Трансформация, трансдукция и конюгация: Генен трансфер в прокариоти

Прокариотите са един от двата вида клетки на Земята. Другото е еукариотите. Прокариоти са по-малката от двете, липсващи мембранно свързани органели и определено ядро. Прокариотите, които са бактерии и археи, са предимно едноклетъчни организми.

Еукариотите се размножават по полов път. За разлика от еукариоти, прокариотите се възпроизвеждат безполово, копирайки се в процес, наречен бинарно делене. Недостатък на безполово размножаване е липсата на генетична вариация от едно поколение на друго.

Сексуалното размножаване увеличава генетичните вариации, което осигурява защита на видовете срещу промени в околната среда като колебания в ресурси или популации на хищници, както и други фактори като случайна мутация, която има потенциал да унищожи по-голямата част от население. Ако има разнообразие в генофонда видът е по-здрав и може да издържи на много непредвидени трудности.

Прокариотите нямат предимството на сексуалното размножаване, но все пак имат способността да увеличават генетичното разнообразие чрез няколко вида генен трансфер. Един от най-важните начини, по който прокариотите (особено бактериите) участват в генния трансфер, се нарича трансдукция и разчита на помощта на вируси.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Прокариотите са предимно едноклетъчни организми. Те се размножават безполово чрез процес, наречен бинарно делене. Има три вида генен трансфер в прокариотите, които увеличават тяхното генетично разнообразие. Те са трансформация, конюгация и трансдукция.

Трансдукцията е важна поради нейните последици за научните изследвания и устойчивостта на бактериални антибиотици. Трансдукцията се случва, когато вирус използва бактериална клетка, за да се репликира, като я отвлече.

Понякога вирусът случайно пакетира част от ДНК на бактерията във фаг (вирусен клетъчен компонент), вместо в собствената си ДНК. Ако това се случи, фагът ще отиде при друга бактерия, за да я зарази, но фагът ще инжектира само ДНК на първата бактерия в бактерията реципиент, където ДНК ще бъде включена.

Генетичният трансфер сред археите и особено бактериите понякога се нарича „хоризонтален“ или „страничен“ генен трансфер. Това е така, защото генетичен материал не се предава от родителски бактериални клетки към потомствени клетки, а между бактериални клетки от същото поколение. Генетичната информация се движи хоризонтално върху родословното дърво, вместо вертикално.

Трансдукцията е открита през 50-те години на миналия век от микробиолозите Норман Зиндер и Джошуа Ледерберг, докато са изучавали салмонела. Това е един от най-важните видове генни трансфери, позволяващ на бактериалната ДНК да се движи между клетките.

Вирусите, които заразяват бактериите, наречени бактериофаги, правят трансдукцията възможна. Тъй като те се преместват от една бактериална клетка в друга като инфекциозни агенти, те понякога неволно улавят парчета бактериална ДНК от една клетка гостоприемник и я депонират в следващата клетка, с която се свързват.

•••Наука

•••Наука

Вирусите не могат да се размножават сами. Вместо това те трябва да използват по-напредналата репродуктивна клетъчна биология на бактериите, за да направят копия на себе си. За целта бактериофагите отвличат клетки гостоприемници.

Когато бактериофаг срещне a бактериална клетка, той се свързва с клетката и инжектира фагова ДНК през плазмената мембрана в клетката. Там той поема командването на репродуктивното поведение на клетката. Вместо да репликира собствения си генетичен материал, бактерията започва да репликира нов фагови частици - компоненти на вирусни клетки.

Гените на бактериите се разграждат от фагите по време на този процес. Това, което е останало от бактерията, е машина за репликация на вируса.

Вирусът използва бактериалната клетка, за да синтезира протеиновото скеле, от което се нуждае за своите компоненти. Понякога случайно пакетира безстопанствена бактериална ДНК в някои от фагите заедно с репликираната вирусна ДНК.

След като всичко е готово, вирусът лизи бактериалната клетка. Бактериалната клетка се отваря, освобождавайки фагите, за да се свържат и заразят други бактериални клетки. След като бъдат свързани, някои от фагите ще инжектират бактериалния генетичен материал, който носят, вместо вирусна ДНК в новата бактерия.

Тъй като някои от фагите носят само парчета бактериална ДНК, те не могат да заразят или лизират новата реципиентна клетка. Ако донорната бактериална ДНК се впише в новата бактериална хромозома, клетката ще експресира гените, сякаш винаги са били там.

Трансдукцията може бързо да промени генетичния състав на бактериалните популации, въпреки че те се размножават безполово. Този тип генен трансфер има потенциал за дълбоки ефекти върху бактериите и местообитанията, които те засягат.

Например, известно е, че много щамове бактерии заразяват и причиняват болести при хора и други организми. Антибиотиците са лечение, което обикновено е ефективно за противодействие на потенциално опасни или дори фатални бактериални инфекции. Някои бактериални щамове са особено трудни за унищожаване и изискват много специфични антибиотици.

Следователно е от голямо безпокойство, когато бактериите развият резистентност към антибиотици - без използването на антибиотици, това може да завърши с инфекции, които се разпространяват в тялото непроверено.

Трансдукцията играе роля в антибиотичната резистентност. Някои бактериални клетки имат естествена устойчивост на антибиотици в клетъчните си мембрани, което затруднява антибиотика да се свърже там. Това може да се дължи на a случайна мутация и няма да повлияе на общата ефективност на антибиотика.

Ако обаче бактериофаг заразява устойчива на антибиотици бактериална клетка и след това пренася този мутирал ген в други бактериални клетки чрез трансдукция, повече клетки ще бъдат устойчиви на антибиотици и тъй като те се възпроизвеждат чрез бинарно делене, броят на устойчивите на антибиотици бактериални клетки може да се увеличи експоненциално.

Трансдукцията обаче има положителни последици за хората и други висши форми на живот. Научните изследвания се фокусират върху техниките и резултатите от контролираната трансдукция с много потенциални приложения.

Някои учени се интересуват от създаването на нови лекарства или по-добра доставка на лекарства. Други се интересуват от създаването на генетично модифицирани клетки за по-нататъшно научно разбиране на генетикаили за нови области на медицинско лечение. Те дори провеждат експерименти, за да наблюдават трансдукцията в небактериални клетки.

Трансдукцията не е единственият вид генен трансфер при прокариотите. Има още два известни вида:

• Конюгация
• Трансформация

Конюгацията е подобна на трансдукцията, тъй като ДНК се премества директно от една бактериална клетка в друга. Има обаче няколко важни разлики; най-вече конюгацията не разчита на вирус за улесняване на генния трансфер.

Бактериите имат гени извън структурата на бактериалната хромозома. Тези гени се наричат ​​плазмиди и обикновено се образуват в пръстени, направени от двойни спирали. По време на конюгацията, плазмид в донорната клетка расте проекция, която излиза от плазмената мембрана и присъединете клетката към клетка получател. След като се присъедини, той прехвърля копие от новата си ДНК на получателя, преди да се откачат.

Трансформацията е метод за генен трансфер, открит в средата на 20-ти век; това откритие изигра роля в откритието, че ДНК е наследствената информация за целия живот на Земята. По време на трансформацията бактериите улавят ДНК от околната среда извън клетката. Ако се вписва в тяхната бактериална хромозома, става част от техния постоянен генетичен материал.