Transformasjon, transduksjon og konjugering: genoverføring i prokaryoter

Prokaryoter er en av to typer celler på jorden. Den andre er eukaryoter. Prokaryoter er den minste av de to, mangler membranbundne organeller og en definert kjerne. Prokaryoter, som er bakterier og archaea, er for det meste encellede organismer.

Eukaryoter reproduserer seksuelt. I motsetning til eukaryoter, prokaryoter de reproduserer aseksuelt, og kopierer seg selv i en prosess som kalles binær fisjon. En ulempe for aseksuell reproduksjon er mangelen på genetisk varians fra generasjon til generasjon.

Seksuell reproduksjon øker genetisk varians, noe som gir arten beskyttelse mot miljøendringer som svingninger i ressurser eller rovdyrpopulasjoner, så vel som andre faktorer som en tilfeldig mutasjon som har potensial til å utslette det meste av en befolkning. Hvis det er mangfold i genbassenget er arten mer solid og tåler mange uforutsette vanskeligheter.

Prokaryoter har ikke fordelen av seksuell reproduksjon, men de har fortsatt muligheten til å øke genetisk mangfold gjennom flere typer genoverføring. En av de viktigste måtene prokaryoter (spesielt bakterier) engasjerer seg i genoverføring på, kalles transduksjon, og er avhengig av hjelp fra virus.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Prokaryoter er for det meste encellede organismer. De reproduserer aseksuelt gjennom en prosess som kalles binær fisjon. Det er tre typer genoverføring i prokaryoter som øker deres genetiske mangfold. De er transformasjon, konjugasjon og transduksjon.

Transduksjon er viktig på grunn av dens implikasjoner for vitenskapelig forskning og bakteriell antibiotikaresistens. Transduksjon skjer når et virus bruker en bakteriecelle til å replikere seg selv ved å kapre den.

Noen ganger pakker viruset ved et uhell noen av bakteriens DNA i en fag (viral cellekomponent) i stedet for sitt eget DNA. Hvis det skjer, vil fagen gå til en annen bakterie for å infisere den, men fagen vil bare injisere den første bakteriens DNA i mottakerbakterien, hvor DNA vil bli innlemmet.

Genoverføring blant archaea og spesielt bakterier blir noen ganger referert til som "horisontal" eller "lateral" genoverføring. Dette er fordi genetisk materiale blir ikke overført fra foreldrebakterieceller til avkomceller, men mellom bakterieceller av samme generasjon. Den genetiske informasjonen beveger seg horisontalt på slektstreet, i stedet for vertikalt.

Transduksjon ble oppdaget på 1950-tallet av mikrobiologene Norman Zinder og Joshua Lederberg da de studerte salmonella. Det er en av de viktigste typene genoverføringer, slik at bakterielt DNA kan bevege seg mellom celler.

Virus som infiserer bakterier, kalt bakteriofager, gjør transduksjon mulig. Siden de beveger seg fra en bakteriecelle til en annen som smittsomme midler, tar de noen ganger utilsiktet opp biter av bakterielt DNA fra en vertscelle og deponerer den i neste celle de binder seg til.

•••Vitenskap

•••Vitenskap

Virus kan ikke reprodusere alene. I stedet må de bruke den mer avanserte reproduktive cellebiologien til bakteriene for å lage kopier av seg selv. For å gjøre det kaprer bakteriofager vertsceller.

Når en bakteriofag møter en bakteriecelle, den binder seg til cellen og injiserer fag-DNA gjennom plasmamembranen i cellen. Der tar den kommandoen over cellens reproduktive oppførsel. I stedet for å replikere sitt eget genetiske materiale, begynner bakterien å replikere nytt fagpartikler - komponenter i virusceller.

Bakterienene blir nedbrutt av fagene under denne prosessen. Det som er igjen av bakterien er en replikeringsmaskin for viruset.

Viruset bruker bakteriecellen til å syntetisere proteinstillaset det trenger for komponentene. Noen ganger pakker det ved et uhell forsvunnet bakterie-DNA inn i noen av fagene sammen med det replikerte virale DNAet.

Når alt er klart, er viruset lyser bakteriecellen. Bakteriecellen sprekker opp, og frigjør fager for å binde seg til og infisere andre bakterieceller. Når de er bundet, vil noen av fagene injisere det bakterielle genetiske materialet de bærer i stedet for viralt DNA i den nye bakterien.

Fordi noen av fagene bare bærer biter av bakterielt DNA, kan de ikke infisere eller lysere den nye mottakercellen. Hvis donorbakteriell DNA passer inn i det nye bakteriekromosomet, vil cellen uttrykke genene som om de alltid hadde vært der.

Transduksjon kan raskt endre den genetiske sammensetningen av bakteriepopulasjoner, selv om de reproduserer aseksuelt. Denne typen genoverføring har potensiale for dype effekter på bakterier og habitatene de påvirker.

For eksempel er det kjent at mange bakteriestammer smitter og forårsaker sykdom hos mennesker og andre organismer. Antibiotika er en behandling som vanligvis er effektiv for å motvirke potensielt farlige eller til og med dødelige bakterieinfeksjoner. Noen bakteriestammer er spesielt vanskelige å utrydde, og krever veldig spesifikke antibiotika.

Det er derfor en stor bekymring når bakterier utvikler resistens mot antibiotika - uten bruk av antibiotika kan dette kulminere i infeksjoner som spres ukontrollert i kroppen.

Transduksjon spiller en rolle i antibiotikaresistens. Noen bakterieceller har en naturlig motstand mot antibiotika på cellemembranene, noe som gjør det vanskelig for antibiotika å binde seg der. Dette kan skyldes en tilfeldig mutasjon og vil ikke påvirke antibiotikas generelle effektivitet.

Imidlertid, hvis en bakteriofag infiserer en antibiotikaresistent bakteriecelle og deretter overfører det muterte genet til andre bakterieceller ved transduksjon, flere celler vil være antibiotikaresistente, og når de reproduserer ved binær fisjon, kan antall antibiotikaresistente bakterieceller øke eksponensielt.

Transduksjon har imidlertid positive implikasjoner for mennesker og andre høyere livsformer. Vitenskapelig forskning har fokusert på teknikker og resultater av kontrollert transduksjon med mange potensielle applikasjoner.

Noen forskere er interessert i å lage nye medisiner eller bedre medisiner. Andre er interessert i å lage genetisk modifiserte celler for å videreutvikle vitenskapelig forståelse av genetikk, eller for nye felt av medisinske behandlinger. De gjennomfører til og med eksperimenter for å observere transduksjon i ikke-bakterielle celler.

Transduksjon er ikke den eneste typen genoverføring i prokaryoter. Det er to mer fremtredende typer:

• Bøyning
• Transformasjon

Konjugering er lik transduksjon ved at DNA flyttes direkte fra en bakteriecelle til en annen. Det er imidlertid flere viktige forskjeller; mest spesielt er konjugering ikke avhengig av et virus for å lette genoverføringen.

Bakterier har gener utenfor bakteriekromosomstrukturen. Disse genene kalles plasmider og dannes vanligvis i ringer laget av doble helixer. Under konjugering vokser et plasmid i donorcellen en projeksjon som går ut av plasmamembran og bli med cellen til en mottakercelle. Når den er blitt med, overfører den en kopi av sitt nye DNA til mottakeren før de løsner.

Transformasjon er en metode for genoverføring som ble oppdaget på midten av 1900-tallet; denne oppdagelsen spilte en rolle i oppdagelsen at DNA er den arvede egenskapen for alt liv på jorden. Under transformasjon henter bakterier DNA fra miljøet utenfor cellen. Hvis det passer inn i bakteriene deres kromosom, blir det en del av deres permanente genetiske materiale.