Binarna delitev (binarna fisija): definicija, potek pri bakterijah

Binarna delitev ("delitev na pol") je vrsta nespolnega razmnoževanja. Je najpogostejša oblika razmnoževanja pri prokariontih, kot so bakterije. Pojavlja se tudi pri nekaterih enoceličnih evkariontih, kot sta ameba in paramoecij. Pri binarni delitvi se replikacija in segregacija DNK izvajata sočasno.

Pri binarni delitvi se polno razvita matična celica razdeli na dve polovici, pri čemer nastaneta dva bazena. Po replikaciji svojega genetskega materiala se starševska celica razdeli na dve enako veliki hčerinski celici. Genetski material se replicira, nato pa se enakomerno razdeli. Hčerinski celici sta genetsko enaki (razen če med replikacijo pride do mutacije).

Pri binarni delitvi se molekula DNK razdeli in tvori dve molekuli DNK. Celica nato raste, da se ustvari prostor za vsako molekulo, ki se premakne proti nasprotni strani bakterije. Hkrati se celična membrana razdeli, tako da nastaneta dve hčerinski celici. Po delitvi novi celici rasteta in proces se ponovi.

Binarna delitev poteka v evkariontskih tkivnih celicah, vendar je proces bolj zapleten: glejte mitozo.

V bistvu celica kopira svojo DNK, nato pa se na sredini razdeli in nastane dve hčerinski celici.

Potek binarne delitve pri bakterijah — podrobnejši koraki

Začetek replikacije: Replikacija kromosoma se začne na specifični točki, imenovani izvor replikacije (oriC pri številnih bakterijah). Nastane dvo-rokni replikacijski vilice (replisom), ki sintezira novo DNK.
Segregacija kromosomov: Ko se kromosom podvoji, se kopije premikajo proti nasprotnim poloma celice. Pri mnogih bakterijah so molekule DNK vezane na membrano ali na proteinske komplekse, ki usmerjajo premik in preprečujejo zapletanje.
Formiranje delitvenega aparata (divisom): V sredini celice se naberejo proteinski kompleksni, ključna je beljakovina FtsZ (homolog tubulina), ki oblikuje Z-obroč. Z-obroč služi kot ogrodje za nadaljnji sestav delitvenega aparata (FtsA, ZipA in drugi proteini), ki usmerja sintezo nove celične stene.
Nastanek septuma: Aktivnost divisoma sproži sintezo peptidoglikana in membrane na sredini, kar vodi v tvorbo septuma — pregrade, ki deli celico na dve. Sinteza stene mora biti koordinirana, da sta obe hčerinski celici celostni in ohranjata pravilno obliko.
Citoskineza in ločitev: Septum se dokonča, Z-obroč se razgradi in celici se ločita. Hčerinski celici prejmeta ribosome, plazmide in druge celične komponente; nato nadaljujeta rast in metabolizem.

Dodatne značilnosti in mehanizmi

Plazmidi: Majhne, krožne DNA molekule (plazmidi) se pogosto razmnožujejo neodvisno od kromosoma. Pri visokem številu kopij se razdelijo naključno, pri nizkokopičnih plazmidih pa obstajajo aktivni sistemi za porazdelitev (ParAB, partitioning sistemi).
Regulacija: Delitev je tesno regulirana z genetskimi in fiziološkimi mehanizmi (npr. sistem Min pri E. coli preprečuje nastanek Z-obroča blizu polov celice, dokler ni primeren čas).
Asimetrična delitev: Pri večini bakterij sta hčerinski celici podobni, vendar ne popolnoma identični (fenotipsko se lahko razlikujeta glede na porazdelitev molekul, starih komponent ali lokaliziranih proteinov). Nekatere vrste (npr. Caulobacter) delijo celico asimetrično — nastaneta različni celični tipi.

Generacijski čas in vplivi okolja

Generacijski čas (doubling time) je čas, potreben, da se populacija podvoji. Pri optimalnih pogojih lahko nekatere bakterije, npr. Escherichia coli, podvojijo vsakih ~20 minut, medtem ko imajo druge vrste generacijske čase ure, dni ali celo mesece. Hitrost delitve vplivajo temperatura, razpoložljivost hranil, pH, prisotnost kisika, toksinov in gostota populacije (npr. quorum sensing).

Genetske posledice in pomen

Ker se pri binarni delitvi naredi kopija celotne DNK in se ta porazdeli med hčerinski celici, sta ti običajno genetsko enaki (razen če med replikacijo pride do mutacije). Mutacije, prenos plazmidov in horizontalni prenos genov (konjugacija, transformacija, transdukcija) prispevajo k genetski raznolikosti in hitro evoluciji bakterij — pomembno z vidika odpornosti na antibiotike, prilagajanja okolju in industrijskih aplikacij.

Razlike med prokarionti in evkarionti

Pri prokariontih je binarna delitev razmeroma preprost in hiter proces, vezan na en krožen kromosom in direktno povezavo replikacije s sklepnim delitvenim mehanizmom. Pri evkariontih so celični cikli in delitev bolj zapleteni ter vključujejo več faz, kondenzacijo kromosomov, mitotično vreteno in mehanizme razdelitve jedra in citoplazme — glejte mitozo.

Praktični pomen

Binarna delitev je osnova rasti bakterijskih kultur v raziskavah, industriji in medicini.
Poznavanje mehanizmov delitve pomaga pri razvoju antibiotikov (ciljanje na sintezo celične stene, FtsZ, delitvene proteine).
V mikrobiologiji je ritem delitve uporabljen za opazovanje rasti v fazah: lag, eksponentna (log), stacionarna in deklinacija.

Skupaj binarna delitev predstavlja učinkovit in preprost način razmnoževanja ter je temelj hitrega množenja bakterij v naravi in laboratoriju. Razumevanje natančnih molekularnih korakov omogoča tako temeljne biologije raziskave kot tudi praktične aplikacije v medicini in biotehnologiji.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je binarna fisija?

O: Binarna delitev je oblika nespolnega razmnoževanja, pri kateri se ena starševska celica razdeli na dve hčerinski celici z enakim genetskim materialom.

V: Kateri organizmi za razmnoževanje uporabljajo binarno delitev?

O: Binarno delitev najpogosteje uporabljajo prokarionti, kot so bakterije, in nekateri enocelični evkarionti, kot sta ameba in paramoecij.

V: Kako deluje binarna delitev?

O: Med binarno delitvijo popolnoma razvita starševska celica replicira svoj genski material in se nato razdeli na dve enako veliki hčerinski celici. Molekula DNK se razdeli in tvori dve molekuli, ki se pomakneta na nasprotni strani bakterije, medtem ko se celična membrana prav tako razdeli in tvori dve hčerinski celici. Po delitvi novi celici rasteta in proces se ponovi.

V: Ali je mitoza podobna binarni delitvi?

O: Čeprav oba procesa vključujeta delitev ene celice na dve, je mitoza bolj zapletena kot binarna delitev, saj se pojavlja v evkariontskih tkivnih celicah.

V: Ali so med replikacijo pri binarni delitvi možne mutacije?

O: Da, med replikacijo pri binarni delitvi lahko pride do mutacij, zaradi katerih se hčerinske celice, ki nastanejo, med seboj genetsko razlikujejo.

V: Ali vsi organizmi za razmnoževanje uporabljajo binarno delitev?

O: Ne, vsi organizmi za razmnoževanje ne uporabljajo binarne fuzije; nekateri organizmi se razmnožujejo s spolnim razmnoževanjem ali drugimi oblikami nespolnega razmnoževanja, kot sta brstenje ali fragmentacija.