Μετασχηματισμός, Μεταγωγή & Σύζευξη: Μεταφορά γονιδίων στους Προκαρυώτες

Τα προκαρυωτικά είναι ένας από τους δύο τύπους κυττάρων στη Γη. Το άλλο είναι ευκαρυωτικά. Προκαρυώτες είναι το μικρότερο από τα δύο, στερούνται οργανικών μεμβρανών και καθορισμένου πυρήνα. Τα προκαρυωτικά, τα οποία είναι βακτήρια και αρχαία, είναι κυρίως μονοκύτταροι οργανισμοί.

Οι ευκαρυώτες αναπαράγονται σεξουαλικά. Διαφορετικός ευκαρυώτες, προκαρυώτες που αναπαράγονται άσεξα, αντιγράφοντας τους σε μια διαδικασία που ονομάζεται δυαδική σχάση. Ένα μειονέκτημα ασεξουαλική αναπαραγωγή είναι η έλλειψη γενετικής διακύμανσης από τη μία γενιά στην άλλη.

Η σεξουαλική αναπαραγωγή αυξάνει τη γενετική διακύμανση, η οποία παρέχει προστασία στο είδος από περιβαλλοντικές αλλαγές όπως οι διακυμάνσεις σε πόρους ή αρπακτικούς πληθυσμούς, καθώς και σε άλλους παράγοντες, όπως μια τυχαία μετάλλαξη που έχει τη δυνατότητα να εξαλείψει τα περισσότερα πληθυσμός. Αν υπάρχει ποικιλία Στην ομάδα γονιδίων, το είδος είναι πιο ανθεκτικό και μπορεί να αντέξει πολλές απρόβλεπτες δυσκολίες.

Οι προκαρυωτικοί δεν έχουν το όφελος της σεξουαλικής αναπαραγωγής, αλλά εξακολουθούν να έχουν την ικανότητα να αυξάνουν τη γενετική ποικιλομορφία μέσω διαφόρων τύπων μεταφοράς γονιδίων. Ένας από τους πιο σημαντικούς τρόπους με τους οποίους τα προκαρυωτικά (ειδικά τα βακτήρια) συμμετέχουν στη μεταφορά γονιδίων ονομάζεται μεταγωγή και βασίζεται στη βοήθεια των ιών.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Τα προκαρυωτικά είναι κυρίως μονοκύτταροι οργανισμοί. Αναπαράγονται άσεξα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται δυαδική σχάση. Υπάρχουν τρία είδη μεταφοράς γονιδίων στα προκαρυωτικά που αυξάνουν τη γενετική τους ποικιλομορφία. Είναι μετασχηματισμός, σύζευξη και μεταγωγή.

Η μεταγωγή είναι σημαντική λόγω των επιπτώσεών της στην επιστημονική έρευνα και στην αντοχή στα βακτηρίδια στα αντιβιοτικά. Η μεταγωγή συμβαίνει όταν ένας ιός χρησιμοποιεί ένα βακτηριακό κύτταρο για να αναπαράγει τον εαυτό του με αεροπειρατεία.

Μερικές φορές ο ιός συσκευάζει κατά λάθος μέρος του DNA των βακτηρίων σε φάγο (ιικό κυτταρικό συστατικό) αντί για το δικό του DNA. Εάν συμβεί αυτό, ο φάγος θα πάει σε άλλο βακτήριο για να το μολύνει, αλλά ο φάγος θα εγχύσει μόνο το DNA του πρώτου βακτηρίου στο βακτήριο δέκτη, όπου το DNA θα ενσωματωθεί.

Η μεταφορά γονιδίων μεταξύ της αρχαίας και ιδιαίτερα των βακτηρίων αναφέρεται μερικές φορές ως «οριζόντια» ή «πλευρική» μεταφορά γονιδίων. Αυτό είναι επειδή γενετικό υλικό δεν μεταβιβάζεται από γονικά βακτηριακά κύτταρα σε κύτταρα απογόνων, αλλά μεταξύ βακτηριακών κυττάρων της ίδιας γενιάς. Οι γενετικές πληροφορίες μετακινούνται οριζόντια στο οικογενειακό δέντρο, αντί κάθετα.

Η μεταγωγή ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1950 από μικροβιολόγους Norman Zinder και Joshua Lederberg καθώς μελέτησαν τη σαλμονέλα. Είναι ένας από τους πιο σημαντικούς τύπους μεταφοράς γονιδίων, επιτρέποντας στο βακτηριακό DNA να κινείται μεταξύ των κυττάρων.

Οι ιοί που μολύνουν βακτήρια, που ονομάζονται βακτηριοφάγοι, καθιστούν δυνατή τη μεταγωγή. Δεδομένου ότι μετακινούνται από το ένα βακτηριακό κύτταρο στο άλλο ως μολυσματικούς παράγοντες, μερικές φορές αρπάζουν κατά λάθος κομμάτια βακτηριακού DNA από ένα κύτταρο ξενιστή και το τοποθετούν στο επόμενο κύτταρο στο οποίο συνδέονται.

•••Επιστήμη

•••Επιστήμη

Οι ιοί δεν μπορούν να αναπαραχθούν από μόνα τους. Αντ 'αυτού, πρέπει να χρησιμοποιούν την πιο προηγμένη βιολογική αναπαραγωγική κυτταρική βιολογία των βακτηρίων για να δημιουργήσουν αντίγραφα από μόνα τους. Για να γίνει αυτό, τα βακτηριοφάγα παραβιάζουν κύτταρα ξενιστές.

Όταν ένας βακτηριοφάγος συναντά a βακτηριακό κύτταρο, συνδέεται με το κύτταρο και εγχέει DNA φάγου μέσω της μεμβράνης πλάσματος στο κύτταρο. Εκεί, αναλαμβάνει την αναπαραγωγική συμπεριφορά του κυττάρου. Αντί να αναπαράγει το δικό του γενετικό υλικό, το βακτήριο αρχίζει να αναπαράγεται νέο σωματίδια φάγου - συστατικά των κυττάρων του ιού.

Τα βακτηριακά γονίδια αποικοδομούνται από τους φάγους κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Αυτό που απομένει από το βακτήριο είναι μια μηχανή αναπαραγωγής για τον ιό.

Ο ιός χρησιμοποιεί το βακτηριακό κύτταρο για να συνθέσει το ικρίωμα πρωτεΐνης που χρειάζεται για τα συστατικά του. Μερικές φορές, συσκευάζει κατά λάθος αδέσποτο βακτηριακό DNA σε μερικούς από τους φάγους μαζί με το αντιγραφόμενο ιικό DNA.

Μόλις όλα είναι έτοιμα, ο ιός λύσεις το βακτηριακό κύτταρο. Το βακτηριακό κύτταρο εκρήγνυται, απελευθερώνοντας τους φάγους για σύνδεση και μόλυνση άλλων βακτηριακών κυττάρων. Μόλις δεσμευτούν, μερικοί από τους φάγους θα εγχύσουν το βακτηριακό γενετικό υλικό που μεταφέρουν αντί του ιικού DNA στο νέο βακτήριο.

Επειδή μερικοί από τους φάγους φέρουν μόνο κομμάτια βακτηριακού DNA, δεν μπορούν να μολύνουν ή να λύσουν το νέο κύτταρο-δέκτη. Εάν το βακτηριακό DNA του δότη ταιριάζει στο νέο βακτηριακό χρωμόσωμα, το κύτταρο θα εκφράσει τα γονίδια σαν να ήταν πάντα εκεί.

Η μεταγωγή μπορεί να αλλάξει γρήγορα τη γενετική σύνθεση των βακτηριακών πληθυσμών, παρόλο που αναπαράγονται άσεξα. Αυτός ο τύπος μεταφοράς γονιδίων έχει τη δυνατότητα για βαθιές επιπτώσεις στα βακτήρια και τους οικοτόπους που επηρεάζουν.

Για παράδειγμα, πολλά στελέχη βακτηρίων είναι γνωστό ότι μολύνουν και προκαλούν ασθένειες σε ανθρώπους και άλλους οργανισμούς. Τα αντιβιοτικά είναι μια θεραπεία που είναι συνήθως αποτελεσματική για την αντιμετώπιση πιθανών επικίνδυνων ή ακόμη και θανατηφόρων βακτηριακών λοιμώξεων. Μερικά βακτηριακά στελέχη είναι ιδιαίτερα δύσκολο να εξαλειφθούν και απαιτούν πολύ συγκεκριμένα αντιβιοτικά.

Επομένως, προκαλεί μεγάλη ανησυχία όταν τα βακτήρια αναπτύσσουν αντοχή στα αντιβιοτικά - χωρίς τη χρήση αντιβιοτικών, αυτό θα μπορούσε να κορυφωθεί σε λοιμώξεις που εξαπλώνονται στο σώμα ανεξέλεγκτες.

Η μεταγωγή παίζει ρόλο στην αντοχή στα αντιβιοτικά. Ορισμένα βακτηριακά κύτταρα έχουν μια φυσική αντίσταση στα αντιβιοτικά στις κυτταρικές τους μεμβράνες, καθιστώντας δύσκολο το αντιβιοτικό να δεσμευτεί εκεί. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε ένα τυχαία μετάλλαξη και δεν θα επηρεάσει τη συνολική αποτελεσματικότητα του αντιβιοτικού.

Ωστόσο, εάν ένας βακτηριοφάγος μολύνει βακτηριακό κύτταρο ανθεκτικό στα αντιβιοτικά και στη συνέχεια μεταφέρει αυτό το μεταλλαγμένο γονίδιο σε άλλα βακτηριακά κύτταρα με μεταγωγή, περισσότερα κύτταρα θα είναι ανθεκτικά στα αντιβιοτικά και καθώς αναπαράγονται με δυαδική σχάση, ο αριθμός των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηριακών κυττάρων θα μπορούσε να αυξηθεί εκθετικά.

Η μεταγωγή, ωστόσο, έχει θετικές επιπτώσεις για τον άνθρωπο και άλλες μορφές ανώτερης ζωής. Η επιστημονική έρευνα εστιάζει σε τεχνικές και αποτελέσματα ελεγχόμενης μεταγωγής με πολλές πιθανές εφαρμογές.

Μερικοί επιστήμονες ενδιαφέρονται να δημιουργήσουν νέα φάρμακα ή καλύτερη παράδοση φαρμάκων. Άλλοι ενδιαφέρονται να δημιουργήσουν γενετικά τροποποιημένα κύτταρα για περαιτέρω επιστημονική κατανόηση γενεσιολογίαή για νέους τομείς ιατρικών θεραπειών. Διεξάγουν ακόμη και πειράματα για την παρακολούθηση της μεταγωγής σε μη βακτηριακά κύτταρα.

Η μεταγωγή δεν είναι ο μόνος τύπος μεταφοράς γονιδίων σε προκαρυώτες. Υπάρχουν δύο πιο εμφανή είδη:

• Σύζευξη
• Μεταμόρφωση

Η σύζευξη είναι παρόμοια με τη μεταγωγή στο ότι το DNA μεταφέρεται απευθείας από ένα βακτηριακό κύτταρο στο άλλο. Υπάρχουν πολλές σημαντικές διαφορές, ωστόσο. Πιο συγκεκριμένα, η σύζευξη δεν βασίζεται σε έναν ιό για να διευκολύνει τη μεταφορά γονιδίων.

Τα βακτήρια έχουν γονίδια έξω από τη βακτηριακή δομή χρωμοσωμάτων. Αυτά τα γονίδια ονομάζονται πλασμίδια και συνήθως σχηματίζονται σε δακτυλίους κατασκευασμένους από διπλούς έλικες. Κατά τη σύζευξη, ένα πλασμίδιο στο κύτταρο δότη αναπτύσσει μια προβολή που βγαίνει από το μεμβράνη πλάσματος και συνδέστε το κελί σε ένα κελί παραλήπτη. Μόλις εγγραφεί, μεταφέρει ένα αντίγραφο του νέου του DNA στον παραλήπτη πριν αποσυνδεθούν.

Ο μετασχηματισμός είναι μια μέθοδος μεταφοράς γονιδίων που ανακαλύφθηκε στα μέσα του 20ού αιώνα. Αυτή η ανακάλυψη έπαιξε ρόλο στην ανακάλυψη ότι το DNA είναι η κληρονομική πληροφορία για όλη τη ζωή στη Γη. Κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού, τα βακτήρια συλλέγουν DNA από το περιβάλλον έξω από το κύτταρο. Εάν ταιριάζει στο βακτήριο τους χρωμόσωμα, γίνεται μέρος του μόνιμου γενετικού υλικού τους.