Prokarüoodid on üks kahest tüüpi rakkudest Maal. Teine on eukarüootid. Prokarüootid on neist kahest väiksemad, puuduvad membraaniga seotud organellid ja määratletud tuum. Prokarüoodid, mis on bakterid ja arheed, on enamasti üherakulised organismid.
Eukarüoodid paljunevad sugulisel teel. Erinevalt eukarüootid, prokarüootid paljunevad mittesuguliselt, kopeerides end nn protsessis binaarne lõhustumise. Puuduseks mittesuguline paljunemine on geneetilise varieeruvuse puudumine põlvkonniti.
Suguline paljunemine suurendab geneetilist varieeruvust, mis kaitseb liiki keskkonnamuutuste, näiteks kõikumiste eest ressursside või kiskjate populatsioonides, samuti muid tegureid, nagu juhuslik mutatsioon, mis võib suurema osa elanikkonnast. Kui seal on mitmekesisus geenivaramus on liik tugevam ja talub paljusid ettenägematuid raskusi.
Prokarüootidel pole sugulise paljunemise eeliseid, kuid neil on siiski võimalus geneetilist mitmekesisust mitut tüüpi geenisiirde kaudu suurendada. Üks olulisemaid viise, kuidas prokarüootid (eriti bakterid) geeniülekandes osalevad, nimetatakse transduktsiooniks ja see sõltub viiruste abist.
TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)
Prokarüoodid on enamasti üherakulised organismid. Nad paljunevad mittesuguliselt protsessi kaudu, mida nimetatakse binaarseks lõhustumiseks. Prokarüootides on kolme tüüpi geenisiirdeid, mis suurendavad nende geneetilist mitmekesisust. Need on transformatsioon, konjugatsioon ja transduktsioon.
Transduktsioon on oluline teadusliku uurimistöö ja bakterite antibiootikumiresistentsuse tõttu. Transduktsioon toimub siis, kui viirus kasutab bakterirakku enda kaaperdamiseks paljunemiseks.
Mõnikord pakib viirus osa bakterite DNA-st kogemata oma DNA asemel faagisse (viirusrakkude komponent). Kui see juhtub, läheb faag selle nakatamiseks mõnele teisele bakterile, kuid faag süstib esimese bakteri DNA ainult vastuvõtvasse bakterisse, kuhu DNA inkorporeeritakse.
Mis on transduktsioon prokarüootides?
Arheia ja eriti bakterite vahelist geeniülekannet nimetatakse mõnikord “horisontaalseks” või “külgmiseks” geeniülekandeks. See on sellepärast, et geneetiline materjal ei kandu edasi algbakterirakkudelt järglaste rakkudele, vaid sama põlvkonna bakterirakkude vahel. Geneetiline teave liigub sugupuul vertikaalselt horisontaalselt.
Transduktsiooni avastasid 1950. aastatel mikrobioloogid Norman Zinder ja Joshua Lederberg salmonelloosi uurides. See on üks olulisemaid geenisiirde tüüpe, mis võimaldab bakterite DNA-l rakkude vahel liikuda.
Baktereid nakatavad viirused, mida nimetatakse bakteriofaagideks, võimaldavad transduktsiooni. Kuna nad liiguvad nakkusetekitajatena ühest bakterirakust teise, haaravad nad mõnikord tahtmatult ühest peremeesrakust bakteriaalse DNA tükid ja ladestavad selle järgmisse rakku, millega nad seonduvad.
•••Teadmine
•••Teadmine
Bakterite ülekandeprotsess
Viirused ei saa iseseisvalt paljuneda. Selle asemel peavad nad endast koopiate tegemiseks kasutama bakterite arenenumat paljunemisrakkude bioloogiat. Selleks kaaperdavad bakteriofaagid peremeesrakud.
Kui bakteriofaag kohtub a bakterirakk, seondub see rakuga ja süstib faagi DNA läbi plasmamembraani rakku. Seal juhib ta raku reproduktiivset käitumist. Oma geneetilise materjali paljundamise asemel hakkab bakter paljunema uut faagiosakesed - viirusrakkude komponendid.
Selle protsessi käigus lagundavad faagid bakterigeene. Bakterist on järele jäänud viiruse paljunemismasin.
Viirus kasutab bakterirakku oma komponentide jaoks vajaliku valgu tellingute sünteesimiseks. Mõnikord pakib see kogemata hulkuva bakteriaalse DNA koos paljunenud viiruse DNA-ga mõnele faagile.
Kui kõik on valmis, viirus lüüsid bakterirakk. Bakterirakk puruneb lahti, vabastades faagid teiste bakterirakkudega seondumiseks ja nakatamiseks. Pärast seondumist süstivad mõned faagid uude bakterisse viiruse DNA asemel bakteriaalse geneetilise materjali, mida nad kannavad.
Kuna mõned faagid kannavad ainult bakteriaalse DNA tükke, ei saa nad uut retsipientrakku nakatada ega lüüsida. Kui doonorbakteri DNA sobib uude bakterikromosoomi, siis ekspresseerib rakk geene nii, nagu oleksid nad seal alati olnud.
Miks on transduktsioon oluline?
Transduktsioon võib kiiresti muuta bakteripopulatsioonide geneetilist koosseisu, kuigi nad paljunevad mittesuguliselt. Seda tüüpi geenisiirdel võib olla sügav mõju bakteritele ja nende mõjutatud elupaikadele.
Näiteks on teada, et paljud bakteritüved nakatavad ja põhjustavad haigusi inimestel ja teistel organismidel. Antibiootikumid on ravi, mis on tavaliselt tõhus potentsiaalselt ohtlike või isegi surmaga lõppevate bakteriaalsete infektsioonide vastu võitlemiseks. Mõningaid bakteritüvesid on eriti raske välja juurida ja need vajavad väga spetsiifilisi antibiootikume.
Seetõttu on see väga murettekitav, kui bakteritel tekib resistentsus antibiootikumide suhtes - ilma antibiootikumide kasutamiseta võib see kulmineeruda infektsioonidega, mis levivad kehas kontrollimatult.
Transduktsioon mängib rolli antibiootikumiresistentsuses. Mõnel bakterirakul on rakumembraanides loomulik resistentsus antibiootikumide suhtes, mistõttu antibiootikumil on raske seal seonduda. Selle põhjuseks võib olla a juhuslik mutatsioon ja see ei mõjutaks antibiootikumi üldist efektiivsust.
Kui aga bakteriofaag nakatab antibiootikumiresistentse bakteriraku ja kannab seejärel selle muteerunud geeni transduktsiooni teel teistele bakterirakkudele, rohkem rakke on antibiootikumiresistentsed ja kui nad paljunevad binaarse lõhustumise teel, võib antibiootikumiresistentsete bakterirakkude arv suureneda eksponentsiaalselt.
Transduktsiooni kasutamine meditsiinis
Transduktsioonil on aga positiivne mõju inimestele ja teistele kõrgematele eluvormidele. Teaduslikud uuringud on keskendunud paljude potentsiaalsete rakendustega kontrollitud transduktsiooni tehnikatele ja tulemustele.
Mõned teadlased on huvitatud uute ravimite loomisest või ravimite paremast kohaletoimetamisest. Teised on huvitatud geneetiliselt muundatud rakkude loomisest, et teadust paremini mõista geneetikavõi uute ravivaldkondade jaoks. Nad teevad isegi katseid, et jälgida transduktsiooni mitte-bakterirakkudes.
DNA ülekande muud vormid
Transduktsioon pole prokarüootides ainus geenisiirde tüüp. On veel kahte silmapaistvat tüüpi:
- Konjugatsioon
- Muutumine
Konjugatsioon sarnaneb transduktsiooniga, kuna DNA viiakse otse ühest bakterirakust teise. Siiski on mitmeid olulisi erinevusi; kõige olulisem on see, et konjugatsioon ei tugine geeniülekande hõlbustamisel viirusele.
Bakteritel on geenid väljaspool bakteriaalse kromosoomi struktuuri. Neid geene nimetatakse plasmiidideks ja need moodustuvad tavaliselt kahekordsetest heeliksitest koosnevates rõngastes. Konjugatsiooni ajal kasvab doonoriraku plasmiidil projektsioon, mis väljub doonorrakust plasmamembraan ja ühendage lahter vastuvõtjarakuga. Pärast liitumist edastab see uue DNA koopia vastuvõtjale enne nende eraldumist.
Transformatsioon on geenisiirde meetod, mis avastati 20. sajandi keskel; see avastus mängis rolli avastuses, et DNA on kogu Maa elu päritud teave pärilike omaduste kohta. Transformatsiooni käigus korjavad bakterid DNA rakuvälisest keskkonnast. Kui see sobib nende bakterisse kromosoom, muutub see nende püsiva geneetilise materjali osaks.