Трансдукция: пренос на ДНК чрез бактериофаги и вирусни вектори

Трансдукция: как бактериофаги и вирусни вектори пренасят ДНК, ускоряват генен трансфер и разпространяват антибиотична резистентност — механизми и приложения.

Трансдукцията е процес, при който ДНК се прехвърля от една бактерия на друга чрез вирус. Това е форма на хоризонтален генен трансфер, при която вирусите, които инфектират бактерии (бактериофаги), случайно или целенасочено пренасят генетична информация между клетки и по този начин допринасят за генетичната разнообразност и бързата адаптация на бактериалните популации.

През 1952 г. Джошуа Ледърбърг и неговият дипломант Нортън Зиндер показват, че бактериофагите могат да пренасят генетична информация между бактериите в Salmonella. Този процес обяснява как бактерии от различни видове могат да придобият резистентност към един и същ антибиотик много бързо, защото гени за резистентност, токсини или други адаптивни белези могат да бъдат предадени чрез фаги.

Типове трансдукция

Съществуват два основни типа трансдукция:

• Генерализирана трансдукция – при лизогенния или лизичния цикъл на някои фаги грешки при пакетиране могат да доведат до това, че части от бактериалната ДНК бъдат инкапсулирани в вирусни частици вместо вирусната ДНК. Такива частици при инфектиране на нов домакин доставят бактериална генетична информация, която може да бъде интегрирана чрез рекомбинация.
• Специализирана трансдукция – при темпераментни фаги, които се интегрират в бактериалния геном (пропрофаг), неправилното ексцизиране може да включи съседни бактериални гени във вирусната ДНК. При последваща инфекция тези специфични гени се предават на новия клетъчен гостоприемник.

Механизъм

Когато бактериофагите инфектират бактериална клетка, техният нормален начин на възпроизвеждане е да използват механизмите за репликация, транскрипция и транслация на бактериалната клетка гостоприемник, за да създадат множество завършени вирусни частици, включително вирусна ДНК или РНК и протеинова обвивка. При пакетиране на генетичния материал могат да настъпят грешки (например неправилно разпознаване на границите на фаговата ДНК), което води до вкарване на фрагменти от бактериалния геном в новите фагови частици. При инфекция на друга клетка тези фаги доставят бактериалната ДНК, която чрез хомоложна или нехомоложна рекомбинация може да се установи в гено- или плазмидния фон на новия домакин.

Трансдукция като инструмент в молекулярната биология

Трансдукцията се отнася и до процеса, при който чужда ДНК се въвежда в друга клетка чрез вирусен вектор. Това е често използван инструмент от молекулярните биолози за въвеждане на чужд ген в генома на клетката домакин. В лабораторни условия се използват различни видове вирусни вектори (напр. аденовирусни вектори, лентивирусни вектори, adeno-associated вируси), често модифицирани да бъдат репликационно-дефектни и да не причиняват продуктивна инфекция. Предимствата им включват ефективна трансдукция на трудно трансфектирани клетки и възможност за стабилна интеграция на генетичния материал, когато това е желано.

Приложения и безопасност

Вирусните вектори се използват широко в основни изследвания, за създаване на модели за болести, при генна терапия и в биотехнологията за изразяване на протеини. Заради потенциалните рискове се прилагат строги мерки за биосигурност и биобезопасност: често векторите са проектирани да са репликационно-дефектни, да нямат опасни генетични елементи и да се използват в съоръжения с подходящо ниво на безопасност.

Еволюционно и клинично значение

Трансдукцията е ключов механизъм за хоризонтален генен трансфер при бактерии и играе важна роля в разпространението на антибиотици-резистентност, вирулентни фактори и метаболитни пътища. В клиничен и екологичен контекст това улеснява бързата адаптация на микробните популации в отговор на селективен натиск, като употребата на антибиотици.

Идентификация и контрол

Трансдукцията и нейните последствия се проследяват чрез молекулярни методи като PCR, секвениране, хибридизация и чрез класически генетични техники (маркиращи гени, плътност на трансдукционни частици). В изследователски и клинични среди е важно да се оценява честотата на трансдукция и потенциалът за предаване на нежелани гени, за да се вземат мерки за ограничаване на разпространението на устойчивост и други рискове.

В обобщение, трансдукцията е мощен природен механизъм за пренос на генетична информация, който има както фундаментално биологично значение, така и приложни последици в биотехнологията и медицината. Разбирането на механизма и контролираната употреба на вирусни вектори позволяват да се използват ползите от трансдукцията, като се минимизират рисковете.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява трансдукцията?

В: Кой е открил способността на бактериофагите да пренасят генетична информация между бактериите?

В: Защо трансдукцията е важна за разбирането на антибиотичната резистентност?

В: Кой е обичайният инструмент, използван от молекулярните биолози за въвеждане на чужд ген в генома на клетката-гостоприемник?

В: Как се размножават бактериофагите?

Въпрос: Какви грешки в процеса на възпроизвеждане на бактериофага могат да доведат до пренасяне на ДНК от една бактерия в друга?

В: Как се осъществява трансдукцията чрез вирусен вектор?

Търсене по буква