Bakterijska konjugacija: prenos genskega materiala, plazmidi in odpornost
Bakterijska konjugacija: prenos genskega materiala in plazmidov, širjenje odpornosti na antibiotike, mehanizmi v E. coli ter vpliv na zdravje in terapije.
Bakterijska konjugacija je prenos genskega materiala med bakterijskimi celicami z neposrednim stikom med celicami ali z mostu podobno povezavo med dvema celicama. Konjugacija omogoča prenos DNA ali mobilnih genetskih elementov iz celice darovalke v celico prejemnico, pogosto preko specializirane strukture, imenovane pili ali konjugacijski most.
Konjugacija kot horizontalni prenos genov
Konjugacija je mehanizem horizontalnega prenosa genov, prav tako kot transformacija in transdukcija, čeprav ta dva mehanizma ne vključujeta stika med celicami. Pri konjugaciji so genskih informacij deležne neposredno sosednje celice, kar omogoča hitro širjenje novih lastnosti znotraj bakterijskih populacij.
Zgodovinski pomen in osnovni pojmi
Bakterijsko konjugacijo sta odkrila Nobelova nagrajenca Joshua Lederberg in Edward Tatum. Pokazala sta, da je bakterija Escherichia coli prešla v spolno fazo, v kateri si je lahko izmenjevala genetske informacije. Ta odkritja so bila ključna za razumevanje genetike bakterij in načina, kako se geni premikajo med populacijami.
Mehanizem prenosa
Konjugacijo običajno omogočijo konjugativni elementi, ki vsebujejo gene za tvorbo pili in za prenos DNA. Glavne faze so:
- Vzpostavitev stika: darovalka tvori pili (npr. F-pilus), ki se poveže s prejemnico.
- Ustanovitev relaxosoma: encimi na plasmidu ali elementu prepoznajo origin of transfer (oriT) in naredijo enoverižni zlom (nick).
- Prenos enoverižne DNA: s pomočjo sistema, podobnega tipa IV sekrecijskemu sistemu, se en verižna DNA prenaša v prejemnico.
- Replikacija in obnovitev: darovalka sintetizira manjkajočo verigo (rolling-circle replicacija), v prejemnici pa pride do sinteze druge verige in obnavljanja dvovrstične DNA.
Pri nekaterih primerih (npr. F faktor v E. coli) se lahko konjugativni element integrira v kromosom darovalke in tvori Hfr (high-frequency recombination) izvor, s čimer se lahko prenesejo tudi kromosomski geni. Prenos celotnega kromosoma je redek, zato se običajno prenese le del genoma — ta lastnost se v laboratorijih izkorišča pri »prekinjenem parjenju« za preslikavo genov.
Plazmidi, transpozoni in drugi elementi
Med konjugacijo celica darovalka zagotovi konjugativni ali mobilizacijski genetski element, ki je najpogosteje plazmid ali transpozon. Plazmidi, ki imajo vse potrebne gene za samostojno prenos, imenujemo konjugativni plazmidi (imajo tra gene), medtem ko mobilizacijski plazmidi vsebujejo le elemente, ki jim omogočijo, da se »usedijo« v sistem konjugativnega plazmida in se tako prenesejo.
Večina konjugativnih plazmidov ima sisteme, ki zagotavljajo, da celica prejemnica že ne vsebuje podobnega elementa. To temelji na principu incompatibility skupin: če sta dva podobna plazmida v isti incompatibility skupini, eden izniči vzdrževanje drugega, zato je prenos manj učinkovit v primerih že obstoječih podobnih plazmidov.
Pomen za odpornost in ekologijo
Prenesene genske informacije so pogosto koristne za prejemnika. Koristi lahko vključujejo odpornost na antibiotike, toleranco na ksenobiotike ali sposobnost uporabe novih metabolitov. Takšni koristni plazmidi se lahko štejejo za bakterijske endosimbionte. Druge elemente pa lahko obravnavamo kot bakterijske parazite in konjugacijo kot mehanizem, ki so ga razvili, da bi omogočili njihovo širjenje.
V kliničnem in okolijskem smislu konjugacija pomembno prispeva k razvoju in širjenju večjih problemov, kot so multirezistentne bakterije. Konjugativni elementi lahko prenašajo več genov za odpornost hkrati, kar olajša nastanek in širjenje patogenih sevov z odpornostjo na številna zdravila.
Uporaba v laboratoriju in prakticni pomen
Konjugacija je orodje v molekularni genetiki in biotehnologiji. Plazmide, ki se prenašajo s konjugacijo, raziskovalci uporabljajo za prenos izbranih genov med bakterijami ali za konstrukcijo gensko spremenjenih sevov. V mikrobiologiji se konjugacija uporablja tudi za preslikavo genov (genetic mapping) in za študij mehanizmov genetske rekombinacije.
Preprečevanje in nadzor širjenja
Ker konjugacija prispeva k širjenju odpornosti in drugih škodljivih lastnosti, so pomembni ukrepi za nadzor:
- pravilna uporaba in omejevanje antibiotikov (antibiotična politika),
- higienski in infekcijski nadzor v zdravstvenih ustanovah,
- monitoring in surveilanca odpornosti v okolju in kmetijstvu,
- raziskave za razvijanje inhibitorjev konjugacije in alternativnih terapevtskih pristopov.
Zaključek
Bakterijska konjugacija je ključni mehanizem horizontalnega prenosa genov, ki pospešuje evolucijo bakterijskih populacij in igra pomembno vlogo pri širjenju antibiotične odpornosti. Razumevanje mehanizmov konjugacije, tipov prenosnih elementov in posledic za zdravje in okolje je zato bistveno za razvoj strategij za nadzor okužb in za odgovorno uporabo antibiotikov.
Mehanizem
Osnovni konjugativni plazmid je F-plazmid ali F-faktor. Plazmid F je epizom (plazmid, ki se lahko vključi v bakterijski kromosom) z dolžino približno 100 000 baznih parov.
V določeni bakteriji je lahko le ena kopija plazmida F, bodisi prosta bodisi integrirana, bakterije, ki imajo kopijo, pa se imenujejo F-pozitivne ali F-plus (označene kot F +). Celice, ki nimajo plazmida F, se imenujejo F-negativne ali F-minus (F -) in lahko delujejo kot celice prejemnice.
Shematski prikaz bakterijske konjugacije. Shema konjugacije 1- celica dajalka proizvede pilus. 2- Pilus se pritrdi na celico prejemnico in poveže obe celici. 3- Mobilni plazmid se odcepi in enojna veriga DNK se prenese v celico prejemnico. 4- Obe celici sintetizirata komplementarno verigo, da nastane dvoverižni krožni plazmid in se razmnožita tudi pilusa; obe celici sta zdaj vitalni donorki.
Prenos med kraljestvi
Rhizobije, ki vežejo dušik, so zanimiv primer medkmetijske konjugacije.
Na primer, plazmid Agrobacterium, ki povzroča tumorje (Ti), in plazmid A. rhizogenes, ki povzroča koreninske tumorje (Ri), vsebujeta gene, ki se lahko prenesejo v rastlinske celice. Ti geni spremenijo rastlinske celice v tovarne, ki proizvajajo kemikalije, ki jih bakterije uporabljajo za dušik in energijo. Okužene celice tvorijo kronske žleze oziroma koreninske tumorje. Plazmida Ti in Ri sta torej endosimbionta bakterij, te pa endosimbionta (ali parazita) okužene rastline.
Genski inženiring
Konjugacija je priročno sredstvo za prenos genskega materiala na različne tarče. V laboratorijih so poročali o uspešnih prenosih iz bakterij v kvasovke, rastline, celice sesalcev in izolirane mitohondrije sesalcev.
Konjugacija ima prednosti pred drugimi oblikami genskega prenosa. Pri rastlinskem inženirstvu konjugacija, podobna agrobakteriju, dopolnjuje druge standardne nosilce, kot je virus tobačnega mozaika (TMV). Čeprav lahko TMV okuži številne družine rastlin, so to predvsem zelnate dikotične rastline. Agrobakteriju podobna konjugacija se prav tako uporablja predvsem za dikotične rastline, vendar prejemniki iz enokotnih rastlin niso redki.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je bakterijska konjugacija?
O: Bakterijska konjugacija je prenos genskega materiala med bakterijskimi celicami z neposrednim stikom med celicami ali z mostu podobno povezavo med dvema celicama.
V: Kateri so drugi mehanizmi horizontalnega prenosa genov?
O: Druga mehanizma horizontalnega prenosa genov sta transformacija in transdukcija, čeprav ta dva mehanizma ne vključujeta stika med celicami.
V: Kdo je odkril bakterijsko konjugacijo?
O: Bakterijsko konjugacijo sta odkrila Nobelova nagrajenca Joshua Lederberg in Edward Tatum.
V: Kaj sta Lederberg in Tatum ugotovila o bakteriji Escherichia coli med konjugacijo?
O: Lederberg in Tatum sta pokazala, da je bakterija Escherichia coli prešla v spolno fazo, med katero si je lahko izmenjevala genetske informacije.
V: Kaj zagotovi celica dajalka med konjugacijo?
O: Med konjugacijo celica darovalka zagotovi konjugativni ali mobilizacijski genetski element, ki je najpogosteje plazmid ali transpozon.
V: Kakšne so prednosti genske informacije, prenesene med konjugacijo?
O: Genetske informacije, prenesene med konjugacijo, so pogosto koristne za prejemnika. Koristi lahko vključujejo odpornost na antibiotike, toleranco na ksenobiotike ali sposobnost uporabe novih metabolitov.
V: Kako se lahko obravnavajo nekateri elementi, ki se prenašajo med konjugacijo?
O: Na druge elemente, prenesene med konjugacijo, lahko gledamo kot na bakterijske parazite in konjugacijo kot na mehanizem, ki so ga razvili, da bi omogočili njihovo širjenje.
Iskati