Trong thế giới vi sinh vật, việc thu nhận và sử dụng chất dinh dưỡng thể hiện một chiến lược sinh tồn tinh tế. Hãy xem xét Escherichia coli – khi được cung cấp lactose như một nguồn năng lượng tiềm năng, những vi khuẩn này không chỉ chuyển đổi giữa các trạng thái "bật" và "tắt". Thay vào đó, chúng sử dụng một hệ thống kiểm soát di truyền tinh vi được gọi là lac operon, với các cơ chế điều hòa kép thể hiện kỹ thuật chính xác của tự nhiên.

Cụm gen vi khuẩn này đóng vai trò là một mô hình cho sự điều hòa phiên mã, đặc biệt được nghiên cứu kỹ lưỡng ở E. coli . mRNA đa gen của operon mã hóa các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hóa lactose:

• lacZ : Mã hóa β-galactosidase, chất thủy phân lactose thành glucose và galactose
• lacY : Tạo ra lactose permease, một chất vận chuyển màng để tế bào hấp thụ lactose
• lacA : Mã hóa thiogalactoside transacetylase, có khả năng tham gia vào quá trình giải độc

• Promoter : Vị trí liên kết cho RNA polymerase
• Operator : Lac vùng liên kết của chất ức chế, chồng lấn với promoter
• Vị trí CAP : Vị trí liên kết cho protein hoạt hóa catabolite ở phía trên promoter

Protein tetrameric này, được biểu hiện liên tục từ gen lacI độc lập, hoạt động như một công tắc phân tử:

• Khi không có lactose, liên kết operator ái lực cao sẽ chặn phiên mã
• Allolactose (một đồng phân của lactose) gây ra những thay đổi về cấu trúc làm giảm ái lực của chất ức chế-operator

Protein hoạt hóa catabolite (CAP) đóng vai trò là một bộ khuếch đại phiên mã thông qua sự điều hòa phụ thuộc vào cAMP:

• Glucose thấp làm tăng mức cAMP, kích hoạt CAP
• Phức hợp CAP-cAMP tăng cường sự liên kết của RNA polymerase tại promoter

Hệ thống thể hiện logic tổ hợp thông qua cảm biến môi trường kép:

1. Glucose+/Lactose- : Chất ức chế liên kết, CAP không hoạt động – phiên mã bị tắt
2. Glucose+/Lactose+ : Chất ức chế được giải phóng nhưng CAP không hoạt động – phiên mã cơ bản
3. Glucose-/Lactose- : CAP hoạt động nhưng chất ức chế liên kết – không phiên mã
4. Glucose-/Lactose+ : Cả chất ức chế được giải phóng và CAP hoạt động – cảm ứng tối đa

Mô hình điều hòa này cung cấp:

• Hiệu quả trao đổi chất : Ưu tiên sử dụng glucose giúp tiết kiệm năng lượng
• Khả năng thích ứng với môi trường : Phản ứng linh hoạt với sự sẵn có của chất dinh dưỡng
• Nền tảng khoa học : Thiết lập các nguyên tắc cơ bản của điều hòa gen

Nghiên cứu đang diễn ra điều tra:

• Động lực học phân tử của tương tác protein-DNA
• Cơ sở cấu trúc của sự hiệp đồng CAP-RNA polymerase
• Các biến thể tiến hóa trên các loài vi khuẩn

lac operon tiếp tục đóng vai trò là một hệ thống mô hình và nguồn cảm hứng để hiểu sự phức tạp và tính thanh lịch của điều hòa di truyền.