Plazmidi: definicija, prenos genov, vloge in odpornost bakterij

Plazmidi: razumite definicijo, mehanizme prenosa genov, vloge v bakterijah in pomen za odpornost ter biotehnologijo.

Plazmid je molekula DNK, ki je ločena od kromosomske DNK in se lahko samostojno razmnožuje (kopira). Plazmidi so navadno dvoverižni in v mnogih primerih krožni, čeprav obstajajo tudi linearni plazmidi. Pogosto vsebujejo izvor replikacije (ori), gene za nadzor števila kopij (copy number) in različne funkcionalne gene, ki niso nujno potrebni za osnovno preživetje gostitelja, vendar mu lahko dajejo selektivno prednost v določenih pogojih.

Izraz plazmid je je leta 1952 prvi uporabil ameriški molekularni biolog Joshua Lederberg.

Plazmidi se običajno naravno pojavljajo v bakterijah, včasih pa jih najdemo tudi v evkariontskih organizmih (npr. 2-mikrometrski obroč pri Saccharomyces cerevisiae). Velikost plazmida se giblje od nekaj sto baznih parov do več sto kilobaz (običajno od 1 do več kot 1.000 kilobaznih parov – kbp). Število enakih plazmidov v posamezni celici je lahko od enega do več tisoč (nizkokopijski vs. visokokopijski plazmidi).

Struktura in lastnosti plazmidov

• Oblika: krožni (najpogostejši) ali linearni plazmidi.
• Izvor replikacije (ori): mesto, kjer se začne podvajanje plazmidne DNK; določa mehanizem replikacije in kopijsko število.
• Inkompatibilnost: plazmidi z enakimi sistemi kontrole replikacije se pogosto ne morejo soobstajati v isti celici (incompatibility groups).
• Mobilnost: nekateri plazmidi so konjugativni (kodirajo vse potrebne gene za prenos), drugi so mobilizabilni (zahtevajo pomožno konjugativno napravo), spet tretji pa niso prenosljivi.
• Toxin–antitoxin sistemi in partitioning geni: mehanizmi, ki povečujejo stabilnost plazmida v populaciji z zadrževanjem plazmidov med delitvijo ali z odstranjevanjem celic, ki plazmida izgubijo.

Prenos plazmidov

Plazmidi so pomemben element konjugacije, enega glavnih mehanizmov horizontalnega prenosa genov. Glavni načini prenosa so:

• Konjugacija: neposreden prenos DNK prek stika med dvema celicama (pogon so pogosto pilusi in konjugativni izločki, npr. F-plazmid pri Escherichia coli). Konjugativni plazmidi lahko prenašajo tudi druge mobilne elemente.
• Transformacija: sprejem proste (eksogene) plazmidne DNK iz okolja, kar je odvisno od kompetentnosti gostiteljske celice ali spremembe v izražanju genov, ki omogočajo sprejem (transformacija).
• Transdukcija: prenos plazmidnih fragmentov posredno z bakteriofagi (virusi bakterij), kadar fagna kapsida naključno pakira plazmidno DNK.

Vloge in ekološki pomen

Plazmidi so mobilni genetski elementi ali "replikoni", ki se lahko v primernem gostitelju samostojno kopirajo. Najdemo jih v vseh treh glavnih domenah: Archaea, Bacteria in Eukarya. Za razliko od virusov so plazmidi "gola" DNK in ne kodirajo genov, potrebnih za tvorbo virusnih struktur za prenos na novega gostitelja.

Plazmidi povečujejo gensko raznolikost in omogočajo hitro prilagajanje populacij v spreminjajočem se okolju. Lahko nosijo gene, ki:

• zagotavljajo odpornost proti antibiotikom (R-plazmidi) oziroma večgenerno odpornost;
• kodirajo degradativne poti za razgradnjo kompleksnih ali toksičnih spojin (npr. razgradnja naftnih derivatov);
• omogočajo vezavo elementarnega dušika ali druge metabolne sposobnosti;
• kodirajo virulenco ali faktorje, ki povečajo patogenost gostitelja (npr. nekateri plazmidi kodirajo toksine ali sekrecijske sisteme);
• vključujejo genetske elemente za ohranjanje, kot so toxin–antitoxin sistemi, ki preprečujejo izgubo plazmida iz populacije.

Klinični in okoljski pomen

Plazmidi so ključni pri širjenju odpornosti proti antibiotikom med bakterijami, kar predstavlja veliko javnozdravstveno težavo. Konjugativni plazmidi lahko prenašajo odpornost med različnimi vrstami in rodovi bakterij, kar pospešuje širjenje multirezistentnih sevov. Poleg tega lahko prenos metabolnih genov vpliva na razgradnjo onesnažil in bioremediacijo.

Plazmidi v biotehnologiji

Plazmidi so temeljni orodji molekularne biologije in biotehnologije. Uporabljajo se kot vektorske molekule za kloniranje, izražanje beljakovin, gensko inženirstvo in sintezo rekombinantnih produktov. Pogoste značilnosti plazmidnih vektorjev vključujejo:

• izvor replikacije, ki določa kopijsko število v gostitelju;
• selektivni marker (npr. gen za odpornost na antibiotik) za izbiro uspešnih transformantov;
• večkratne mesta restrikcije ali slog-funkcije za vstavljanje tujih genskih elementov;
• promotorji in elementi za nadzor izražanja za produkcijo tarčnih beljakovin.

Odkrivanje, odstranitev in nadzor plazmidov

• Detekcija: plazmide zaznamo s klašičnimi metodami (elektroforeza, izolacija plazmidne DNK), molekularnimi tehnikami (PCR, sekvenciranje) in bioinformatiko.
• Odstranitev (curing): nekatere metode povzročijo izgubo plazmida (toplotna obdelava, kemični agensi, inhibicija replikacije), vendar so lahko neučinkovite zaradi mehanizmov stabilnosti plazmida.
• Preventiva in nadzor: preprečevanje širjenja plazmidov vključuje odgovorno uporabo antibiotikov, nadzor infektologije in spremljanje prenosljivih elementov v bolnišničnih okoljih ter okoljsko spremljanje.

Primeri znanih plazmidov

• F-plazmid (fertility plasmid) pri Escherichia coli – primer konjugativnega plazmida, ki omogoča prenos genetskega materiala preko pilusa.
• R-plazmidi – prenašajo gene za odpornost na antibiotike.
• Col-plazmidi – kodirajo bakteriocine (proteinske toksine proti drugim bakterijam).
• Ti-plazmid v Agrobacterium tumefaciens – pomemben pri prenosu DNK v rastlinske celice (osnova za gensko modifikacijo rastlin).
• 2-mikrometrski obroč pri Saccharomyces cerevisiae – primer evkariontskega plazmida.

Plazmidi so torej vsestranski genski elementi: imajo pomembno vlogo v evoluciji mikroorganizmov, širjenju uporabnih ali škodljivih lastnosti ter v biotehnologiji kot orodje za gensko manipulacijo. Razumevanje njihovega prenosa, stabilnosti in učinkov je ključnega pomena za upravljanje tveganj (npr. odpornosti na antibiotike) in za izkoriščanje njihovega potenciala v korist človeka in okolja.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je plazmid?

V: Kdo je uvedel izraz "plazmid"?

V: Kako veliki so plazmidi?

V: Kje se plazmidi pojavljajo v naravi?

V: Kaj ima horizontalni prenos genov opraviti s plazmidi?

V: Ali plazmidi veljajo za žive?

V: Kakšne prednosti lahko prinese prenašanje določenih genov na plazmidu?

Išči po črki