W świecie mikroorganizmów pozyskiwanie i wykorzystywanie składników odżywczych stanowi wyrafinowaną strategię przetrwania. Rozważmy Escherichia coli – gdy bakterie te mają do dyspozycji laktozę jako potencjalne źródło energii, nie przełączają się po prostu między stanami „włączony” i „wyłączony”. Zamiast tego stosują one zaawansowany system kontroli genetycznej zwany lac operonem, którego podwójne mechanizmy regulacyjne stanowią przykład precyzyjnej inżynierii natury.

Ten bakteryjny klaster genów służy jako paradygmat regulacji transkrypcyjnej, szczególnie dobrze scharakteryzowany u E. coli . Policisternowy mRNA operonu koduje enzymy niezbędne do metabolizmu laktozy:

• lacZ : Koduje β-galaktozydazę, która hydrolizuje laktozę do glukozy i galaktozy
• lacY : Wytwarza permeazę laktozową, transporter błonowy do pobierania laktozy przez komórki
• lacA : Koduje transacetylazę tiogalaktozydową, potencjalnie zaangażowaną w detoksykację

• Promotor : Miejsce wiązania polimerazy RNA
• Operator : Lac region wiązania represora zachodzący na promotor
• Miejsce CAP : Miejsce wiązania dla białka aktywatora katabolitów powyżej promotora

To tetrameryczne białko, konstytutywnie eksprymowane z niezależnego lacI genu, działa jako przełącznik molekularny:

• W przypadku braku laktozy, wiązanie operatora o wysokim powinowactwie blokuje transkrypcję
• Alolaktoza (izomer laktozy) indukuje zmiany konformacyjne, które zmniejszają powinowactwo represora do operatora

Białko aktywatora katabolitów (CAP) służy jako wzmacniacz transkrypcyjny poprzez regulację zależną od cAMP:

• Niski poziom glukozy podnosi poziom cAMP, aktywując CAP
• Kompleks CAP-cAMP wzmacnia wiązanie polimerazy RNA w promotorze

System demonstruje logikę kombinatoryczną poprzez podwójne wykrywanie środowiskowe:

1. Glukoza+/Laktoza- : Represor związany, CAP nieaktywny – transkrypcja wyciszona
2. Glukoza+/Laktoza+ : Represor uwolniony, ale CAP nieaktywny – transkrypcja podstawowa
3. Glukoza-/Laktoza- : CAP aktywny, ale represor związany – brak transkrypcji
4. Glukoza-/Laktoza+ : Zarówno represor uwolniony, jak i CAP aktywny – maksymalna indukcja

Ten paradygmat regulacyjny zapewnia:

• Wydajność metaboliczną : Preferencyjne wykorzystanie glukozy oszczędza energię
• Adaptacyjność środowiskową : Elastyczną reakcję na dostępność składników odżywczych
• Podstawy naukowe : Ustanowione podstawowe zasady regulacji genów

Trwające badania dotyczą:

• Dynamiki molekularnej interakcji białko-DNA
• Strukturalnych podstaw synergii CAP-polimeraza RNA
• Zmienności ewolucyjnej w obrębie gatunków bakteryjnych

Operon lac nadal służy jako system modelowy i inspiracja do zrozumienia złożoności i elegancji regulacji genów.