Genetická rekombinace během transformace. Transdukce v bakteriích. Obecná a specifická transdukce. Využití transformace a transdukce pro genové mapování. Fágová transdukce Nespecifická transdukce

Proměna

Transformace je přenos čisté DNA z jedné buňky do druhé. Přeměnu objevil bakteriolog F. Griffiths v roce 1928 při pokusech s pneumokoky. Pneumokoky mají dva typy kmenů: S- a R-formy.

S-forma se vyznačuje přítomností polysacharidového pouzdra, díky kterému při umělé kultivaci tvoří hladké lesklé kolonie; tato forma je pro myši patogenní. R-forma nemá tobolku při umělé kultivaci tvoří drsné kolonie; tato forma je pro myši nepatogenní. Ale pokud jsou usmrcené S-buňky a živé R-buňky současně injikovány myším, myši zemřou. Proto genetické vlastnosti jednoho kmene ovlivňují genetické vlastnosti jiného kmene.

V roce 1944 O. Avery, K. McLeod a M. McCarthy dokázali, že změny dědičných vlastností buněk jsou spojeny s přenosem DNA.

Schopnost buňky transformovat je možná za její speciální podmínky, která se nazývá kompetence. U kompetentních buněk se mění složení buněčné stěny a plazmalemy: stěna se stává porézní, plazmalema tvoří četné invaginace a na vnějším povrchu se objevují speciální antigeny - kompetenční faktory (zejména specifické proteiny s nízkou molekulovou hmotností).

V přirozených podmínkách vzniká extracelulární čistá DNA při smrti (lýze) prokaryot.

Zpravidla dochází k transformaci v rámci jednoho druhu prokaryot, ale v přítomnosti homologních genů je pozorována i mezidruhová transformace.

Proces transformace zahrnuje následující fáze:

1. Připojení transformující dvouvláknové DNA k receptorům na povrchu buňky příjemce.

2. Konverze dvouvláknové DNA na jednovláknovou.

3. Průnik jednořetězcové DNA do buňky.

4. Integrace transformující DNA do chromozomu příjemce a rekombinace genetického materiálu.

Délka transformující DNA by měla být od 500 do 200 tisíc bp. Energie uvolněná při degradaci jednoho z řetězců DNA je využita k aktivnímu transportu zbývajícího řetězce do buňky.

První tři stupně transformace nezávisí na nukleotidovém složení DNA. Proces integrace transformující DNA do chromozomu příjemce je však pravděpodobnější, pokud je tato DNA vysoce homologní s DNA příjemce.

Proces transformace je znázorněn ve schématu. Každý přímý segment odpovídá jednomu řetězci DNA. Transformující DNA je označena černě a DNA buňky příjemce je označena šedě.

V první fázi se transformující DNA váže na receptorová místa na povrchu recipientní buňky.

Ve druhé fázi se dvouvláknová DNA na buněčném povrchu přemění na jednovláknovou DNA v důsledku štěpení jednoho z vláken bakteriálními nukleázami.

Ve třetí fázi je zbývající řetězec DNA transportován přes membránu do cytoplazmy. Tím se využívá energie uvolněná při degradaci komplementárního řetězce.

Během replikace bakteriálního chromozomu je transformující řetězec DNA připojen k homologní (částečně komplementární) oblasti DNA recipientní buňky. V tomto případě se kvůli nedostatku úplné komplementarity vytvoří heteroduplex („molekulární heterozygot“) - úsek dvouvláknové DNA, ve kterém ne všechny nukleotidové páry mají dusíkaté báze spojené vodíkovými vazbami. Zbytek DNA se normálně replikuje.

Po ukončení replikace DNA se přijímající buňka rozdělí a vytvoří dvě buňky: částečně transformovanou buňku s chromozomem, který zahrnuje oblast heteroduplexní DNA, a netransformovanou buňku. Během replikace DNA v částečně transformované buňce jsou komplementární řetězce dokončeny na obou vláknech DNA. Jeden řetězec si zachovává původní nukleotidové sekvence, zatímco druhý se zcela transformuje. Po rozdělení částečně transformované buňky vzniká jedna netransformovaná buňka a jedna zcela transformovaná buňka, ve kterých je původní nukleotidová sekvence nahrazena nukleotidovou sekvencí transformující DNA.

Během transformace tedy nedochází k přidávání nových genů, ale k nahrazení recipientních genů homologními nukleotidovými sekvencemi.

Frekvence transformace u prokaryot závisí na vlastnostech transformující DNA, její koncentraci, stavu recipientní buňky a typu bakterií. Maximální frekvence transformovaných buněk nepřesahuje 1 na 100 buněk.

Transformace je známá také u eukaryot. Na povrchu eukaryotických buněk však nejsou žádná receptorová místa a do buněk je uměle zaváděna transformující DNA. DNA je například zavedena do vajíček zvířat přímou mikroinjekcí a do vajíček rostlin mikroinjekcí do pylové láčky.

Transdukce je přenos genetického materiálu pomocí virů z buňky dárce do buňky příjemce.

Fenomén transdukce objevil v roce 1951 N. Zinder (žák J. Lederberga).

Během transdukce vstupuje DNA z hostitelské buňky do virionů. Viriony infikují další buňky a DNA původní bakteriální buňky proniká do jiné bakteriální buňky. Virová DNA se integruje do bakteriálního chromozomu a zavedená bakteriální DNA se rekombinuje s DNA bakteriálního chromozomu. Výsledkem je transformace 50 % buněk.

Existuje obecná (nespecifická), omezená (specifická) a abortivní transdukce.

Obecná transdukce

Během obecné transdukce jsou fragmenty donorové bakteriální DNA náhodně zahrnuty do maturující fágové částice spolu s fágovou DNA nebo místo fágové DNA. Fragmenty bakteriální DNA se tvoří, když je štěpena enzymem řízeným fágem. Fágová částice může obsahovat až 100 bakteriálních genů.

Omezená transdukce

Při omezené transdukci dochází k rekombinaci – bakteriální DNA nahrazuje část fágové DNA. Rekombinantní DNA obsahuje malý počet bakteriálních genů sousedících s fágovou DNA integrovanou do bakteriálního chromozomu.

Obecně a omezeně transdukce, donorová DNA nahrazuje homologní oblasti DNA příjemce. Tento proces je podobný transformaci.

Abortivní transdukce může být jak nespecifická, tak specifická. Jeho podstata spočívá v tom, že fragment DNA transdukovaný fágem není obsažen v chromozomu příjemce, ale existuje jako cytoplazmatický replikon. Dříve nebo později je tento replikon ztracen.

Fenomén transdukce viry je široce využíván při přenosu genů u eukaryot. Pokud se použije virus, který není schopen vytvořit kapsidu (tedy existující pouze ve formě DNA), pak se transdukce zásadně neliší od transformace nebo od konjugativního přenosu genetického materiálu pomocí plazmidových vektorů. Vektorové systémy byly vytvořeny na základě modifikovaných virů SV40 (tvoří až 100 tisíc kopií v buňce), herpesu, vakcínie a viru mozaiky květáku.

Je třeba ještě jednou zdůraznit, že všechny popsané typy rekombinací nejsou spojeny s přidáním nových úseků DNA, ale s nahrazením existujících nukleotidových sekvencí. Čím vyšší je stupeň homologie mezi transformující a původní DNA, tím vyšší je pravděpodobnost úspěšné rekombinace. Nejjednodušší způsob, jak dosáhnout rekombinace, jsou enzymy nacházející se ve všech organismech. Je obtížnější zavést do genomu nové regulátory, které jsou vysoce specifické. Proto se k zavedení nových genů do genomu používají složitější metody spojené s biochemickými modifikacemi DNA.

Obecně transdukce, fágové částice obsahující segmenty DNA hostitelské buňky přenášejí relativně dlouhé úseky genomové DNA z jedné bakteriální buňky do druhé. Transdukční fágové částice se tvoří během určitých infekčních procesů, kdy je buněčná DNA účinně degradována a fragmentuje se

buněčná DNA, přibližně o velikosti fágového genomu, náhodou zabalené do zralých bakteriofágových částic. V důsledku následné infekce bakteriálních buněk populací fágových částic, včetně transdukujících fágů, s pomocí posledně jmenovaných, je DNA dárcovských buněk přenesena do těchto infikovaných buněk. Rekombinace mezi zavedenými fragmenty donorové DNA a DNA buňky příjemce vede ke změně genotypu buňky příjemce.

Každá transdukující fágová částice typicky obsahuje pouze jeden náhodný fragment původního donorového chromozomu. Pravděpodobnost zahrnutí jakékoli části donorového genomu do takové částice je přibližně stejná. Vzhledem k poměrně velké velikosti transdukovaných segmentů DNA (u některých bakteriofágů je to asi 100 kb, neboli 2,5 procenta celého chromozomu E. coli) však přijímající buňka obvykle získá celou skupinu genů v jednom aktu transdukce. . Výsledkem je, že geny úzce spojené na donorovém chromozomu jsou kotransdukovány s vysokou frekvencí, zatímco geny vzdálené od sebe jsou transdukovány nezávisle. Určení frekvence kotransdukce genů pomáhá zpřesnit genetické mapy tím, že umožňuje odhadnout relativní vzdálenosti mezi úzce spojenými geny. 3 Specifická (omezená) transdukce

Transdukce druhého typu, specifická, je charakteristická pro mírné bakteriofágy, jejichž infekční cyklus je přerušen v důsledku zahrnutí virového genomu do specifického chromozomálního lokusu DNA infikované buňky. Bakterie obsahující takové integrované fágové genomy se nazývají lysogenní. Nesou virové genomy jako dědičné prvky svých vlastních chromozomů. V lysogenní buňce se virový a buněčný genom replikují jako jedna jednotka a jsou vzájemně kompatibilní. Integrace fágového genomu s genomem hostitelské buňky zbavuje fága schopnosti způsobit buněčnou smrt a produkovat infekční potomstvo. Z tohoto důvodu bakteriofág

schopné lysogeneze, na rozdíl od virulentní fág, pojmenovaný mírný.

Za určitých podmínek - indukce- lysogenní stav je přerušen a virový genom je vyříznut z hostitelského chromozomu. Replikuje se za vzniku mnoha virových částic a zabíjí buňku. Typicky dochází k excizi virového genomu velmi přesně a výsledný fág obsahuje virový genom, který zcela odpovídá původnímu.

Někdy je fágový genom štěpen nesprávně a chromozomální geny jsou zahrnuty do dceřiných fágových částic, přilehlý k integrovanému virovému genomu. Tyto geny jsou zapnuty místo některých virových genů. Během dalšího cyklu infekce jsou geny dárcovské buňky přeneseny spolu s fágovými geny do buněk příjemce. Poté, co je DNA transdukujícího fága začleněna do genomu příjemce, získává buňka spolu s genomem fága genetickou informaci předchozího hostitele fága.

Během specifické transdukce tedy fág slouží jako vektor pro přenos genů z jedné buňky do druhé. Pomocí tohoto mechanismu jsou transdukovány pouze ty chromozomální geny hostitelské buňky, které jsou úzce spojeny s integračním místem virového genomu.

Protože se různé mírné fágy vkládají do různých chromozomálních míst, jsou při nesprávné excizi produkovány fágy, které transdukují různé chromozomální geny. Takže fágy lambda transdukují geny odpovědné za metabolismus galaktózy nebo geny řídící syntézu biotinu a f80 fágy transdukují jiný počet genů kódujících enzymy pro biosyntézu tryptofanu.

Fágový genom je schopen specifické transdukce za předpokladu:

1 Musí získat kovalentně vázaný segment nevirové DNA, který bude transdukován. Tento segment DNA je obvykle buněčného původu, ale v zásadě může být z jakéhokoli zdroje. Může být vložen kamkoli do virového genomu, pokud je

neovlivňuje replikaci virové DNA v infikované hostitelské buňce nebo její schopnost sbalit se do zralých fágových částic.

2 Fágový genom musí být schopen replikace poté, co došlo k infekci buňky příjemce, tzn. Virová DNA si musí zachovat počátek replikační oblasti (OP) a geny nezbytné pro replikaci.

3 Fágové geny kódující strukturní fágové proteiny musí být funkčně aktivní.

Specifická transdukce je široce používána v molekulární genetice. Uvažujme jeden příklad takové aplikace tohoto jevu. Gen E. coli kódující syntézu enzymu beta-galaktosidázy obsahuje 3600 bp. a tvoří jednu tisícinu genomu daného mikroorganismu. Pokud je fragment DNA bakteriální buňky kódující syntézu beta-galaktosidázy vložen do genomu transdukujícího bakteriofága lambda, zaujímá zde jednu patnáctinu, to znamená, že DNA fága lambda je obohacena o gen beta-galaktosidázy 100krát více než DNA E. coli.

Obecná transdukce

Jeho mechanismus spočívá v tom, že během intracelulární reprodukce fága může být do jeho hlavy místo fágové DNA náhodně zahrnut fragment bakteriální DNA, který má stejnou délku jako fágová DNA. To je docela možné, protože v infikované buňce je blokována biosyntéza její DNA a samotná DNA podléhá rozkladu. Během procesu množení fágů se tedy objevují defektní viriony, jejichž hlavičky obsahují místo vlastní genomové DNA fragment bakteriální DNA. Takové fágy si zachovávají infekční vlastnosti. Jsou adsorbovány na bakteriální buňku, vnášejí do ní DNA obsaženou v hlavě, ale fág se nereprodukuje. Dárcovská DNA (fragment chromozomu dárce) zavedená do buňky příjemce, obsahuje-li geny, které u příjemce chybí, obdaří ji novou vlastností. Tato vlastnost bude záviset na tom, který gen (geny) jsou zahrnuty v hlavě transdukujícího fága. V případě rekombinace donorového DNA fragmentu zavedeného fágem s chromozomem recipientní buňky je tento rys dědičně fixován.

Specifická transdukce

Od nespecifických se liší tím, že v tomto případě transdukující fágy vždy přenášejí pouze určité geny, a to ty, které jsou umístěny v chromozomu lysogenní buňky vlevo od attL nebo vpravo od attR. Specifická transdukce je vždy spojena s integrací mírného fága do chromozomu hostitelské buňky. Při výstupu (vyloučení) z chromozomu může profág zachytit gen z levého nebo pravého boku, například buď gal nebo bio. Ale v tomto případě musí ztratit stejné množství své DNA z opačného konce, aby její celková délka zůstala nezměněna (jinak ji nelze zabalit do hlavy fága). Proto se při této formě vyloučení tvoří defektní fágy: A - dgal nebo Xdbio.

Specifická transdukce v E-coli provádí nejen fág lambda, ale také příbuzné lambdoidní a další fágy. V závislosti na umístění míst attB na chromozomu, když jsou vyloučeny, mohou zapnout různé bakteriální geny spojené s profágem a převést je do jiných buněk. Materiál integrovaný do genomu může nahradit až 1/3 genetického materiálu fága.

Když je recipientní buňka infikována, transdukující fág se integruje do jejího chromozomu a vnese do něj nový gen (nový znak), zprostředkovávající nejen lysogenizaci, ale také lyzogenní konverzi.

Pokud je tedy během nespecifické transdukce fág pouze pasivním nosičem genetického materiálu, pak během specifické transdukce fág tento materiál zahrne do svého genomu a přenese jej, lyzogenizací bakterií, k příjemci. K lyzogenní přeměně však může dojít i v případě, že genom mírného fága obsahuje vlastní geny, které buňka nemá, ale jsou zodpovědné za syntézu esenciálních proteinů. Například pouze ty difterické patogeny, které mají mírný profág nesoucí tox operon, jsou integrovány do jejich chromozomů, aby produkovaly exotoxin. Je zodpovědný za syntézu difterického toxinu. Jinými slovy, mírný fágový tox způsobuje lysogenní přeměnu netoxigenního difterického bacilu na toxigenní.

Rýže. 4.

1 - bodový test; 2 - titrace podle Grazia.

Metoda agarové vrstvy je následující. Nejprve se do šálku nasype vrstva živného agaru. Po ztuhnutí se do této vrstvy přidají 2 ml 0,7% agaru rozpuštěného a ochlazeného na 45 °C, ke kterému se nejprve přidá kapka koncentrované suspenze bakterií a určitý objem suspenze fágů. Po vytvrzení vrchní vrstvy se kalíšek vloží do termostatu. Bakterie se množí uvnitř měkké vrstvy agaru a tvoří souvislé neprůhledné pozadí, na kterém jsou jasně viditelné kolonie fágů ve formě sterilních skvrn (obr. 4.2). Každá kolonie vzniká zmnožením jednoho počátečního fágového virionu. Pomocí této metody můžete:

a) počítáním kolonií přesně určit počet životaschopných fágových virionů v daném materiálu;

b) na základě charakteristických znaků (velikost, průhlednost atd.) studovat dědičnou variabilitu V fágů.

Podle spektra účinku na bakterie se fágy dělí na polyvalentní(lyzovat příbuzné bakterie, například polyvalentní fág Salmonella lyžuje téměř všechny salmonely), monofágní(lyzují bakterie pouze jednoho typu, např. fág Vi - I pouze tyfové patogeny) a typově specifické fágy, které selektivně lyžují určité varianty bakterií v rámci druhu. Pomocí takových fágů se provádí nejjemnější diferenciace bakterií v rámci druhu a dělí je na fágové varianty. Například pomocí sady fágů Vi - II je původce břišního tyfu rozdělen na více než 100 fágových variant. Protože citlivost bakterií na fágy je relativně stabilní vlastnost spojená s přítomností odpovídajících receptorů, má typizace fágů důležitý diagnostický a epidemiologický význam.

Učebnice se skládá ze sedmi částí. První část – „Obecná mikrobiologie“ – obsahuje informace o morfologii a fyziologii bakterií. Druhá část je věnována genetice bakterií. Třetí část – „Mikroflóra biosféry“ – zkoumá mikroflóru prostředí, její roli v koloběhu látek v přírodě, ale i lidskou mikroflóru a její význam. Čtvrtá část – „Studium infekce“ – je věnována patogenním vlastnostem mikroorganismů, jejich roli v infekčním procesu, obsahuje také informace o antibiotikách a mechanismech jejich účinku. Část pátá – „Nauka o imunitě“ – obsahuje moderní myšlenky o imunitě. Šestá část – „Viry a nemoci, které způsobují“ – poskytuje informace o základních biologických vlastnostech virů a nemocech, které způsobují. Sedmá část – „Soukromá lékařská mikrobiologie“ – obsahuje informace o morfologii, fyziologii, patogenních vlastnostech patogenů řady infekčních onemocnění, stejně jako o moderních metodách jejich diagnostiky, specifické prevenci a terapii.

Učebnice je určena studentům, postgraduálním studentům a učitelům vysokých zdravotnických institucí, univerzit, mikrobiologům všech odborností a praktickým lékařům.

5. vydání, přepracované a rozšířené

Rezervovat:

<<< Назад

Vpřed >>>

Metoda agarové vrstvy je následující. Nejprve se do šálku nasype vrstva živného agaru. Po ztuhnutí se do této vrstvy přidají 2 ml 0,7% agaru, rozpuštěného a ochlazeného na 45 °C, ke kterému se nejprve přidá kapka koncentrované suspenze bakterií a určitý objem suspenze fágů. Po vytvrzení vrchní vrstvy se kalíšek vloží do termostatu. Bakterie se množí uvnitř měkké vrstvy agaru a tvoří souvislé neprůhledné pozadí, na kterém jsou jasně patrné fágové kolonie ve formě sterilních skvrn (obr. 84, 2). Každá kolonie vzniká zmnožením jednoho počátečního fágového virionu. Použití této metody umožňuje: a) sčítáním kolonií přesně určit počet životaschopných fágových virionů v daném materiálu;

b) studovat dědičnou variabilitu u fágů na základě charakteristických znaků (velikost, průhlednost atd.).

Podle spektra jejich působení na bakterie se fágy dělí na polyvalentní(lyzovat příbuzné bakterie, například polyvalentní fág Salmonella lyžuje téměř všechny salmonely), monofágní(lyzují bakterie pouze jednoho typu, např. fág Vi-I pouze původce břišního tyfu) a typově specifické fágy, které selektivně lyžují určité varianty bakterií v rámci druhu. Pomocí takových fágů se provádí nejjemnější diferenciace bakterií v rámci druhu a dělí je na fágové varianty. Například pomocí fágového setu Vi-II je původce břišního tyfu rozdělen na více než 100 fágových variant. Protože citlivost bakterií na fágy je relativně stabilní vlastnost spojená s přítomností odpovídajících receptorů, má typizace fágů důležitý diagnostický a epidemiologický význam.

Rýže. 84. Detekce bakteriofágů v testovaném materiálu:

1 – bodový test; 2 – titrace dle Grazia

<<< Назад

Vpřed >>>

FEDERÁLNÍ AGENTURA PRO VZDĚLÁVÁNÍ
STÁTNÍ VZDĚLÁVACÍ INSTITUCE VYŠŠÍCH
ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ
IRKUTSKÁ STÁTNÍ UNIVERZITA
(GOU VPO ISU)
Fakulta biologie a pedologie
Ústav mikrobiologie

Esej
cytologie mikroorganismů
Transdukce a transformace u bakterií

Provedeno:
student gr.04331-DS
Kuzněcovová E.A.
Zkontrolováno: k.b. n
Makarova A.P.

Irkutsk 2012
Obsah

2.1 Historie studie………………………………………………………………..9
2.2 Transformace u prokaryot………………………………………..9
2.3 Stádia bakteriální transformace…………………………………11

Transdukce v bakteriích
Transdukce (z latinského transduct io - pohyb) je přenos fragmentů genetického materiálu buňky, která původně obsahovala bakteriofág, do infikované buňky bakteriofágem. Transdukující bakteriofág obvykle přenáší pouze malý fragment hostitelské DNA z jedné buňky (dárce) do druhé (příjemce).
Jak mírné fágy, tak virulentní jsou schopny transdukce, ty však ničí bakteriální populaci, takže transdukce s jejich pomocí nemá velký význam ani v přírodě, ani ve výzkumu.

Historie studia
Esther Lederberg byla prvním vědcem, který v roce 1950 izoloval bakteriofág lambda, DNA virus, z Escherichia coli K-12.
Skutečný objev transdukce je spojen se jménem amerického vědce Joshuy Lederberga. V roce 1952 spolu s Nortonem Zinderem objevili obecnou transdukci. V roce 1953 Lederberg et al prokázali existenci abortivní transdukce, v roce 1956 - specifická.
Chování fágů v bakteriální buňce
Fágy jsou schopny implementovat dvě vývojové cesty v bakteriální buňce:

Přenos fragmentů DNA bakteriemi
Nespecifická transdukce.
Přenos oblastí bakteriálních chromozomů fágy byl objeven v roce 1951 Lederbergem a Zinderem u Salmonella typhimurium. V klíčovém experimentu byl donorový kmen B+ infikován mírným bakteriofágem P22. Po lýze hostitelských buněk byly izolovány volné fágy a inkubovány s recipientním kmenem B−, který byl geneticky odlišný od kmene B+ alespoň v jednom znaku. Autoři zjistili, že po naočkování inkubovaných buněk na vhodné médium se objevily rekombinanty, které měly vlastnosti donorového kmene B+.
Procesy probíhající během takového nespecifického přenosu DNA jsou velmi složité. Během reprodukce fága P22 v buňkách donorového kmene B+ mohou být v kapsidách místo fágové DNA zahrnuty fragmenty bakteriálního chromozomu. Fagolyzát tedy obsahuje směs normálních a defektních fágů. Infekce recipientního kmene B normálním fágem vede zpravidla k buněčné lýze. Některé buňky jsou však penetrovány defektními transdukujícími fágy, jejichž DNA je schopna rekombinace s chromozomem příjemce. Výměna homologních úseků DNA dochází, což může vést k nahrazení defektního recipientního genu intaktním dárcem genu.
Protože jsou transdukovány pouze malé fragmenty DNA, pravděpodobnost rekombinace ovlivňující určitý znak je velmi malá: pohybuje se od 10-b do 10-8. Je zřejmé, že pomocí jedné částice Salmonella fága P22 nebo nespecificky transdukujícího fága PI Escherichia coli může být v každém případě transdukován pouze jeden gen (nebo několik velmi blízko umístěných genů). Množství bakteriální DNA srovnatelné s fágovým genomem je pouze 1-2 % z celkového množství DNA obsažené v bakteriální buňce. Výjimkou je bakteriofág Bacillus subtilis PBS 1, který dokáže transdukovat až 8 % genomu hostitele.

Specifická transdukce.
Nejznámějším příkladem je transdukce prováděná fágem X. Jak již bylo zmíněno, tento fág je při přechodu do profágního stavu obsažen v určité oblasti chromozomu hostitelské bakterie. K oddělení fágové DNA od bakteriálního chromozomu (například v důsledku UV záření) nemusí dojít přesně, tzn. nějaký její fragment zůstane v chromozomu a blízko umístěné geny hostitelské buňky budou zachyceny fágovou DNA. Důvodem může být zřejmě nesprávná rekombinace.
V případě infekce buněk defektních v určitém genu, například gal, transdukujícím fágem, může dojít k rekombinaci s nahrazením vlastního defektního genu bakterie intaktním transdukovaným genem; v tomto případě se tvoří rekombinanty (transduktanty) gal +.
Obdobným způsobem přenáší geny bakteriofág Phi 80. Jeho DNA je obsažena v chromozomu poblíž genů kódujících enzymy odpovědné za biosyntézu tryptofanu. Z tohoto důvodu je Phi 80 zvláště vhodný pro přenos genu trp.
Předpokladem úspěšného přenosu genu při specifické transdukci (na rozdíl od nespecifické) je integrace fága do genomu hostitelské buňky.
V některých případech se ukázalo, že transdukovaný fragment DNA nerekombinuje s chromozomem příjemce, ale zůstává mimo chromozom. V tomto případě se buňka stane pro přenesené geny heterozygotní. Přenesená DNA je transkribována (indikováno syntézou odpovídajícího genového produktu), ale není replikována. To vede k tomu, že při buněčném dělení přechází donorový fragment pouze do jedné z dceřiných buněk (abortivní transdukce). Pokud je příjemce auxotrofní a přenesený fragment koriguje odpovídající defekt, pak mohou růst pouze ty buňky, které tento fragment zdědily; při výsevu na agar tvoří drobné kolonie.

Abortivní transdukce
Během abortivní transdukce není zavedený fragment donorové DNA integrován do chromozomu příjemce, ale zůstává v cytoplazmě a funguje tam nezávisle. Následně se přenese do jedné z dceřiných buněk (tj. zdědí se jednoliniově) a poté se ztratí v potomstvu.
Vlastnosti transdukujících fágových částic jsou následující:
Částice nesou pouze část fágové DNA, to znamená, že to nejsou funkční viry, ale spíše nádoby nesoucí fragmenty bakteriální DNA.
Stejně jako jiné defektní viry se částice nemohou replikovat.
Transdukční fágy mohou obsahovat jakoukoli část hostitelského chromozomu s geny, které dávají přijímající bakterii některé výhody (například geny rezistence na antibiotika nebo geny kódující schopnost syntetizovat různé látky). Toto získávání nových vlastností bakteriemi se nazývá fenomén lysogeneze.
Fenomén transdukce lze využít k mapování bakteriálního chromozomu při dodržení stejných principů jako při mapování pomocí transformačního fenoménu.

Transformace v bakteriích
Transformace je proces absorpce volné molekuly DNA z prostředí buňkou a její integrace do genomu, což vede k tomu, že se v takové buňce objeví nové dědičné vlastnosti charakteristické pro organismus dárce DNA. Někdy se transformací rozumí jakýkoli proces horizontálního přenosu genů, včetně transdukce, konjugace atd.
Historie studia
Transformace byla objevena v roce 1928, kdy britský vědec F. Griffith ukázal možnost přeměny nepatogenních kmenů Streptococcus pneumoniae na patogenní (lišící se přítomností polysacharidového pouzdra, které jim umožňuje připojit se ke tkáním vyšších organismů) jako výsledek interakce s usmrcenými buňkami patogenních kmenů. V roce 1944 O. Avery (USA) ukázal, že k přenosu znaku stačí zpracovat DNA patogenního kmene pneumokoka. Tento objev byl prvním důkazem role DNA jako nositele dědičnosti.
V 60. letech začalo studium transformace u zvířat a na konci 70. let - u rostlin.

Transformace u prokaryot
V jakékoli populaci je pouze část bakterií schopna absorbovat molekuly DNA z prostředí. Stav buněk, ve kterém je to možné, se nazývá stav kompetence. Typicky je maximální počet kompetentních buněk pozorován na konci fáze logaritmického růstu.
Ve stavu kompetence bakterie produkují speciální nízkomolekulární protein (faktor kompetence), který aktivuje syntézu autolyzinu, endonukleázy I a proteinu vázajícího DNA. Autolysin částečně ničí buněčnou stěnu, což umožňuje průchod DNA a také snižuje odolnost bakterií vůči osmotickému šoku. Ve stavu kompetence se také snižuje celková rychlost metabolismu. Je možné uměle uvést buňky do stavu kompetence. K tomu použijte média s vysokým obsahem iontů vápníku, cesia, rubidia, elektroporaci nebo nahraďte recipientní buňky protoplasty bez buněčných stěn.
Účinnost transformace je určena počtem kolonií vyrostlých na Petriho misce po přidání 1 μg nadšroubovicové plazmidové DNA k buňkám a naočkování buněk na živné médium. Moderní metody umožňují dosáhnout účinnosti 10 6 -10 9 .
Absorbovaná DNA musí být dvouvláknová (účinnost transformace jednovláknové DNA je řádově nižší, ale v kyselém prostředí mírně roste), její délka musí být alespoň 450 párů bází. Optimální pH pro průběh procesu je asi 7. U některých bakterií (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) musí absorbovaná DNA obsahovat určité sekvence.
DNA je nevratně adsorbována na protein vázající DNA, načež je jedno z vláken rozštěpeno endonukleázou na fragmenty dlouhé 2-4 tisíce párů bází a pronikne do buňky, druhé je zcela zničeno. Pokud mají tyto fragmenty vysoký stupeň homologie s některými úseky bakteriálního chromozomu, je možné jimi tyto úseky nahradit. Proto účinnost transformace závisí na evoluční vzdálenosti mezi dárcem a příjemcem. Celková doba procesu nepřesáhne několik minut. Následně při dělení do jedné dceřiné buňky vstupuje DNA postavená na základě původního vlákna DNA a do další dceřiné buňky DNA postavená na bázi vlákna se začleněným cizím fragmentem (štěpením).

Etapy bakteriální transformace
Transformace probíhá ve třech fázích:
1) adsorpce dvouvláknové DNA na oblasti buněčné stěny kompetentních buněk;
2) enzymatické štěpení navázané DNA v některých náhodně umístěných místech se vznikem fragmentů 4-5 * 10 6 D;
3) pronikání fragmentů DNA o molekulové hmotnosti alespoň 5 * 10 6 D, doprovázené destrukcí jednoho z řetězců DNA (poslední stupeň je energeticky závislý). Proniknutý řetězec DNA se rekombinuje s genetickým materiálem buňky příjemce.

Závěr
Transdukce slouží jako aktivní mechanismus pro tvorbu kultur se změněnými vlastnostmi a může hrát velkou roli v evoluci mikroorganismů. Schopnost transformace byla nalezena u řady bakteriálních rodů, ale zdá se, že její role ve výměně genetického materiálu mezi bakteriemi za přirozených podmínek je méně významná než úloha jiných mechanismů, protože mnoho bakterií má speciální restrikční a modifikační systémy. .

Literatura