Koniugacja bakterii - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy koniugacji bakterii. Zapoznaj się również z: przykłady koniugacji innych organizmów.

Schemat przedstawiający koniugację bakterii

Koniugacja - proces poziomego transferu genów u niektórych bakterii polegający na bezpośrednim przekazywaniu DNA z jednej komórki do drugiej, kiedy wchodzą one ze sobą w kontakt za pośrednictwem pilusów, czyli cieńkich mostków cytoplazmatycznych. Po wymianie materiału genetycznego organizmy rozłączają się i dzielą. Koniugacja najbardziej przypomina proces płciowy występujący u Eukaryota. Została opisana po raz pierwszy w 1964 roku przez amerykańskiego genetyka Joshua Lederberga. Dalsze badania nad koniugacją doprowadziły do zebrania znacznej ilości danych na jej temat.

Materiał genetyczny - substancja chemiczna będąca nośnikiem informacji genetycznej. Inaczej mówiąc, materiał genetyczny jest fizycznym nośnikiem dziedziczności. U wszystkich znanych organizmów żywych materiałem genetycznym jest DNA. U niektórych wirusów, np. u wirusa grypy lub wirusa HIV, funkcję tę pełni RNA.

Plazmid – cząsteczka DNA występująca w komórce poza chromosomem i zdolna do autonomicznej (niezależnej) replikacji. Plazmidy występują przede wszystkim u prokariotów, ale znane są także nieliczne plazmidy występujące u eukariotów. Zazwyczaj plazmidy nie niosą genów metabolizmu podstawowego, a więc nie są komórce niezbędne do przeżycia. Mogą jednak kodować produkty potrzebne w pewnych specyficznych warunkach, na przykład geny oporności na antybiotyki lub umożliwiające rozkład i asymilację różnych związków odżywczych. Plazmidy mogą być przekazywane pomiędzy komórkami bakteryjnymi na trzy różne sposoby, za pomocą koniugacji , transdukcji i transformacji [1].

Typy płciowe bakterii

Szczep bakterii, zawierający plazmid kodujący białko, odpowiedzialne za wytwarzanie struktur komórkowych zwanych pilusami, posiada typ płciowy F. W przeciwieństwie do niego szczep F nie posiada takiego plazmidu. Gdy dochodzi do spotkania dwóch bakterii o odmiennych typach płciowych, pilusy wytworzone przez bakterię typu F, przenikają przez cienką ścianę komórkową bakterii F i następuję wymiana materiału genetycznego (DNA). Dodatkowo koniugacja może zachodzić między typem Hfr i F. Ze względu na różnice w budowie plazmidów uznano bakterie F i Hfr za męskie a F za żeńskie.

Cytoplazma – część protoplazmy komórki eukariotycznej pozostająca poza jądrem komórkowym a w przypadku, z definicji nie posiadających jądra, komórek prokariotycznych – cała protoplazma.

Kwas deoksyrybonukleinowy (dawn. kwas dezoksyrybonukleinowy), w skrócie DNA (od ang. Deoxyribonucleic acid) – wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. Występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.

Przebieg koniugacji

Koniugacja to proces wieloetapowy. Zaczyna się od kontaktu czubka pilusa z odpowiednim receptorem na powierzchni komórki innej bakterii. Następnie zostaje on unieruchomiony i ulega retrakcji a następnie degradacji, doprowadzając do bezpośredniego kontaktu osłon komórkowych. Umożliwia to lokalne ścisłe zespolenie błon. Pary komórek, które połączyły się w ten sposób są wystarczajaco stabilne i gotowe do przekazania DNA.

Ściana komórkowa - martwy składnik komórki, otoczka komórki o funkcji ochronnej i szkieletowej. Ściana komórkowa występuje u roślin, grzybów, bakterii i niektórych protistów. U każdej z tych grup jest zbudowana z innych substancji, np. u grzybów jest to chityna, a u roślin celuloza i jej pochodne (hemiceluloza i pektyna) oraz lignina, natomiast u bakterii podstawowym składnikiem jest mureina. Ściana komórkowa leży na zewnątrz błony komórkowej. W tkankach ściany komórkowe sąsiadujących ze sobą komórek są zlepione pektynową substancją tworzącą blaszkę środkową. Między komórkami istnieją wąskie połączenia w postaci plasmodesm - wąskich pasm cytoplazmy przenikających ściany i zawierających fragmenty retikulum endoplazmatycznego. Młode komórki roślin otoczone są ścianą pierwotną, której strukturę wewnętrzną stanowią ułożone w sposób nieuporządkowany łańcuchy celulozowe wypełnione hemicelulozą i pektyną. W starszych komórkach obserwuje się również ścianę wtórną - powstającą po wewnętrznej stronie ściany pierwotnej, zwykle grubszą i bardziej wytrzymałą niż pierwotna, o uporządkowanej budowie szkieletu celulozowego, również wypełnionego hemicelulozą i pektyną. Ulega ona inkrustacji (węglan wapnia, krzemionka lub lignina) i adkrustacji (kutyna, suberyna, woski).

Gen (gr. γηνοσ – ród, pochodzenie) – podstawowa jednostka dziedziczności, która determinuje powstanie jednego polipeptydu lub kwasów rRNA lub tRNA.

Transfer genów rozpoczyna się od jednoniciowego nacięcia w odpowiednim miejscu plazmidu przez dane białko. Następnie nacięta nić jest przepychana do komórki biorcy. Po przekazaniu plazmidu jego liniowa forma ulega cyrkularyzacji. W czasie przekazywania materiału genetycznego następuje już synteza nowych genów z materiałem genetycznym naturalnie występującym u danej bakterii. Synteza nici komplementarnych w komórce dawcy przebiega w sposób ciągły a w komórce biorcy poprzez fragmenty Okazaki.

Populacja biologiczna — zespół organizmów jednego gatunku żyjących równocześnie w określonym środowisku i wzajemnie na siebie wpływających, zdolnych do wydawania płodnego potomstwa. Nie jest to jednak suma osobników jednego gatunku, a zupełnie nowa całość.

Penicyliny, antybiotyki penicylinowe (ATC J 01 C) – szeroko stosowana grupa bakteriobójczych antybiotyków; najstarsza grupa antybiotyków β-laktamowych.

W czasie koniugacji z komórką Hfr, do biorcy przekazany zostaje zwykle fragment chromosomu, poczynając od miejsca integracji plazmidu F. Dzięki temu powstają niepełne zygoty, nazywane merezygotami. Chromosom Hfr przekazywany jest do komórki F zwykle ze stałą prędkością a na przekazanie całości potrzeba od 100 do 110 minut. Efektem tej koniugacji jest uzyskanie rekombinatów.

Gatunek (łac. species) – termin stosowany w biologii w różnych znaczeniach, zależnie od kontekstu, w jakim występuje. Najczęściej pod pojęciem gatunku rozumie się:

Chromosom – forma organizacji materiału genetycznego wewnątrz komórki. Nazwa pochodzi z greki, gdzie χρῶμα (chroma, kolor) i σῶμα (soma, ciało). Chromosomy rozróżniano poprzez wybarwienie.

Znaczenie koniugacji

Biologiczna rola koniugacji polega prawdopodobnie na przenoszeniu plazmidów między różnymi komórkami danej populacji. Na plazmidach znajdują się często cechy selekcyjne (np. oporność na dany antybiotyk), toteż proces ten ma olbrzymie znaczenie. Prawdopodobnie dzięki koniugacji powstały w krótkim czasie lekooporne bakterie, takie jak Shigella oporna na różne antybiotyki lub gronkowiec złocisty (Straphylococus aureus) oporny na penicylinę.

Antybiotyki (z greki anti – przeciw, bios – życie) – naturalne, wtórne produkty metabolizmu drobnoustrojów, które działając wybiórczo w niskich stężeniach wpływają na struktury komórkowe lub procesy metaboliczne innych drobnoustrojów hamując ich wzrost i podziały. Antybiotyki są przedmiotem badań auksanografii, stosuje się je jako leki w leczeniu wszelkiego rodzaju zakażeń bakteryjnych. Bywają także używane profilaktycznie w zapobieganiu zakażeniom bakteryjnym w przypadku osłabienia odporności, np. neutropenii, a także w profilaktyce bakteryjnego zapalenia wsierdzia.

Bakterie (łac. Bacteriae, od gr. bakterion – "pałeczka") – grupa mikroorganizmów, stanowiących osobne królestwo. Są to jednokomórkowce lub zespoły komórek o budowie prokariotycznej. Badaniem bakterii zajmuje się bakteriologia, gałąź mikrobiologii.

Koniugację opisano w tej chwili u wielu gatunków bakterii, w tym u sinic. U większości połączenie komórek nie jest zbyt silne, w związku z czym nie może trwać długo. Dlatego w celu otrzymania rekombinatów bakterie hoduje się na odpowiednich pożywkach.

Komórki Hfr występują w przyrodzie niezwykle rzadko, toteż prawdopodobnie nie odgrywają one zbyt dużej roli w procesie przekazywania materiału genetycznego między bakteriami.

Pożywka bakteryjna (zwana czasem podłożem bakteryjnym lub pożywką) to mieszanina związków chemicznych umożliwiających hodowlę bakterii lub grzybów. Po raz pierwszy bulionu odżywczego użył w 1877 roku Ludwik Pasteur. Oprócz tego Robert Koch używał pożywek zestalanych żelatyną, które udoskonalił za radą żony swego współpracownika, pani Hesse, używając agaru.

Poziomy transfer genów (zwany też: horyzontalnym (HTG) lub lateralnym (LTG)) - przechodzenie genów między gatunkami. Typowe dziedziczenie genów od przodka do potomka nazywane jest w terminologii genetycznej pionowym transferem genów (VTG ang: vertical gene transfer).

Bibliografia

Zagadka zmienności i dziedziczności. W: Władysław J.H. Kunicki- Goldfinger: Życie bakterii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1998, s. 334-339. ISBN 978-83-01-14378-7.