Prokaryoter är en av två typer av celler på jorden. Den andra är eukaryoter. Prokaryoter är de mindre av de två, utan membranbundna organeller och en definierad kärna. Prokaryoter, som är bakterier och archaea, är mestadels encelliga organismer.
Eukaryoter reproducerar sexuellt. Till skillnad från eukaryoter, prokaryoter de reproducerar asexually och kopierar sig själva i en process som kallas binär fission. En nackdel med asexuell fortplantning är bristen på genetisk varians från en generation till en annan.
Sexuell reproduktion ökar den genetiska variationen, vilket ger arten skydd mot miljöförändringar som fluktuationer i resurser eller rovdjurspopulationer, liksom andra faktorer som en slumpmässig mutation som har potential att utplåna det mesta av en befolkning. Om det är mångfald i genpoolen är arten mer robust och tål många oförutsedda svårigheter.
Prokaryoter har inte fördelen med sexuell reproduktion, men de har fortfarande förmågan att öka den genetiska mångfalden genom flera typer av genöverföring. Ett av de viktigaste sätten som prokaryoter (särskilt bakterier) engagerar sig i genöverföring kallas transduktion och förlitar sig på hjälp av virus.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Prokaryoter är mestadels encelliga organismer. De reproducerar asexually genom en process som kallas binär fission. Det finns tre typer av genöverföring i prokaryoter som ökar deras genetiska mångfald. De är transformation, konjugering och transduktion.
Transduktion är viktig på grund av dess konsekvenser för vetenskaplig forskning och bakteriell antibiotikaresistens. Transduktion sker när ett virus använder en bakteriecell för att replikera sig själv genom att kapa den.
Ibland packar viruset av misstag en del av bakteriens DNA i en fag (viral cellkomponent) istället för sitt eget DNA. Om det händer kommer fagen att gå till en annan bakterie för att infektera den, men fagen kommer bara att injicera den första bakteriens DNA i den mottagande bakterien, där DNA kommer att införlivas.
Vad är transduktion i prokaryoter?
Genöverföring mellan archaea och särskilt bakterier kallas ibland för "horisontell" eller "lateral" genöverföring. Det här är för att genetiskt material överförs inte från överordnade bakterieceller till avkommaceller utan mellan bakterieceller av samma generation. Den genetiska informationen rör sig horisontellt på släktträdet istället för vertikalt.
Transduktion upptäcktes på 1950-talet av mikrobiologerna Norman Zinder och Joshua Lederberg när de studerade salmonella. Det är en av de viktigaste typerna av genöverföringar, vilket gör att bakteriellt DNA kan röra sig mellan celler.
Virus som infekterar bakterier, så kallade bakteriofager, möjliggör transduktion. Eftersom de flyttar från en bakteriecell till en annan som infektiösa medel, tar de ibland oavsiktligt upp bitar av bakteriellt DNA från en värdcell och deponerar den i nästa cell de binder till.
•••Sciencing
•••Sciencing
Processen med bakteriell transduktion
Virus kan inte reproducera på egen hand. Istället måste de använda bakteriernas mer avancerade reproduktiva cellbiologi för att göra kopior av sig själva. För att göra det kapar bakteriofager värdceller.
När en bakteriofag stöter på en bakteriecell, det binder till cellen och injicerar fag-DNA genom plasmamembranet i cellen. Där tar det kommandot över cellens reproduktionsbeteende. Istället för att replikera sitt eget genetiska material börjar bakterien replikera nytt fagpartiklar - komponenter i virusceller.
De bakteriella generna bryts ned av fagerna under denna process. Det som finns kvar av bakterien är en replikeringsmaskin för viruset.
Viruset använder bakteriecellen för att syntetisera proteinställningen som den behöver för dess komponenter. Ibland packar den av misstag bakterie-DNA i några av fagerna tillsammans med det replikerade virala DNA: t.
När allt är klart, viruset lyser bakteriecellen. Bakteriecellen spricker upp och släpper ut fagerna för att binda till och infektera andra bakterieceller. När de väl är bundna kommer några av fagerna att injicera det bakteriella genetiska materialet de bär i stället för viralt DNA i den nya bakterien.
Eftersom några av fagerna bara bär bitar av bakteriellt DNA kan de inte infektera eller lysera den nya mottagarcellen. Om donatorbakteriellt DNA passar in i den nya bakteriekromosomen kommer cellen att uttrycka generna som om de alltid varit där.
Varför är transduktion viktigt?
Transduktion kan snabbt förändra den genetiska sammansättningen av bakteriepopulationer trots att de reproducerar asexually. Denna typ av genöverföring har potential för djupgående effekter på bakterier och de livsmiljöer de påverkar.
Till exempel är många bakteriestammar kända för att infektera och orsaka sjukdom hos människor och andra organismer. Antibiotika är en behandling som vanligtvis är effektiv för att motverka potentiellt farliga eller till och med dödliga bakterieinfektioner. Vissa bakteriestammar är särskilt svåra att utrota och kräver mycket specifika antibiotika.
Det är därför ett stort bekymmer när bakterier utvecklar resistens mot antibiotika - utan användning av antibiotika kan detta kulminera i infektioner som sprids i kroppen okontrollerat.
Transduktion spelar en roll i antibiotikaresistens. Vissa bakterieceller har en naturlig resistens mot antibiotika på sina cellmembran, vilket gör det svårt för antibiotikan att binda där. Detta kan bero på en slumpmässig mutation och skulle inte påverka antibiotikans totala effektivitet.
Men om en bakteriofag infekterar en antibiotikaresistent bakteriecell och sedan överför den muterade genen till andra bakterieceller genom transduktion, fler celler kommer att vara antibiotikaresistenta, och när de reproducerar sig genom binär klyvning kan antalet antibiotikaresistenta bakterieceller öka exponentiellt.
Använda transduktion i medicin
Transduktion har dock positiva konsekvenser för människor och andra högre livsformer. Vetenskaplig forskning har fokuserat på tekniker och resultat av kontrollerad transduktion med många potentiella tillämpningar.
Vissa forskare är intresserade av att skapa nya mediciner eller bättre medicinering. Andra är intresserade av att skapa genetiskt modifierade celler för ytterligare vetenskaplig förståelse för genetikeller för nya områden av medicinsk behandling. De genomför till och med experiment för att observera transduktion i icke-bakteriella celler.
Andra former av DNA-överföring
Transduktion är inte den enda typen av genöverföring i prokaryoter. Det finns två mer framträdande typer:
- Konjugation
- Omvandling
Konjugering liknar transduktion genom att DNA flyttas direkt från en bakteriecell till en annan. Det finns dock flera viktiga skillnader; framför allt är konjugering inte beroende av ett virus för att underlätta genöverföringen.
Bakterier har gener utanför den bakteriella kromosomstrukturen. Dessa gener kallas plasmider och bildas vanligtvis i ringar gjorda av dubbla spiraler. Under konjugering växer en plasmid i donatorcellen en projektion som går ut ur plasmamembran och gå med cellen till en mottagarcell. När den väl har gått med överför den en kopia av sitt nya DNA till mottagaren innan de lossnar.
Transformation är en metod för genöverföring som upptäcktes i mitten av 1900-talet; denna upptäckt spelade en roll i upptäckten att DNA är den ärvda egenskaperna för allt liv på jorden. Under transformation tar bakterier upp DNA från omgivningen utanför cellen. Om det passar in i deras bakterie kromosomblir det en del av deras permanenta genetiska material.