Perché l'rRNA 16 viene utilizzato per identificare i batteri

I batteri sono la forma di vita più onnipresente sulla terra. La biomassa dei batteri supera quella delle piante o degli animali. A causa della loro abbondanza, la maggior parte delle specie batteriche non è stata identificata finora. L'identificazione tradizionale dei batteri si basa sulle caratteristiche fenotipiche, che non sono accurate come i metodi genotipici. Il confronto della sequenza di rRNA 16S è emerso come il metodo genotipico più preferito per l'identificazione di batteri nel loro livello di genere. Ci sono diversi motivi per usare l'rRNA 16S come a produttore genetico di pulizie domestiche, che sarà ulteriormente spiegato in dettaglio.

Aree chiave coperte

1. Cos'è l'rRNA 16S
     - Definizione, struttura, ruolo
2. Perché è l'rRNA 16S utilizzato per identificare i batteri
     - Introduzione, motivi, metodi
3. Quali sono le applicazioni del rRNA 16S in microbiologia
     - applicazioni

Termini chiave: batteri, classificazione, sequenza genica, identificazione, ribosoma, rRNA 16S

Cos'è l'rRNA 16S

L'rRNA 16S è un componente della piccola subunità del ribosoma procariota. Le due subunità del ribosoma procariotico sono la subunità grande 50S e la subunità piccola 30S. Formano il ribosoma 70S. La piccola subunità è composta da 16S rRNA legati a 21 proteine. L'rRNA 16S è composto da 1540 nucleotidi. La struttura secondaria dell'RRNA 16S è mostrata in Figura 1.

Figura 1: rRNA 16S

Il 3'end del 16S rRNA contiene la sequenza anti-Shine-Dalgarno che lega a monte il codone di inizio, AUG. La sequenza Shine-Dalgarno è il sito di legame ribosomico dell'mRNA batterico. Poiché l'rRNA 16S è essenziale per il funzionamento dei batteri, il gene che codifica per il rRNA 16S è altamente conservato tra le specie batteriche. La sequenza dell'RRNA 16S è ampiamente utilizzata nell'identificazione e classificazione dei batteri. 

Perché è l'rRNA 16S utilizzato per identificare i batteri

I metodi tradizionali di identificazione dei batteri si basano principalmente sulle caratteristiche fenotipiche dei batteri. Tuttavia, il confronto della sequenza di rRNA 16S è diventato un "gold standard", che sostituisce i metodi tradizionali di identificazione batterica. L'analisi della sequenza di rRNA 16S è migliore per l'identificazione di ceppi fenotipicamente aberranti, scarsamente descritti o raramente isolati. È anche migliore per l'identificazione di batteri non coltivati ​​e nuovi agenti patogeni. Il gene rRNA 16S si verifica nell'operone rRNA nel genoma batterico. L'operone rRNA è mostrato in figura 2.

Figura 2: Operatore rRNA

L'rRNA 16S è adatto per essere usato come marcatore genetico per le pulizie a causa di diversi motivi. Sono descritti di seguito.

1. Il gene rRNA 16S è un gene ubiquitario nel genoma batterico. Poiché la funzione di rRNA 16S è essenziale per la cellula batterica durante la traduzione, quasi tutti i genomi batterici sono composti dal gene dell'rRNA 16S.
2. La sequenza del gene rRNA 16S è altamente conservata. Poiché la funzione dell'RRNA 16S è più generale, la sequenza del gene rRNA 16S è altamente conservata. I cambiamenti nella sequenza genica possono essere considerati come una misura del tempo (evoluzione).
3. La dimensione del gene rRNA 16S (1, 550 bp) è sufficiente per scopi bioinformatici.
4. Il gene rRNA 16S è un gene ben studiato nel genoma batterico. Poiché la funzione del gene rRNA 16S è vitale per la cellula, è sottoposta a numerosi studi.

Identificazione

Fino ad oggi sono state identificate oltre 8 specie batteriche con l'uso della sequenza del gene dell'rRNA 16S. La procedura del processo di identificazione è descritta di seguito.

1. Estrazione del DNA genomico
2. Amplificazione PCR del gene rRNA 16S
3. Ottenere la sequenza nucleotidica del gene rRNA amplificato 16S
4. Confrontare la sequenza con le sequenze nucleotidiche esistenti nei database

La sequenza di rRNA 16S è lunga circa 1, 550 coppie di basi ed è composta da regioni sia variabili che conservate. I primer universali, che sono complementari alla regione conservata del gene, possono essere utilizzati per l'amplificazione della regione variabile del gene mediante PCR. Generalmente, 540 paia di basi dall'inizio del gene o dell'intero gene sono amplificate mediante PCR. Il frammento PCR viene sequenziato e la sequenza viene confrontata con le sequenze nucleotidiche esistenti del gene rRNA 16S per l'identificazione delle specie batteriche pre-isolate. GenBank, il più grande deposito di sequenze di nucleotidi, ha oltre 20 milioni di sequenze di 90.000 diversi geni di rRNA 16S. Se la specie batterica è nuova, la sequenza non corrisponderà a nessuna sequenza di rRNA 16S nei database.

Classificazione

Poiché la sequenza genica di rRNA 16S si trova in quasi tutte le specie batteriche, il confronto delle diverse sequenze di geni del rRNA 16S può essere usato per differenziare i batteri fino ai livelli di specie e sottospecie. Specie batteriche simili possono avere sequenze simili del gene rRNA 16S. Un albero filogenetico di batteri costruito confrontando la sequenza del gene rRNA 16S è mostrato in figura 3.

Figura 3: Albero filogenetico costruito sulla base del confronto di sequenze di rRNA 16S

Quali sono le applicazioni di rRNA 16S in microbiologia

Le applicazioni del rRNA 16S in microbiologia sono elencate di seguito.

1. Il sequenziamento del gene rRNA 16S è usato come "gold standard" per l'identificazione e la classificazione tassonomica delle specie batteriche.
2. Il confronto della sequenza di rRNA 16S può essere utilizzato per il riconoscimento di nuovi agenti patogeni.
3. Il sequenziamento dell'RRNA 16S può essere utilizzato come alternativa rapida ed economica ai metodi fenotipici di identificazione batterica in microbiologia medica.

Conclusione

L'rRNA 16S è vitale per il funzionamento dei batteri poiché fornisce un sito per il legame dell'mRNA batterico al ribosoma durante la traduzione. Poiché la funzione del 16SrRNA è essenziale per la cellula, la sua sequenza genica è presente in quasi tutte le cellule batteriche. Inoltre, la sua sequenza è altamente conservata. Tuttavia, la sequenza di rRNA 16S è composta anche da regioni variabili, consentendo l'identificazione di specie batteriche. Inoltre, le specie batteriche possono essere classificate in base alla sequenza genica dell'RRNA 16S.

Riferimento:

1. Janda, J. Michael e Sharon L. Abbott. "Sequenziamento del gene rRNA 16S per l'identificazione batterica nel laboratorio diagnostico: vantaggi, pericoli e insidie." Journal of Clinical Microbiology, American Society for Microbiology, settembre 2007, disponibile qui.
2. Clarridge, Jill E. "Impatto dell'analisi della sequenza genica del rRNA 16S per l'identificazione dei batteri sulla microbiologia clinica e sulle malattie infettive." Recensioni sulla microbiologia clinica, American Society for Microbiology, ottobre 2004, disponibile qui.

Cortesia dell'immagine:

1. "16S" di Squidonius - Opera propria (di dominio pubblico) tramite Commons Wikimedia
2. "Amit Yadav Phytoplasma rRNA operon" (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. "Posizione filogenetica dei mollicutes tra i batteri" di Kenro Oshima, Kensaku Maejima e Shigetou Namba - Fronte. Microbiol., 14 agosto 2013 / doi: 10.3389 / fmicb.2013.00230 (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia