Genetinė transformacija: DNR įsisavinimas bakterijose ir eukariotuose

Genetinė transformacija: DNR įsisavinimas bakterijose ir eukariotuose — sužinokite, kaip transformacija, konjugacija ir transfekcija keičia ląsteles ir pritaikoma biotechnologijoje.

Molekulinėje biologijoje transformacija – tai genetinis ląstelės pakeitimas tiesiogiai pasisavinant ir išreiškiant DNR iš jos aplinkos. Transformacija gali vykti natūraliai tam tikrose rūšyse arba būti sukelta laboratorinėmis priemonėmis; abi formos leidžia į ląstelę patekti svetimai genetinei medžiagai, kuri vėliau gali būti išreikšta arba inkorporuota į genomą.

Transformacija bakterijose: natūrali ir dirbtinė

Kai kurios bakterijų rūšys transformuojasi natūraliai, tai reiškia, kad jos geba natūraliai įsisavinti aplinkoje esančią laisvą DNR. Tokias bakterijas dažnai vadina kompetentingomis. Taip pat bakterijos gali būti transformuojamos dirbtinai laboratorijoje – tokiu atveju kompetencija yra priverstinai sukeliama arba ląstelės išvedamos į sąlygas, kurios palengvina DNR perėjimą per membranas. Bakterijos, kurios gali transformuotis natūraliai arba dirbtinai, vadinamos kompetentingomis.

Transformacijos reikšmė ir vieta bakterijų genetinėje mainų sistemoje

Transformacija yra vienas iš trijų pagrindinių procesų, kuriais išorinė genetinė medžiaga gali patekti į bakterijų ląsteles. Kiti du yra konjugacija (genetinės medžiagos perdavimas tarp dviejų tiesiogiai besiliečiančių bakterijų ląstelių) ir transdukcija (svetimos DNR įvedimas bakteriofagu į šeimininką). Kiekvienas mechanizmas turi savo biologinę reikšmę: transformacija prisideda prie genų mainų, evoliucijos ir adaptyvių savybių, pavyzdžiui, antibiotikų rezistencijos plitimo.

Mechanizmai: kaip bakterijos pasisavina ir naudojasi Svetima DNR

Transformacijos eiga paprastai apima šiuos etapus:

• DNR skaidymas aplinkoje – bakterijų ląstelės gali susidurti su laisva, fragmentuota arba ištisa plazmidine DNR.
• DNR prisisotinimas prie ląstelės paviršiaus – kompetentingos ląstelės turi specifinius paviršinius baltymus, kurie suriša laisvą DNR.
• Pernešimas per membranas – DNR pernešama per sienelę ir citoplazminę membraną; dažnai vienos grandinės DNR patenka į ląstelę, o kita grandinė yra degradavimo tikslais.
• Integracija arba autonominis pasilikimas – fragmentuota chromosominė DNR gali būti įterpta į genomą per homologinę rekombinaciją (dažnai priklauso nuo RecA ir panašių baltymų), o plazmidai, turintys reikiamus replikacijos elementus, gali replikuotis autonomiškai.
• Išraiška ir atranka – įdiegti genai gali būti išreikšti ir suteikti ląstelei naują fenotipą; laboratorijoje naudojami atrankos žymenys (pvz., antibiotikų atsparumo genai) leidžia išskirti transformuotas ląsteles.

DNR, kuri pateko į ląstelę, yra jautri nukleazėms (pvz., DNazėms) – tai gali padaryti ją nefunkcingą, todėl transformacijos efektyvumas priklauso nuo sąlygų ir DNR pobūdžio (pvz., linearinė vs. uždara plazminė DNR).

Laboratorinės metodikos

Dažniausiai taikomos cheminės ir fizinės priemonės, padedančios DNR patekti į bakterijas:

• Cheminė kompetencija – ląstelės apdorojamos CaCl2 ar kitais jonais, kurie sumažina membranos stabilumą; po to atliekamas heat shock, kuris palengvina DNR įsiskverbimą.
• Elektroporacija – trumpi aukštos įtampos impulsai sukuria trumpalaikius porus membranose, per kuriuos patenka DNR; metodas itin efektyvus ir tinka tiek plazmidinei, tiek fragmentinei DNR.
• Natūralios kompetencijos indukcija – kai kurios rūšys (pvz., Streptococcus, Bacillus, Neisseria) gali būti skatinamos tapti kompetentingomis tam tikromis augimo fazėmis ar cheminėmis sąlygomis.

Laboratorijose įvedus DNR, paprastai naudojama atranka (pvz., auginimas su atitinkamu antibiotiku) bei patikrinimas (PCR, restrikcijos analizė, sekoskaita, fenotipinis testavimas), kad nustatyti, ar transformacija įvyko sėkmingai.

Transformacija vs. transfekcija eukariotuose

Transformacija taip pat gali būti naudojama apibūdinti naujos genetinės medžiagos įterpimą į nebakterines ląsteles, pvz., gyvūnų ir augalų ląsteles. Svetimos DNR įvedimas į eukariotų ląsteles paprastai vadinamas transfekcija. Eukariotams taikomi metodai dažnai skiriasi nuo bakterinių (pvz., lipofekcija, kapsidinės vektoriaus sistemos, mikroinjektavimas, elektroporacija eukariotams) ir reikalauja papildomų elementų, kad genas būtų tinkamai išreikštas (promoteriai, poli(A) signalai ir kt.).

Pavyzdžiai ir biologinė reikšmė

• Streptococcus pneumoniae – vienas iš klasikinių pavyzdžių, kurio natūrali transformacija padėjo atrasti genetinės medžiagos perdavimo reikšmę.
• Bacillus subtilis, Neisseria spp., Acinetobacter spp. – kitos bakterijos, kurios gali būti natūraliai kompetentingos.
• Laboratorinė transformacija naudojama klonavimui, genų ekspresijai, mutantų kūrimui, proteomikos ir genomo inžinerijos darbams.

Praktiniai ir etiniai aspektai

Transformacija yra galingas įrankis tyrimuose ir biotechnologijoje, tačiau su ja susiję saugumo ir etikos klausimai: nebūtina leisti nesaugiai plisti genetiškai modifikuotiems mikroorganizmams, naudoti atsakingus biologinės saugos protokolus (tinkamas biologinio saugumo lygis, atliekų šalinimas, kontaminacijos prevencija) ir atsižvelgti į reguliacinius reikalavimus. Taip pat svarbu korektiškai interpretuoti eksperimentų rezultatus ir pranešti apie galimas rizikas.

Išvados

Transformacija – esminis mechanizmas, leidžiantis bakterijoms įgyti naujų genetinių savybių ir plačiai naudojamas molekulinėje biologijoje. Supratimas apie transformacijos mechanizmus, metodikas ir saugumo reikalavimus yra būtinas tiek pagrindiniams tyrimams, tiek taikomajai biotechnologijai.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra transformacija molekulinėje biologijoje?

K: Kurios rūšies bakterijose transformacija vyksta natūraliai?

K: Kaip vadinamos bakterijos, kurios gali transformuotis?

K: Kokie dar du procesai, be transformacijos, gali būti taikomi bakterijų ląstelėms, kai į jas patenka išorinė genetinė medžiaga?

Klausimas: Ar transformaciją galima atlikti dirbtinai?

K: Koks yra transfekcijos apibrėžimas?

K: Kuo transdukcija skiriasi nuo transformacijos?

Paieška pagal raidę