In una cellula batterica alcune proteine vengono prodotte a ritmo costante, perché sono sempre necessarie; altre invece vengono prodotte solo quando il batterio ne ha bisogno. In questo caso la cellula dimostra di riconoscere una variazione chimica dell’ambiente esterno e di saper attivare o bloccare i suoi geni in relazione alla nuova situazione.

Il metabolismo del lattosio in Escherichia coli è un buon esempio per descrivere questa capacità di adattamento. Essendo un normale inquilino dell’intestino umano, E. coli deve essere capace di adattarsi agli improvvisi cambiamenti del suo ambiente. Il suo ospite può metterlo in contatto con un certo tipo di cibo e, poche ore dopo, con uno totalmente diverso. Queste variazioni costituiscono una sfida metabolica per il batterio.

La fonte di energia preferita da E. coli è il glucosio, lo zucchero più facile da metabolizzare, ma non tutto il cibo ingerito dall’ospite contiene un’elevata quantità di glucosio. Per esempio, il batterio può trovarsi improvvisamente sommerso dal latte, che contiene lo zucchero lattosio. Il lattosio è un disaccaride contenente una molecola di galattosio legata a una molecola di glucosio. Per essere assorbito e metabolizzato da E. coli, il lattosio deve subire l’azione di tre proteine, di cui una (chiamata β-galattosidasi) è un enzima che catalizza la scissione del legame tra i due monosaccaridi.

Quando E. coli cresce su un terreno contenente glucosio ma privo di lattosio, i livelli di queste tre proteine sono estremamente bassi: ovvero i geni che le codificano sono «repressi», cioè inattivi. Se però l’ambiente cambia e il lattosio diventa lo zucchero più abbondante, il batterio si affretta a produrre tutte e tre le proteine. Quindi i geni che codificano per queste proteine vengono attivati, cioè trascritti e tradotti; di conseguenza la concentrazione delle proteine nella cellula aumenta rapidamente.

In una cellula di E. coli che cresce su un terreno privo di lattosio si trovano soltanto due molecole di β-galattosidasi; la presenza di lattosio, invece, può indurre la sintesi di 3000 molecole di β-galattosidasi per ogni cellula!

Se dal terreno di coltura di E. coli si toglie il lattosio, la sintesi di β-galattosidasi si arresta quasi subito. Le molecole di enzima già prodotte non scompaiono, semplicemente si diluiscono nel corso delle successive divisioni cellulari finché la loro concentrazione all’interno di ogni cellula batterica ridiscende al livello iniziale.

I geni che codificano i tre enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio di E. coli vengono definiti geni strutturali, a indicare che specificano la struttura primaria (cioè la sequenza amminoacidica) di una proteina; in altre parole, sono geni trascrivibili in mRNA.