טרנספורמציה, התמרה וצמידה: העברת גנים בפרוקריוטים

פרוקריוטים הם אחד משני סוגים של תאים על פני כדור הארץ. השני הוא אוקריוטים. פרוקריוטים הם הקטנים מבין השניים, חסרי אברונים הקשורים לקרום וגרעין מוגדר. פרוקריוטים, שהם חיידקים וארכאים, הם לרוב אורגניזמים חד תאיים.

אוקריוטים מתרבים מינית. בניגוד אקריוטים, פרוקריוטים שהם מתרבים מינית, ומעתיקים את עצמם בתהליך שנקרא פיצול בינארי. חסרון ל רבייה מינית הוא היעדר שונות גנטית מדור לדור.

רבייה מינית מגבירה את השונות הגנטית, המספקת הגנה למין מפני שינויים סביבתיים כגון תנודות במשאבים או אוכלוסיות טורפים, כמו גם גורמים אחרים כגון מוטציה אקראית שיש בה כדי למחוק את רוב אוּכְלוֹסִיָה. אם יש מגוון במאגר הגנים, המין חסון יותר ועמיד בפני קשיים רבים שלא צפויים מראש.

לפרוקריוטים אין יתרון של רבייה מינית, אך עדיין יש להם את היכולת להגביר את המגוון הגנטי באמצעות כמה סוגים של העברת גנים. אחת הדרכים החשובות ביותר בהן פרוקריוטים (במיוחד חיידקים) עוסקים בהעברת גנים נקראת התמרה, ונשענת על עזרת נגיפים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

פרוקריוטים הם בעיקר אורגניזמים חד תאיים. הם מתרבים מינית באמצעות תהליך הנקרא ביקוע בינארי. ישנם שלושה סוגים של העברת גנים בפרוקריוטים המגדילים את המגוון הגנטי שלהם. הם טרנספורמציה, צמידה והתמרה.

התמרה חשובה בגלל השלכותיה על מחקר מדעי ועמידות לאנטיביוטיקה חיידקית. התמרה מתרחשת כאשר וירוס משתמש בתא חיידקים כדי לשכפל את עצמו על ידי חטיפתו.

לפעמים הנגיף אריז בטעות חלק מה- DNA של החיידק בפאג (רכיב תאים נגיפי) במקום DNA משלו. אם זה יקרה, הפאג יעבור לחיידק אחר כדי להדביק אותו, אך הפאג רק יזריק את ה- DNA של החיידק הראשון לחיידק המקבל, שם ישולב ה- DNA.

העברת גנים בין ארכאות ובמיוחד חיידקים מכונה לעיתים העברת גנים "אופקית" או "רוחבית". זה בגלל ש חומר גנטי לא מועבר מתאי חיידקים הורים לתאי צאצאים, אלא בין תאי חיידק מאותו הדור. המידע הגנטי נע אופקית על עץ המשפחה, במקום אנכי.

התמרה התגלתה בשנות החמישים על ידי המיקרוביולוגים נורמן זינדר וג'ושוע לדרברג כשחקרו סלמונלה. זהו אחד הסוגים החשובים ביותר של העברות גנים, המאפשר לנו לעבור לדנ"א חיידקי בין תאים.

נגיפים המדביקים חיידקים, הנקראים בקטריופאגים, מאפשרים התמרה. מכיוון שהם עוברים מתא חיידקי אחד לאחר בתור גורמים זיהומיים, לעיתים הם תופסים בשגגה חתיכות DNA חיידקי מתא מארח אחד ומפקידים אותו בתא הבא אליו הם נקשרים.

•••מדע

•••מדע

וירוסים אינם יכולים להתרבות בכוחות עצמם. במקום זאת, עליהם להשתמש בביולוגיית תאי הרבייה המתקדמת יותר של החיידקים כדי ליצור עותקים של עצמם. לשם כך, חיידקי חיידקים חוטפים תאים מארחים.

כאשר חיידק פוגש א תא חיידקי, הוא נקשר לתא ומזריק DNA phage דרך קרום הפלזמה לתא. שם, זה לוקח פיקוד על התנהגות הרבייה של התא. במקום לשכפל את החומר הגנטי שלו, החיידק מתחיל לשכפל חדש חלקיקי פאג ' - רכיבים של תאי וירוס.

הגנים החיידקיים מתפרקים על ידי הפאג'ים במהלך תהליך זה. מה שנשאר מהחיידק הוא מכונת שכפול לנגיף.

הנגיף משתמש בתא החיידקים כדי לסנתז את פיגומי החלבון שהוא זקוק למרכיביו. לפעמים, הוא מארז בטעות DNA חיידקי תועה לחלק מהפאגים יחד עם ה- DNA הנגיפי המשוכפל.

ברגע שהכל מוכן, הנגיף פירוסים תא החיידקים. תא החיידק מתפרץ, משחרר את הפאג'ים להיקשר ולהדביק תאי חיידק אחרים. לאחר הכריכה, חלק מהפאגים יזריקו את החומר הגנטי החיידקי שהם נושאים במקום DNA ויראלי לחיידק החדש.

מכיוון שחלק מהפאגים נושאים רק פיסות DNA חיידקי, הם אינם יכולים להדביק או להבהיר את התא המקבל החדש. אם ה- DNA החיידקי התורם משתלב בכרומוזום החיידקי החדש, התא יביע את הגנים כאילו היו שם תמיד.

התמרה יכולה לשנות במהירות את ההרכב הגנטי של אוכלוסיות חיידקים למרות שהם מתרבים בצורה לא מינית. לסוג זה של העברת גנים יש פוטנציאל להשפעה עמוקה על חיידקים ועל בתי הגידול עליהם הם משפיעים.

לדוגמא, ידוע כי זנים רבים של חיידקים מדביקים וגורמים למחלות בבני אדם ובאורגניזמים אחרים. אנטיביוטיקה הינה טיפול היעיל בדרך כלל נגד זיהומים חיידקיים שעלולים להיות מסוכנים ואף קטלניים. כמה זני חיידקים קשים במיוחד למיגור, ודורשים אנטיביוטיקה מאוד ספציפית.

לכן יש דאגה רבה כאשר חיידקים מפתחים עמידות לאנטיביוטיקה - ללא שימוש באנטיביוטיקה, הדבר עלול להסתיים בזיהומים המתפשטים בגוף ללא פיקוח.

התמרה משחקת תפקיד בעמידות לאנטיביוטיקה. בחלק מתאי החיידק יש עמידות טבעית לאנטיביוטיקה בקרום התאים שלהם, מה שמקשה על האנטיביוטיקה להיקשר שם. זה יכול להיות בגלל א מוטציה אקראית ולא ישפיע על האפקטיביות הכוללת של האנטיביוטיקה.

עם זאת, אם בקטריופאג מדביק תא חיידקים עמיד לאנטיביוטיקה ואז מעביר את הגן המוטציה הזה לתאי חיידק אחרים על ידי התמרה. יותר תאים יהיו עמידים לאנטיביוטיקה, וככל שהם מתרבים על ידי ביקוע בינארי, מספר תאי החיידק העמידים לאנטיביוטיקה עשוי לגדול באופן אקספוננציאלי.

עם זאת, לתמרה יש השלכות חיוביות על בני אדם ועל צורות חיים גבוהות אחרות. מחקר מדעי התמקד בטכניקות ובתוצאות של התמרה מבוקרת עם יישומים פוטנציאליים רבים.

יש מדענים שמעוניינים ליצור תרופות חדשות או משלוח טוב יותר של תרופות. אחרים מעוניינים ליצור תאים מהונדסים להמשך הבנה מדעית של גנטיקה, או לתחומים חדשים של טיפולים רפואיים. הם אפילו עורכים ניסויים לתצפית על התמרה בתאים שאינם חיידקים.

התמרה היא לא הסוג היחיד של העברת גנים בפרוקריוטים. ישנם שני סוגים בולטים נוספים:

• נְטִיָה
• טרנספורמציה

הצמידה דומה להתמרה בכך ש- DNA מועבר ישירות מתא חיידקי אחד למשנהו. ישנם כמה הבדלים חשובים, עם זאת; בעיקר, הצמידה אינה מסתמכת על וירוס כדי להקל על העברת הגן.

לחיידקים יש גנים מחוץ למבנה הכרומוזום החיידקי. גנים אלה נקראים פלסמידים והם נוצרים בדרך כלל בטבעות העשויות סלילים כפולים. במהלך הצמידה, פלסמיד בתא התורם מצמיח השלכה שיוצאת מה- קרום פלזמה והצטרף לתא לתא מקבל. לאחר הצטרפותו, הוא מעביר עותק של ה- DNA החדש שלו למקבל לפני שיתנתק.

טרנספורמציה היא שיטת העברת גנים שהתגלתה באמצע המאה ה -20; גילוי זה מילא תפקיד בגילוי ש- DNA הוא המידע המאפיין בתורשה לכל החיים על פני כדור הארץ. במהלך הטרנספורמציה, חיידקים קולטים DNA מהסביבה שמחוץ לתא. אם זה משתלב בחיידק שלהם כרומוזום, זה הופך להיות חלק מהחומר הגנטי הקבוע שלהם.