सूक्ष्मजीव जगत में, पोषक तत्वों का अधिग्रहण और उपयोग एक उत्कृष्ट जीवित रहने की रणनीति का प्रतिनिधित्व करता है। एस्चेरिचिया कोलाई पर विचार करें - जब लैक्टोज को संभावित ऊर्जा स्रोत के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, तो ये बैक्टीरिया बस "चालू" और "बंद" अवस्थाओं के बीच स्विच नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे एक परिष्कृत आनुवंशिक नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करते हैं जिसे लैक ऑपेरॉन कहा जाता है, जिसकी दोहरी नियामक तंत्र प्रकृति के सटीक इंजीनियरिंग का उदाहरण देते हैं।
यह जीवाणु जीन क्लस्टर ट्रांसक्रिप्शनल विनियमन के लिए एक प्रतिमान के रूप में कार्य करता है, विशेष रूप से ई. कोलाई में अच्छी तरह से चित्रित किया गया है। ऑपेरॉन का पॉलीसिस्ट्रोनिक mRNA लैक्टोज चयापचय के लिए आवश्यक एंजाइमों को कूटबद्ध करता है:
- lacZ : β-गैलेक्टोसिडेज को कूटबद्ध करता है, जो लैक्टोज को ग्लूकोज और गैलेक्टोज में हाइड्रोलाइज करता है
- lacY : लैक्टोज पारमेज़, कोशिकीय लैक्टोज अपटेक के लिए एक झिल्ली ट्रांसपोर्टर का उत्पादन करता है
- lacA : थायोगालेक्टोसाइड ट्रांसएसेटिलेज के लिए कोड, संभावित रूप से विषहरण में शामिल
- प्रमोटर : RNA पोलीमरेज़ के लिए बंधन स्थल
- ऑपरेटर : लैक रिप्रेसर बाइंडिंग क्षेत्र प्रमोटर के साथ ओवरलैप करता है
- सीएपी साइट : प्रमोटर के ऊपर कैटाबोलाइट एक्टिवेटर प्रोटीन के लिए बाइंडिंग लोकस
यह टेट्रामेरिक प्रोटीन, स्वतंत्र रूप से व्यक्त lacI जीन से, एक आणविक स्विच के रूप में कार्य करता है:
- लैक्टोज की अनुपस्थिति में, उच्च-आत्मीयता ऑपरेटर बंधन ट्रांसक्रिप्शन को अवरुद्ध करता है
- एलोलैक्टोज (एक लैक्टोज आइसोमर) अनुरूप परिवर्तनों को प्रेरित करता है जो रिप्रेसर-ऑपरेटर आत्मीयता को कम करते हैं
कैटाबोलाइट एक्टिवेटर प्रोटीन (सीएपी) cAMP-निर्भर विनियमन के माध्यम से एक ट्रांसक्रिप्शनल एम्पलीफायर के रूप में कार्य करता है:
- कम ग्लूकोज cAMP के स्तर को बढ़ाता है, सीएपी को सक्रिय करता है
- सीएपी-सीएएमपी कॉम्प्लेक्स प्रमोटर पर आरएनए पोलीमरेज़ बंधन को बढ़ाता है
सिस्टम दोहरे पर्यावरणीय संवेदन के माध्यम से संयोजनात्मक तर्क प्रदर्शित करता है:
- ग्लूकोज+/लैक्टोज- : रिप्रेसर बाध्य, सीएपी निष्क्रिय - ट्रांसक्रिप्शन मौन
- ग्लूकोज+/लैक्टोज+ : रिप्रेसर जारी किया गया लेकिन सीएपी निष्क्रिय - बेसल ट्रांसक्रिप्शन
- ग्लूकोज-/लैक्टोज- : सीएपी सक्रिय लेकिन रिप्रेसर बाध्य - कोई ट्रांसक्रिप्शन नहीं
- ग्लूकोज-/लैक्टोज+ : दोनों रिप्रेसर जारी किए गए और सीएपी सक्रिय - अधिकतम प्रेरण
यह नियामक प्रतिमान प्रदान करता है:
- चयापचय दक्षता : प्राथमिकता ग्लूकोज उपयोग ऊर्जा को संरक्षित करता है
- पर्यावरणीय अनुकूलन क्षमता : पोषक तत्वों की उपलब्धता के लिए लचीला प्रतिक्रिया
- वैज्ञानिक आधार : जीन विनियमन के बुनियादी सिद्धांतों की स्थापना
चल रहे शोध में जांच की जा रही है:
- प्रोटीन-डीएनए इंटरैक्शन की आणविक गतिशीलता
- सीएपी-आरएनए पोलीमरेज़ तालमेल का संरचनात्मक आधार
- जीवाणु प्रजातियों में विकासवादी विविधताएं
लैक ऑपेरॉन आनुवंशिक विनियमन की जटिलता और लालित्य को समझने के लिए एक मॉडल सिस्टम और प्रेरणा दोनों के रूप में कार्य करता रहता है।
