Nel mondo microbico, l'acquisizione e l'utilizzo dei nutrienti rappresentano una squisita strategia di sopravvivenza. Considera Escherichia coli: quando si presenta con il lattosio come potenziale fonte di energia, questi batteri non si limitano a passare da stati "on" e "off". Invece, impiegano un sofisticato sistema di controllo genetico chiamato lac operone, i cui meccanismi di regolazione duali esemplificano l'ingegneria di precisione della natura.

Questo cluster genico batterico funge da paradigma per la regolazione trascrizionale, particolarmente ben caratterizzato in E. coli . L'mRNA policistronico dell'operone codifica per enzimi essenziali per il metabolismo del lattosio:

• lacZ : Codifica per la β-galattosidasi, che idrolizza il lattosio in glucosio e galattosio
• lacY : Produce la lattosio permeasi, un trasportatore di membrana per l'assorbimento cellulare del lattosio
• lacA : Codifica per la tiogalattoside transacetilasi, potenzialmente coinvolta nella disintossicazione

• Promotore : Sito di legame per l'RNA polimerasi
• Operatore : Lac regione di legame del repressore che si sovrappone al promotore
• Sito CAP : Sito di legame per la proteina attivatore del catabolita a monte del promotore

Questa proteina tetramerica, espressa costitutivamente dal gene indipendente lacI , funziona come un interruttore molecolare:

• In assenza di lattosio, il legame con l'operatore ad alta affinità blocca la trascrizione
• L'allolattosio (un isomero del lattosio) induce cambiamenti conformazionali che riducono l'affinità repressore-operatore

La proteina attivatore del catabolita (CAP) funge da amplificatore trascrizionale attraverso la regolazione dipendente da cAMP:

• Bassi livelli di glucosio aumentano i livelli di cAMP, attivando CAP
• Il complesso CAP-cAMP aumenta il legame dell'RNA polimerasi al promotore

Il sistema dimostra una logica combinatoria attraverso il rilevamento ambientale duale:

1. Glucosio+/Lattosio- : Repressore legato, CAP inattivo – trascrizione silenziata
2. Glucosio+/Lattosio+ : Repressore rilasciato ma CAP inattivo – trascrizione basale
3. Glucosio-/Lattosio- : CAP attivo ma repressore legato – nessuna trascrizione
4. Glucosio-/Lattosio+ : Sia il repressore rilasciato che il CAP attivo – induzione massima

Questo paradigma regolatorio fornisce:

• Efficienza metabolica : L'utilizzo preferenziale del glucosio conserva l'energia
• Adattabilità ambientale : Risposta flessibile alla disponibilità di nutrienti
• Fondamento scientifico : Ha stabilito i principi fondamentali della regolazione genica

La ricerca in corso indaga:

• Dinamiche molecolari delle interazioni proteina-DNA
• Base strutturale della sinergia CAP-RNA polimerasi
• Variazioni evolutive tra le specie batteriche

L' lac operone continua a fungere sia da sistema modello che da ispirazione per la comprensione della complessità e dell'eleganza della regolazione genetica.