13.13: Бактериальная трансформация

В 1928 году бактериолог Фредерик Гриффит работал над вакциной от пневмонии, вызываемой бактериями Streptococcus pneumoniae . Гриффит изучил на мышах два штамма пневмонии: патогенный и непатогенный. Только патогенный штамм убивал мышей-хозяев.

Гриффит сделал неожиданное открытие, убив патогенный штамм и смешав его остатки с живым непатогенным штаммом. Эта смесь не только убивала мышей-хозяев, но и содержала живые патогенные бактерии, которые производили патогенное потомство. Гриффит пришел к выводу, что непатогенный штамм получил что-то от мертвого патогенного штамма, что преобразовало его в патогенный штамм; он назвал это принципом трансформации.

Во время исследований Гриффита велись горячие споры по поводу идентичности генетического материала. Многие ранние свидетельства предполагают, что белки являются наследственными молекулами. Эксперименты Гриффита по бактериальной трансформации предоставили некоторые из самых ранних данных, демонстрирующих, что ДНК является генетическим материалом.

Бактерии встраивают внешнюю ДНК посредством трансформации. Трансформация происходит естественным путем, но ее также вызывают в лабораториях - часто для клонирования ДНК. Чтобы клонировать конкретный ген, ученые могут вставить ген в плазмиду, кольцевую молекулу ДНК, которая может независимо реплицироваться. Плазмида часто содержит ген устойчивости к антибиотикам. Бактерии захватывают плазмиду посредством трансформации. Затем ученые подвергают бактерии воздействию антибиотиков. Выжившие бактериальные колонии должны содержать плазмиду, потому что плазмида содержит ген устойчивости к антибиотикам. Анализ ДНК может подтвердить присутствие гена в плазмиде. Бактериальные колонии с желаемым геном размножаются, и их можно использовать для производства большего количества плазмид или белков.

Почему бактерии принимают чужеродную ДНК? В отличие от организмов, размножающихся половым путем, бактерии по сути клонируют себя. Этот репродуктивный метод, называемый двойным делением, предлагает мало возможностей для генетической изменчивости. Хотя мутации вносят некоторое разнообразие, многие мутации вредны. Совместное использование генов посредством трансформации, а также конъюгации и трансдукции позволяет прокариотам развиваться.

Бактериальное преобразование это процесс, с помощью которого бактерии принимают экзогенную ДНК, или ДНК, которая происходит из источников за пределами клетки. Некоторые бактерии могут подвергнуться преобразование естественно;это также может быть вызвано в лабораторных условиях в рамках процесса клонирования ДНК, важного шага в процессе изучения последовательности и функции генов и белков, которые они кодируют. Для того чтобы осуществить трансформацию, бактерии должны быть компетентными это означает, что либо у них есть молекулярная машинерия для транспортировки фрагментов ДНК через стенку клетки и мембрану клетки, либо они химически обработаны таким образом, чтобы их клеточные стенки были проницаемыми для ДНК.

В лаборатории, интересующая последовательность ДНК вставляется в плазмид, который является круглым куском ДНК. В плазмиде обычно также содержится последовательность, такая как ген резистентности к антибиотикам;это позволяет учёным проводить скрининг для трансформантов, бактерий, которые заняли плазмид. Много копий плазмида добавляется к компетентным бактериям в жидкой среде, и тепловой удар заставляет бактерии принять ДНК.

Тогда бактерии вырастают на выбранных носителях, сделанных с компонентами, которые продвигают рост некоторых бактерий и препятствуют росту других. Только бактерии, которые сделали копии из плазмида, выживут на выбранном носителе и размножатся в колонии, видимые как пятна роста бактерий, которые получены из одной клетки.