مقدمه:
مواد ژنتیکی به چند طریق می توانند در بین باکتری ها انتقال یابند. در همه مکانیسم های انتقال یک یاخته دهنده وجود دارد که بخشی از DNA خود را به یاخته گیرنده می دهد. معمولا پس ازانتقال این بخش از DNA یاخته دهنده جزئی از یاخته گیرنده می شود و بقیه آن بوسیله آنزیم های درون یاخته ای تجزیه می شوند. در این صورت یاخته گیرنده را که حاوی بخشی از DNA یاخته دهنده است، نوترکیب می نامند. انتقال مواد ژنتیکی در باکتری ها پدیده متداولی نیست و تنها ممکن است در میان یک درصد کل جمعیت باکتری رخ دهد.
پلاسمید:
پلاسمید را می توان قسمتی از ماده ژنتیکی یا ژنوم یک جاندار دانست که مستقل از ژنوفور عمل می کند. پلاسمید ها در باکتری ها، مخمرها و گیاهان به طور طبیعی دیده می شوند ولی می توان آن ها را به شکل مصنوعی وارد سلول های جانوری کرد.
پلاسمید ها معمولا به شکل یک مولکول DNA دو رشته ای حلقوی هستند ولی انواع خطی آن نیز وجود دارد. همانند سازی پلاسمید ها در سیتوپلاسم و به طور مستقل از ژنوفور انجام می گیرد. هر پلاسمید دارای یک محل آغاز همانند سازی( ori) است که همانند سازی از آن نقطه آغاز می شود.
تفاوت پلاسمید با کروموزم: پلاسمید ها عناصر ژنتیکی هستند که چندان ضرورتی برای سلول ندارند و تنها برخی ویژگی ها را به باکتری می دهند که به بقای آن ها کمک می کند و در صورتی که پلاسمید های سلول حذف شوند، سلول می تواند به زندگی خود ادامه دهد. همچنین همانند سازی پلاسمید ها ارتباطی با چرخه و تقسیم سلولی ندارد و پلاسمید ها می توانند مستقل از چرخه سلولی به تعداد نا محدود تکثیر شوند. (تعداد را نیاز سلول و شرایط محیطی تعیین می کند). در هر سلول ممکن است چندین پلاسمید مشابه وجود داشته باشد. درحالی که کروموزم ها برای سلول بسیار حیاتی هستند، در صورت حذف هر یک از کروموزم ها، سلول خواهد مرد.
تعداد دقیق کروموزم ها برای تعادل ژنتیکی سلول ضروری است حتی اگر یکی از کروموزم های همولوگ حذف شود این تعادل بهم می خورد. همانند سازی کروموزم ها دقیقا منطبق با چرخه سلولی است و در هرچرخه سلولی فقط یک بار همانند سازی می کنند.
پلاسمید در باکتری ها:
بیشتر باکتری ها دارای پلاسمید هایی می باشند که به آن ها ویژگی های تازه ای مانند مقاومت به یک آنتی بیوتیک خاص، مصرف نوعی قند یا اسید آمینه، تولید رنگدانه، بیماری زایی، تجزیه هیدروکربن ها یا مولکول های شیمیایی پیچیده و... می دهد. یکی از ویژگی های برجسته پروکاریوت ها، توانایی آن ها در تبادل بسته های کوچک اطلاعات ژنتیکی است. این اطلاعات به صورت پلاسمید ها منتقل می شوند. در بعضی موارد، پلاسمید ها ممکن است از یک سلول به سلول دیگری منتقل شده و بنابراین مجموعه ای از اطلاعات ژنتیکی تخصص یافته را درون یک جمعیت انتقال دهند. بعضی پلاسمید ها میزبان های زیادی دارند که آن ها را قادر می سازند مجموعه ای از ژن ها را به باکتری های مختلف منتقل کنند. در باکتری، پلاسمید ها می توانند از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل شوند و به همراه این انتقال ویژگی های باکتری نیز منتقل می شود.
مثلا یک باکتری که مقاوم به پنی سیلین نبوده در اثر دریافت یک پلاسمید که ژن مقاومت به پنی سیلین را داراست، به این آنتی بیوتیک مقاوم می شود. یا یک باکتری که بیماری زا نبوده، در اثر دریافت یک پلاسمید، بیماری زا می شود.
پلاسمید در مخمر:
این پلاسمید ها به صورت آزاد در مخمر وجود دارند. یکی از انواع طبیعی پلاسمید های مخمر، پلاسمید 2 میکرونی است که از جمله پلاسمید های حلقوی مخمر می باشد. این پلاسمید مخمری در حدود 6300 جفت باز دارد که تعداد کپی آن به 50 کپی در نوکلئوپلاسم (فضای درونی هسته) می رسد. تقسیم این
پلاسمید ها وابسته به کروموزم مخمری نمی باشد و احتمالا پروتئین های لازم را برای همانند سازی، خود کد می کنند. گروه دیگری از کروموزم های حلقوی مخمر، پلاسمید های اپیزومی می باشند.
کونژوگاسیون:
کونژوگاسیون باکتریایی یکی از مکانیسم های اصلی برای انتقال ژن افقی است که در طی این فرایند یک DNA تک رشته ای از پلاسمید کونژوگاتیو از یک سلول باکتریایی دهنده به پذیرنده منتقل می شود. در طی فرایند کونژوگاسیون، باکتری دهنده نقش میزبان عنصر ژنتیکی کونژوگاتیو متحرکی را بازی می کند که اغلب یک پلاسمید یا ترانسپوزان متحرک یا کونژوگاتیو می باشد. همچنین اکثر پلاسمیدهای کونژوگاتیو دارای سیستم هایی هستند که تضمین می کنند سلول پذیرنده فاقد عناصر ژنتیکی مشابه با عنصر منتقل شونده باشد.
اطلاعات ژنتیکی منتقل شده اغلب به نفع سلول پذیرنده بوده و ممکن است شامل ژن های مقاومت آنتی بیوتیک، تحمل زنوبیوتیک ها و یا توانایی مصرف یک متابولیت جدید می باشد. این قبیل پلاسمید های مفید گاهی اوقات به عنوان درون همزیست های باکتریایی مورد توجه قرارمی گیرند. البته برخی عناصر کونژوگاتیو نیز به صورت انگل های ژنتیکی رفتار می کنند و در این حالت کونژوگاسیون، مکانیسمی تحول یافته است که عنصر ژنتیکی متحرک از آن برای انتشار خودش به درون میزبان های جدید استفاده می کنند.
پلاسمید های کونژوگاتیو در داخل گروه های ناسازگار مختلفی (Incompatibiliti groups:Inc) از جمله IncW,IncP,IncN,IncQ,IncI,IncF-i,IncF-ii,…
گروه بندی می شوند.
فرایند کونژوگاسیون باکتریایی فرایند پیچیده بوده و شامل پنج مرحله یا فعالیت متمایز است که عبارتند از تنظیم فرایند کونژوگاسیون،ممانعت سطحی و ممانعت از ورود مجدد، پایدار سازی جفت شدگی ایجاد شده در حین فرایند کونژوگاسیون، مونتاژ و تخریب (واپس گیری) پیلی جنسی و در نهایت انتقال DNA پلاسمیدی تک رشته ای.
کمپلکس های پروتئینی مختلفی در مراحل مختلف این فرایند پیچیده و مهم فعالیت می کنند و سبب می شوند که باکتری دهنده از طریق پروتئین های حسگر مستقر در سطح سلول باکتری پذیرنده فاقد پلاسمید را شناسایی نموده و از طریق پیلی جنسی خود که توسط ژن های موجود در سطح همان پلاسمید در باکتری دهنده بیان می شوند و به باکتری پذیرنده متصل می شود. پس از اطمینان یافتن از برقراری اتصال محکم و پایدار بین دو سلول دهنده و گیرنده کمپلکس ویژه ای موسوم به ریلاکسوزوم درون سلول دهنده تشکیل می شود که نقش آن باز کردن سوپرکوبل های منفی در DNA دو رشته ای پلاسمیدی و ایجاد یک تک رشته ای موسوم به T-DNA یا DNA انتقالی که می تواند توسط سیستم ترشحی نوع چهار که آن نیز توسط ژن های مستقر بر روی پلاسمید بیان می شوند از غشاها و دیواره های دو سلول عبور کرده و به درون سلول پذیرنده وارد شود.
سپسT-DNA تک رشته ای وارد شده توسط سلول پذیرنده اغلب به روش همانند سازی حلقه چرخان، همانند سازی نموده و به صورت دو رشته ای در می آید.
ساختار ژنوم باکتری:
ژن به کل اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده اتلاق می شود. کروموزوم باکتری های حلقوی حدود 4000Kbpاست. علاوه بر کروموزم اصلی باکتری ها DNA حلقوی دیگری (پلاسمید) نیز در باکتری ها وجود دارد که اطلاعات لازم برای تولید مثل، مقاومت به آنتی بیوتیک ها، ژن تولید گال در گیاهان (آگرو باکتریوم تومی فاشینس)، تولید آنترو توکسین و ... روی آن قرار گرفته است.
پلاسمید ها توسط سایر باکتری ها از طریق دیواره جذب می شوند. نتیجه چنین رویدادی ایجاد سویه های جدید مقاوم به آنتی بیوتیک هاست؛ این رویداد ترانسفورماسیون نامیده می شود که در حال حاضر اساس مهندسی ژنتیک (بیوتکنولوژی) است. با استفاده از انتقال ژن بیماری زا از یک باکتری به باکتری غیر بیماری زا و تولید واکسن ها و مواد مفید دیگر مانند انسولین انسانی از طریق انتقال ژن انسولین ساز انسانی به باکتری ها و غیره نتیجه مطلوب انتقال ژن و مهندسی ژنتیک باکتری ها است.
انتقال ژن در باکتری ها به سه روش دگرگونی، الحاق و انتقال صورت می گیرد.
دگرگونی در باکتری ها:
ژن ها در فرایند دگرگونی، به صورت DNA عریان در محلول از یک باکتری دیگر منتقل می شوند. این پدیده نخستین بار در حدود 50 سال قبل بدون درک دقیق مکانیسم آن نشان داده شد. هنگامی که گریفیت به سال 1928 در انگلستان سرگرم مطالعه بر روی باکتری استرپتوکوکوس پنومونیه بود به این پدیده پی برد.
این باکتری دارای دونوع کپسول دار و بدون کپسول است که تنها نوع کپسول دار آن بیماری زا است. این دانشمند در صدد روشن کردن این مسئله بود که آیا پنوموکک بیماری زا کشته شده شده در دمای 60درجه سانتی گراد می تواند موش را بر عیله این بیماری واکسینه کند یا نه.
او در حین انجام آزمایش های خود متوجه شد که موش تزریق شده با این نوع باکتری کشته شده، به بیماری مبتلا نمی شود ولی هنگامی که این باکتری های کشته شده با نوع غیربیماری زا ی زنده مخلوط و سپس تزریق شوند، موش هایی که در اثر بیماری مرده اند می توان باکتری های کپسول دار را یافت.
از این آزمایش چنین نتیجه گرفته شد که مواد وراثتی از باکتری های بیماری زا وارد یاخته زنده شده آن ها را از نظر ژنتیکی به گونه ای تغییر داده اند که به نوع کپسول دار مبدل شده اند. پژوهش های بعدی انجام شده برمبنای آزمایش گریفیت نشان داد که دگرگونی باکتری ها می تواند با استفاده از روش های استاندارد کشت میکروبی انجام شود.
در طبیعت برخی از باکتری ها احتمالا پس از مردن و متلاشی شدن، DNA خود را در محیط آزاد می کنند. بخش هایی از این DNA می توانند بوسیله باکتری های دیگر جذب شده در آن ها صفت یا صفات جدید را ایجاد کند. یاخته دریافت کننده این ژن ها نوعی هیبرید یا یاخته نوترکیب است. این نوع دگرگونی یاخته ای طبیعت تنها در میان انواع محدودی از جمله انواع باسیلوس، هموفیلوس، نایسریا، ریزوبیوم و برخی از استرپتوکک ها واستافیلوکک ها دیده می شود. در صورتی که یاخته های دهنده و گیرنده به یکدیگر نزدیک باشند عمل دگرگونی ساده تر و بهتر صورت می گیرد. وقتی یاخته دریافت کننده در شرایط فیزیولوژیکی مناسب برای دریافت و پذیرش DNA یاخته دهنده باشد، Competent نامیده می شود.