4.3. Трансдукция

Трансдукцией называют передачу ДНК от клетки-донора клетке-реципиенту при участии бактериофага. В процессе репродукции в бактериях иногда образуются фаги, которые наряду с фаговой ДНК или вместо нее содержат фрагменты бактериальной ДНК. По морфологии и адсорбционным свойствам они ничем не отличаются от обычных фаговых вирионов, но при заражении ими новых клеток они передают им генетические детерминанты предыдущего хозяина. В силу этого их называют трансдукционными фагами. (Н.Циндляр, Дж. Ледерберг, 1951).

Различают два основных типа трансдукции – общую (неспецифическую) и специфическую. При общей трансдукции во вновь синтезируемые капсиды (головки) фага упаковывается фрагмент бактериальной ДНК вместо ДНК фага. Включение бактериальной ДНК может произойти на различных ее участках, поэтому клетке-реципиенту передаются передаются различные свойства клетки-донора. Отсюда и название такого типа трансдукции – общая или неспецифическая. Но так как трансдуцируются небольшие фрагменты ДНК, вероятность рекомбинации, затрагивающей какой-то определенный признак, очень мала, от 10^-6 до 10^-8.

Специфическая трансдукция осуществляется фагами, ДНК которых соединяется только с определенным участком хромосом бактерии, вследствие конкретной точки его прикрепления на хромосоме. В результате захваченная им строго определенная область (фрагмент) бактериальной ДНК затем передается реципиентной клетке. Таким образом, у рекомбинанта появляется и определенный признак.

Предпосылкой успешного переноса генов при специфической трансдукции (в отличии от неспецифической) является интеграция фага в геном клетки хозяина. Если трансдуцируемый фрагмент ДНК не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента, то новых свойств у потомства реципиента не обнаруживается (абортивная трансдукция)

Таким образом, трансдуцироваться могут как фрагменты хромосомной ДНК, так и фрагменты (или даже целиком) ДНК плазмид (чаще хромосомная ДНК). Этот способ (как и конъюгация) имеют важное значение в генетических исследованиях и широко применяются при конструировании новых штаммов бактерий. Так, путем трансдукции был получен штамм Serratia – активный продуцент изолейцина (аминокислота). Получены и другие активные продуценты аминокислот, штаммы с антибиотикоустойчивостью, более выраженной антигенностью и вирулентностью.

4.4. Трансформация

Гены могут также передаваться из клетки в клетку без всякого межклеточного контакта и без каких-либо переносчиков. Такую передачу генов при помощи свободной растворимой ДНК, выделенной из клеток-доноров, называют трансформацией. Освобождение ДНК из клеток-доноров может произойти при самопроизвольном лизисе, разрушении их лизоцимом, при тепловой инактивации и т.д.

Относящиеся к трансформации бактерий явления впервые описал Ф.Гриффит (1928), наблюдая превращение бескапсульного непатогенного стрептококка в патогенный штамм, образующий капсулу. Инактивированная теплом патогенная и живая непатогенная культура при раздельном введении не вызывало гибели мышей, а при смешанном введении – мыши погибали и из их крови были выделены вирулентные бактерии с капсулой штамма стрептококка, убитого нагреванием. Природу «трансформирующегося фактора» удалось установить Эвери и др. (1944). Этот фактор представлял собой ДНК. Это открытие сыграло важную роль в истории науки, ибо оказалось решающим аргументом в пользу того, что генетическая информация содержится в ДНК, а не в белке.

Трансформация может осуществляться хромосомной и плазмидной ДНК. Но микроорганизмы не всегда способны к трансформации. Трансформируются только компетентные клетки, способные адсорбировать и поглощать ДНК. У них снижен поверхностный заряд, повышена чувствительность к осмотическому шоку (их доля клеточной популяции не превышает 15 %). Они имеют белки, способствующие адсорбации и поглощению ДНК. Компетенция зависит и от физиологического состояния клетки: она наиболее высока в середине фазы экспоненциального роста (имеются и видовые отклонения). На состояние компетенции влияет температура, pH, ионы металлов, осмотическое давление и другие факторы внешней среды.

Доказана возможность передачи признаков с помощью очищенной ДНК гемофильных бактерий, иерсиний, бацилл, псевдомонад, эшерихий и многих других.

Способствуют трансформированию обработки культур растворами хлорида кальция, солями лития, трис-буфером при pH 8,3-8,9 в течение 30-40 минут, а также глубокое замораживание с последующим оттаиванием при 42 градусах. Такими способами удается вызвать появление компетентности у бактерий, ранее считавшихся некомпетентными видами (эшерихии).

Трансформирующей ДНК может быть только высокомолекулярные двухцепочечные фрагменты. Проникать в бактериальную клетку может ДНК, выделенная из различных источников, но включаться в геном – только ДНК с определенной степенью гомологичности. Проникший в реципиентную клетку фрагмент близко родственный ДНК способен вызвать трансформацию с достаточно высокой частотой – порядка 0,2 – 0,3.

Используя естественную компетентность или вызывая компетентное состояние искусственно, можно осуществлять генетическую трансформацию различных видов микроорганизмов, имеющих биопромышленное значение.

С помощью трансформации можно «вводить» в геном определенные свойства или удалять нежелательные мутации. Таким способом избавились от мутаций, снижающих жизнеспособность клеток в штамме Bac.subtilis, продуцирующего триптофан. Этим способом могут передаваться такие признаки, как устойчивость к разным ядам и антибиотиками, прототрофность в отношении отдельных аминокислот, синтез капсульного полисахарида и ферментов.

В заключении этой части лекции стоит отметить, что обмен генетическим материалом между разными особями у прокариот и возникновение на базе этого особей с рекомбинантным генотипом позволяет получать дополнительный материал для селекционной работы. Из трех основных процессов, происходящих у прокариот, к генетическим рекомбинациям наиболее совершенным является процесс конъюгации, т.к. он обеспечивает наиболее полный объем генетической информации.

Однако эффективность генетической рекомбинации сдерживается множеством барьеров на пути выражения чужеродного генетического материала. На преодоление этих барьеров направлена современная научная мысль и технические достижения, в концентрированном виде представленные в биотехнологическом методе получения рекомбинантных молекул ДНК, или в генной инженерии.