13.13: Transformacja bakteryjna

W 1928 roku bakteriolog Frederick Griffith pracował nad szczepionką na zapalenie płuc wywoływane przez bakterię Streptococcus pneumoniae. Griffith badał dwa szczepy wywołujące zapalenie płuc u myszy: jeden patogenny i jeden niepatogenny. Tylko patogenny szczep zabił myszy-gospodarza.

Griffith dokonał nieoczekiwanego odkrycia, zabijając patogenny szczep i mieszając jego pozostałości z żywym, niepatogennym szczepem. Mieszanka nie tylko zabiła myszy żywicielskie, ale zawierała także żywe bakterie chorobotwórcze, które dały patogenne potomstwo. Griffith doszedł do wniosku, że szczep niepatogenny otrzymał od martwego szczepu patogennego coś, co przekształciło go w szczep patogenny; nazwał to zasadą przekształcającą.

W czasie badań Griffitha toczyła się gorąca debata na temat tożsamości materiału genetycznego. Wiele wczesnych dowodów wskazywało, że białka są cząsteczkami dziedzicznymi. Eksperymenty Griffitha dotyczące transformacji bakterii dostarczyły jednych z najwcześniejszych danych wykazujących, że DNA jest materiałem genetycznym.

Bakterie włączają zewnętrzne DNA poprzez transformację. Transformacja zachodzi naturalnie, ale jest również indukowana w laboratoriach — często w celu klonowania DNA. Aby sklonować konkretny gen, naukowcy mogą wprowadzić go do plazmidu, okrągłej cząsteczki DNA, która może się niezależnie replikować. Plazmid często zawiera gen oporności na antybiotyki. Bakterie pobierają plazmid poprzez transformację. Następnie naukowcy wystawiają bakterie na działanie antybiotyków. Kolonie bakteryjne, które przeżyły, powinny zawierać plazmid, ponieważ plazmid zawiera gen oporności na antybiotyk. Analiza DNA może potwierdzić obecność genu w plazmidzie. Kolonie bakteryjne z pożądanym genem rozmnażają się i można je wykorzystać do wytworzenia większej liczby plazmidów lub białek.

Dlaczego bakterie miałyby pobierać obce DNA? W przeciwieństwie do organizmów rozmnażających się płciowo, bakterie zasadniczo klonują się. Ta metoda reprodukcji, zwana rozszczepieniem binarnym, oferuje niewiele możliwości zmienności genetycznej. Chociaż mutacje wprowadzają pewną różnorodność, wiele mutacji jest szkodliwych. Dzielenie się genami poprzez transformację, a także koniugację i transdukcję umożliwia ewolucję prokariotów.

Transformacja bakteryjna to proces, w którym bakterie pobierają egzogenne DNA pochodzące spoza komórki.

Niektóre bakterie mogą przekształcać się naturalnie lub być indukowane w laboratorium w ramach procesu klonowania DNA, co jest przydatne do badania sekwencji i funkcji genów oraz kodowanych przez nie białek.

Aby nastąpiła transformacja, bakterie muszą być albo naturalnie zdolne do pobierania zewnątrzkomórkowego DNA ze środowiska, albo być poddawane obróbce chemicznej w laboratoriach, aby ich ściany komórkowe były przepuszczalne dla DNA.

W laboratorium sekwencja DNA, która jest przedmiotem zainteresowania, jest wprowadzana do okrągłego fragmentu DNA zwanego plazmidem. Plazmid zazwyczaj zawiera również sekwencję kodującą gen oporności na antybiotyki, który umożliwia badanie przesiewowe transformantów lub innymi słowy, selekcję bakterii, które wchłonęły plazmid.

Kilka kopii plazmidu jest następnie dodawanych do płynnego podłoża zawierającego kompetentne bakterie, a następnie poddaje się go szokowi cieplnemu, aby umożliwić bakteriom wchłonięcie DNA.

Przekształcone bakterie są następnie umieszczane na selektywnych pożywkach zawierających specyficzne antybiotyki, które umożliwiają przetrwanie i wzrost tylko opornych komórek, które wchłonęły sklonowany plazmid.

Transformanty te dalej się namnażają, tworząc kolonie, które są widocznymi plamami wzrostu bakterii pochodzącymi z pojedynczej komórki.