、維持しやすい穏やかな条件で特定の特性を保持し、より高い速度で作用できるためです。脂肪分解酵素のすでに成功している他の用途には、バイオ燃料、ポリマー、非立体異性体医薬品、農業化合物、風味増強化合物の製造などがあります。^[58]

産業の最適化に関して、バイオファクトリー生産方法の利点は、指向性進化によって最適化を導く能力です。生産の効率と特異性は、人工選択を課すことによって時間の経過とともに増加します。効率を向上させるこの方法は、農業では目新しいものではありませんが、産業生産では比較的新しい概念です。この方法は、複数の面で最適化されているため、従来の産業方法よりもはるかに優れていると考えられています。最初の面は、バイオファクトリーを構成する微生物を私たちのニーズに合わせて進化させることができることです。2番目の面は、進歩した技術の統合によってもたらされた従来の最適化方法です。この従来の方法と生物学的進歩の組み合わせは、現在利用され始めており、事実上無限の数のアプリケーションを提供します。^[59]

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