در دنیای میکروبی، کسب و استفاده از مواد مغذی یک استراتژی بقای ظریف را نشان می دهد. باکتری اشریشیا کلی را در نظر بگیرید - هنگامی که لاکتوز به عنوان یک منبع انرژی بالقوه ارائه می شود، این باکتری ها به سادگی بین حالت های "روشن" و "خاموش" جابجا نمی شوند. در عوض، آنها از یک سیستم کنترل ژنتیکی پیچیده به نام lac اپران استفاده می کنند که مکانیسم های تنظیمی دوگانه آن، مهندسی دقیق طبیعت را نشان می دهد.

این خوشه ژنی باکتریایی به عنوان یک الگو برای تنظیم رونویسی عمل می کند، که به ویژه در E. coli به خوبی مشخص شده است. mRNA چند سیسترونی اپران، آنزیم های ضروری برای متابولیسم لاکتوز را رمزگذاری می کند:

• lacZ : β-گالاکتوزیداز را رمزگذاری می کند، که لاکتوز را به گلوکز و گالاکتوز هیدرولیز می کند
• lacY : لاکتوز نفوذپذیری را تولید می کند، یک انتقال دهنده غشایی برای جذب لاکتوز سلولی
• lacA : برای تییوگالاکتوزید ترانس استیلاز کد می کند، که به طور بالقوه در سم زدایی نقش دارد

• Promoter : محل اتصال برای RNA پلیمراز
• Operator : Lac ناحیه اتصال سرکوبگر که با پروموتر همپوشانی دارد
• CAP site : محل اتصال برای پروتئین فعال کننده کاتابولیت در بالادست پروموتر

این پروتئین تتریمریک، که به طور مداوم از lacI ژن مستقل بیان می شود، به عنوان یک سوئیچ مولکولی عمل می کند:

• در غیاب لاکتوز، اتصال اپراتور با میل ترکیبی بالا، رونویسی را مسدود می کند
• آلولوکتوز (یک ایزومر لاکتوز) تغییرات ساختاری را القا می کند که میل ترکیبی سرکوبگر-اپراتور را کاهش می دهد

پروتئین فعال کننده کاتابولیت (CAP) از طریق تنظیم وابسته به cAMP به عنوان یک تقویت کننده رونویسی عمل می کند:

• گلوکز کم، سطح cAMP را افزایش می دهد و CAP را فعال می کند
• کمپلکس CAP-cAMP اتصال RNA پلیمراز را در پروموتر افزایش می دهد

این سیستم منطق ترکیبی را از طریق حسگر محیطی دوگانه نشان می دهد:

1. Glucose+/Lactose- : سرکوبگر متصل، CAP غیرفعال - رونویسی خاموش
2. Glucose+/Lactose+ : سرکوبگر آزاد شده اما CAP غیرفعال - رونویسی پایه
3. Glucose-/Lactose- : CAP فعال اما سرکوبگر متصل - بدون رونویسی
4. Glucose-/Lactose+ : هم سرکوبگر آزاد شده و هم CAP فعال - القای حداکثری

این الگو تنظیمی فراهم می کند:

• بهره وری متابولیکی : استفاده ترجیحی از گلوکز، انرژی را حفظ می کند
• سازگاری محیطی : پاسخ انعطاف پذیر به در دسترس بودن مواد مغذی
• بنیاد علمی : اصول اساسی تنظیم ژن را ایجاد کرد

تحقیقات در حال انجام بررسی می کند:

• پویایی مولکولی تعاملات پروتئین-DNA
• اساس ساختاری هم افزایی CAP-RNA پلیمراز
• تغییرات تکاملی در سراسر گونه های باکتریایی

lac اپران همچنان به عنوان یک سیستم مدل و الهام بخش برای درک پیچیدگی و ظرافت تنظیم ژنتیکی عمل می کند.