Transduktsioon — bakteriofaagide vahendatud DNA ja geeniülekanne

Transduktsioon: kuidas bakteriofaagid vahendavad DNA- ja geeniülekannet, levitavad antibiootikumiresistentsust ning võimaldavad molekulaarbioloogias sihipärast geenisiirdamist.

Transduktsioon on protsess, mille käigus DNA kantakse ühelt bakterilt teisele viiruse abil üle. See on üks põhilisi horizontaalse geeniülekande vorme bakterite seas ja aitab selgitada, kuidas bakterid saavad kiiresti uusi omadusi, näiteks antibiootikumiresistentsust.

Joshua Lederberg ja tema üliõpilane Norton Zinder näitasid 1952. aastal, et bakteriofaagid võivad edastada geneetilist teavet salmonellabakterite vahel. See leid aitas mõista, kuidas eri bakteriliigid võisid kiiresti omandada resistentsuse ühe ja sama antibiootikumi suhtes. Nende töö oli oluline tõestus selle kohta, et viirused võivad vahendada päriliku informatsiooni ülekannet bakterite vahel.

Mekanismid ja liigid

Transduktsioon põhineb bakteriofaagi elutsüklil. Üldiselt eristatakse kahte põhiliiki:

• Generaliseeritud transduktsioon – toimub lüütilise tsükli käigus. Kui faag lõhub peremeesbakteri ja koosneb bakteris olevast DNA-st vabalt fragmente pakitakse mõnikord ekslikult faagi kapsiidi. Need faagiosakesed kannavad siis kaasas peremehe geene ja võivad neid üle kanda järgmisele nakatunud bakturile. Generaliseeritud transduktsioon võib potentsiaalselt edasi kanda suvalisi bakteri geene.
• Spetsialiseeritud transduktsioon – toimub temperaatse faagi (profaag) korral, mis integreerub peremehe genoomi ja hiljem eksisteerib profaagina. Kui profiag eksitseerub ebatäpselt, võib koos faagi DNA-ga kaasa saada peremehe lähikonnas asuvaid geene. Sellisel juhul on ülekanne piiratud vaid teatud genoomi piirkondadega.

Näiteks faagid nagu P1 (E. coli) ja P22 (Salmonella) on hästi uuritud transduktsiooni vahendajad. Transduktsiooni tõhusus sõltub faagist, peremehe spetsiifikast ja DNA pakendamise mehhanismist.

Mõju ja piirangud

• Ülekantud DNA võib olla lineaarne või fragmentaarne ja ei pruugi kohe peremehes replitseeruda – stabiilseks pärandumiseks on sageli vajalik rekombinatsioon peremehe genoomiga.
• Transduktsiooni sagedus on tavaliselt madal, ent maavises ja kliinilises keskkonnas võib see siiski oluliselt mõjutada populatsioonide genotüüpe.
• Transduktsioon võib levitada kasulikke või kahjulikke tunnuseid – nt antibiootikumiresistentsuse geene, virulentsusefaktoreid või metaboolseid isendeid.

Rakendused molekulaarbioloogias

Transduktsiooni alusel töötavad viirusvektorid on levinud tööriistad geneetilise materjali sihipäraseks viimiseks. Laborites kasutatakse faage ja muid viirusvektoreid võõrgeeni toimetamiseks peremeesraku genoomi, geenifunktsiooni uurimiseks, bakterite mutatsioonide tegemiseks ja ka genoomika- ning geneetilise kaardistuse meetodites. Faagipõhised vektorid võimaldavad tihti efektiivset ja spetsiifilist geeniülekannet bakteritele.

Turvalisus ja keskkonnamõjud

Kuigi transduktsioon on kasulik teadustöö vahend, on sellega seotud ka riskid: vabade faagide levik võib kaasa aidata antibiootikumiresistentsuse ja muude kahjulike tunnuste levikule mikroobipopulatsioonides. Seetõttu on kliinilistes ja tööstuslikes rakendustes tähtis järgida biokaitsenõudeid ja kontrollida vektorite käitumist ning levikut.

Kui bakteriofaagid nakatavad bakterirakku, on nende tavapärane paljunemisviis see, et nad kasutavad peremeesbakteriraku replikatsiooni-, transkriptsiooni- ja translatsioonimehhanismi, et valmistada arvukalt täielikke viiruseosakesi, sealhulgas viiruse DNA või RNA ja valgukate. Selle protsessi vead võivad põhjustada selle, et viirus kannab DNA-d ühest bakterist teise. Sellised vead – olgu need pakendamise eksimused lüütlilises tsüklis või ebatäpne profiagi eksitsioon temperaatses faagis – on transduktsiooni aluseks ning seletavad selle rolli mikroobide evolutsioonis ja genoomide dünaamikas.

Küsimused ja vastused

K: Mis on transduktsioon?

K: Kes avastas bakterifaagide võime kanda geneetilist informatsiooni bakterite vahel üle?

K: Miks on ülekanne oluline antibiootikumiresistentsuse mõistmiseks?

K: Mis on molekulaarbioloogide poolt kasutatav tavaline vahend võõrgeeni viimiseks peremeesraku genoomi?

K: Kuidas bakteriofaagid paljunevad?

K: Millised vead bakterifaagide paljunemisprotsessis võivad põhjustada viiruse DNA ülekandumist ühest bakterist teise?

K: Kuidas toimub transduktsioon viirusvektori kaudu?

Otsing