Mikrobiologia/Wymiana informacji genetycznej

Wymiana informacji genetycznej

Niektóre procesy charakterystyczne dla zwierząt i roślin wyższych spotykane są, choć zazwyczaj uproszczone, w świecie bakterii. Wspomniane organizmy eukariotyczne mają możliwość, dzięki zapłodnieniu - połączeniu dwóch haploidalnych gamet niosących zazwyczaj różne informacje, w jedną diploidalną zygotę, dziedziczącą cechy obu rodziców (nota ta została uproszczona i przedstawiona w bardzo ogólny sposób - dokładniejsze informacje znajdziesz w kursie genetyki). Rozmnażanie się bakterii polega oczywiście na czymś innym - jest rozmnażaniem bezpłciowym, przez podział amitotyczny, jednak te prymitywne organizmy wykształciły pewne metody, w których nie trudno doszukać się analogii do świata organizmów stojących na wyższym szczeblu drabiny ewolucyjnej. Do procesów takich zaliczyć można transdukcję, transformację i koniuguację, jednak określanie ich jako procesy płciowe jest już raczej przesadą. Dla autorów niektórych podręczników nie jest to takie oczywiste, aczkolwiek prosta analiza logiczna (tj. zadanie pytań: jak transformacja może być "płciowa" skoro tam nie ma ani jednej płci?, albo czy procesem płciowym bakterii jest przeniesienie materiału genetycznego przez faga?) wskazuje, że bezpieczniejsze i bardziej logiczne pozostaje określanie tych procesów, jako parapłciowe (przekładając z polskiego na "nasze": równoległe do płciowego albo przypominające proces płciowy). Jedynie koniugacja może być uznawana za proces płciowy, ponieważ następuje tam łączenie się organizmów o dwóch "płciach": F+ i F-, jednak słuszniejszym wydaje się być zaproponowane wcześniej określenie.

Transdukcja

Rzut oka

Wektor to przenosiciel. Dla materiału genetycznego wektorem są bakteriofagi, plazmidy lub inne konstrukty genetyczne, zaś dla chorób zakaźnych zazwyczaj stawonogi. (opis w Wikipedii)

Transdukcja jest procesem, który był wielokrotnie wykorzystywany przez człowieka w minionych latach, o czym za chwilę dokładniej. Aby mogło dojść do tego procesu, niezbędna jest obecność wektora. Wektorem w tym przypadku są bakteryjne wirusy - bakteriofagi, zwane także w skrócie fagami. Fag w czasie swojego cyklu namnażania się w komórce może, po zbudowaniu kapsydu (białkowego elementu tworzącego otoczkę dla kwasu nukleinowgo), błędnie "załadować" go nieswoim kwasem nukleinowym (na schemacie element 3). Taki bakteriofag w dalszej kolejności może zainfekować kolejną bakterię (4) i "wstrzyknąć" DNA pochodzące od innej (ze względu na właściwości wielu fagów można rzec, że spokrewnionej) bakterii. U zakażonej wirusem bakterii "nowy" kwas nukleinowy zastąpi miejsce "starego" lub wbuduje się w istniejący (5, 6). Bakteria w ten sposób zdolna jest do pozyskania nowych właściwości. Tym samym jest zdolna do przecierania nowych szlaków: szlaków metaboliczych (rzecz jasna!), uzyskania oporności na antybiotyki itp.:

Okazuje się to mieć rzeczywiście duże znaczenia na tym polu. Namacalne zmiany możemy prześledzić na przykładzie chorobotwórczej dla człowieka bakterii - maczugowca błonicy (Corynebacterium diphteriae). Okazuje się bowiem, że nie zakażone fagiem β bakterie są w stanie wywołać objawy miejscowe, które muszą trwać bardzo długo, aby były niebezpieczne. Sytuacja zmienia się, jednak, jeśli maczugowiec zostanie zainfekowany fagiem. Możliwe jest (a, co gorsza również prawdopodobne!), że w swym kapsydzie bakteriofag przenosi informację genetyczną, która bakterii umożliwi produkcję toksyny, która wywołuje różnorakie porażenia, na porażeniach mięśnia sercowego kończąc (proszę jednak zauważyć, że "kończąc" przy okazji żywot chorego). Sam proces nabierania zjadliwości przez bakterię w wyniku zakażenia bakteriofagiem nazywamy konwersją fagową.
Odkrywcy tego procesu - Joshua Lederberg i Norton Zinder, tłumacząc ten proces użyli bardzo trafnego porównania, mianowicie nazwali faga kopertą, a informację genetyczną listem.
Proces ten był wykorzystywany także przy zwiększaniu lekooporności dla uzyskania środków bioterrorystycznych, jednak zazwyczaj źle wpływało to na wirulencję (zjadliwość). Co ciekawe jeden z zakładów w pobliżu Nowosybirska zajmujący się badaniami nad wielolekoopornością niektórych patogenów, wykorzystujący opisaną metodę nazwany został Wektorem.

Transformacja

Rzut oka

Wyróżniamy dwa główne typy transportu: niewymagający nakładów energii ze strony komórki - transport bierny oraz kosztowny energetycznie transport aktywny. Ten pierwszy zazwyczaj zachodzi na zasadzie gradientu stężeń. (opis w Wikipedii)

Transformacja jest procesem zachodzącym bez udziału żadnego wektora. Proces ten polega na "pochłonięciu", czy mówiąc bardziej naukowo przepchnięciu przez ścianę i błonę komórkową, pojedynczych nici DNA pierwotnie znajdujących się poza komórką. Możliwe jest to dzięki wytworzeniu systemu aktywnego transportu - zbudowaniu wyspecjalizowanych białek, który przez oddziaływanie z cząsteczką DNA umożliwi jej przetransportowanie do wnętrza komórki. Proces ten dotyczy głównie bakterii wolnożyjących (tzn. niepasożytujących). Proces ten ma podobne znaczenie dla bakterii, jak transdukcja. Proces ten został odkryty przez Fredericka Griffitha w 1928 roku przy pracach nad pneumokokami, a wyjaśniony w 1944 przez O. T. Avery'ego i jego współpracowników. Więcej o doświadczeniu przeczytać można tu.
W warunkach laboratoryjnych możliwe jest pobudzenie do zajścia zbliżonego efektem, lecz zachodzącego bez wspomnianych "specjalistycznych" białek procesu - transformacji sztucznej. Uzyskanie tego możliwe jest przez poddanie bakterii wstrząsowi - głównie chemicznemu i elektrycznemu, co umożliwia "przetłoczenie" cząsteczki kwasu nukleinowego. Możliwe jest zajście na tej drodze transformacji u bakterii niewytwarzających wyspecjalizowanych białek. Jako metoda laboratoryjna obecnie ma małe znaczenie.

Koniugacja

zjawisko i proces przekazywania chromosomalnego lub episomalnego DNA z jednej bakterii do drugiej.Proces ten przebiega poprzez bezpośredni kontakt bakterii polegajacy na tworzeniu mostków pomiędzy komórkami przy udziale fimbrii, zawnych fimbriami płciowymi. W procesie tym wyróżniamy komórę dawcy określana czesto jako męską lub F+ to ona posiada materiał i możliwość przekazania go oraz komórkę biorcy żeńską lub F- nie posiadająca materiału ani możliwości przekazania go.

Pytania

1. Co jest korzystniejsze dla bakterii: wymienione formy wymiany genetycznej, czy mutacje? Dlaczego?
2. Dlaczego na schemacie przedstawiającym transdukcję wirusy będące wektorami (przenoszący bakteryjny - "zielony", DNA) zawierają też trochę właściwego, wirusowego DNA? (jeśli nie znasz odpowiedzi na to pytanie teraz to powróć do niego po omówieniu wirusologii!)
3. Dlaczego w procesie transormacji to jednoniciowy DNA jest transportowany do wnętrza komórki (dwuniciowy DNA jest cięty i trawiony!)?
4. Dlaczego większość bakterii pasożytniczych nie jest zdolna do wytworzenia białek biorących udział w transformacji naturalnej? Wskazówka: odpowiedz na to pytanie biorąc pod uwagę mikroflorę jelit.

Odpowiedzi