Transformace (genetika): příjem cizí DNA u bakterií a eukaryot
Transformace (genetika): jak bakterie i eukaryota přijímají cizí DNA, přirozeně i uměle — principy, metody a význam v molekulární biologii.
V molekulární biologii je transformace genetická změna buňky přímým přijetím a expresí DNA z jejího okolí.
K transformaci dochází přirozeně u některých druhů bakterií a lze ji provést i uměle. Bakterie, které jsou schopné transformace, ať už přirozené nebo umělé, se nazývají kompetentní.
Transformace je jedním ze tří procesů, kterými lze do bakteriálních buněk dostat vnější genetický materiál. Další dva jsou konjugace (přenos genetického materiálu mezi dvěma bakteriálními buňkami v přímém kontaktu) a transdukce (vpravení cizí DNA bakteriofágem do hostitele).
Transformace se může používat také pro popis vložení nového genetického materiálu do nebakteriálních buněk, jako jsou živočišné a rostlinné buňky. Vnesení cizí DNA do buněk eukaryot se obvykle nazývá "transfekce".
Mechanismus u bakterií
Přirozená transformace začíná navázáním volné DNA na povrch buňky, jejím průnikem přes buněčnou stěnu a membrány a následnou integrací do genomu nebo udržením jako autonomní plazmid. U mnoha druhů je přijata pouze jednovláknová (ss) DNA, zatímco druhé vlákno je štěpeno během průchodu póry. Integrace volné DNA do chromozomu probíhá často homologní rekombinací za účasti proteinů jako RecA.
Rozdíly mezi Gram-pozitivními a Gram-negativními bakteriemi:
- Gram-pozitivní druhy (např. Bacillus, Streptococcus) využívají specifické kompetenční proteiny (Com systémy) a často reagují na signály prostředí nebo quorum sensing.
- Gram-negativní druhy (např. Neisseria, Haemophilus) používají pili a transportní komplexy umožňující průchod DNA přes vnější a vnitřní membránu.
Kompetence a její indukce
Přirozená kompetence se u některých bakterií aktivuje za zvláštních podmínek (stres, nedostatek živin, vysoká hustota populace). Regulované genové sítě připraví buněčný aparát pro příjem DNA.
Umělá kompetence v laboratoři umožňuje vysokou frekvenci příjmu DNA a používá se u mnoha laboratorních kmenů. Mezi běžné metody patří:
- chemická kompetence (např. ošetření buňky CaCl2 a následné krátké zahřátí – heat-shock),
- elektroporace (krátký vysokonapěťový pulz, který vytvoří póry v membráně a propustí DNA),
- protoplastování nebo pouzdření u některých druhů.
Transformace eukaryot (transfekce)
V eukaryotických buňkách (buď eukaryot obecně, nebo specificky v buňkách savců a rostlin) se vnesení exogenní DNA označuje častěji jako transfekce. Metody zahrnují:
- chemické metody (např. lipofekční činidla, fosfát vápenatý),
- elektroporaci,
- mikroinjekci (přímé vpravování do jádra nebo cytoplazmy),
- virusové vektory (retroviry, adenoviry, lentiviry) pro efektivní doručení a případnou integraci,
- biolistiku (gene gun) zejména u rostlin.
Použití a význam
Transformace je základní technikou molekulární biologie a biotechnologie. Umožňuje:
- klonování genů a expresi proteinů,
- genetickou modifikaci mikroorganismů, rostlin a buněčných linií,
- studium funkce genů a regulace,
- aplikace v lékařství, např. výroba rekombinantních proteinů a vakcín, genová terapie (pomocí vhodných vektorů),
- výzkum horizontálního přenosu genů a šíření rezistence k antibiotikům v přírodě.
Historie
Fenomen transformace byl poprvé popsán ve 20. letech 20. století Frederickem Griffithem (1928) při studiu Streptococcus pneumoniae. Později, v roce 1944, Avery, MacLeod a McCarty identifikovali DNA jako „transformační princip“, čímž ukázali, že DNA nese genetickou informaci.
Bezpečnost a etické aspekty
Práce s transformovanými organismy podléhá přísným bezpečnostním pravidlům a regulačním opatřením. Zvláštní pozornost se věnuje:
- omezení šíření rezistentních markerů do přírodního prostředí,
- hodnocení rizik u genových terapií a uvolňování GMO (geneticky modifikovaných organismů),
- etickému rozměru použití genetických modifikací u lidí, zvířat a rostlin.
Transformace tedy představuje jak mocný výzkumný a technologický nástroj, tak fenomén významný pro evoluci mikroorganismů — její využití vyžaduje odbornou péči, odpovědné hodnocení rizik a dodržování příslušných pravidel bezpečnosti.
Historie
Transformaci poprvé prokázal v roce 1928 britský bakteriolog Frederick Griffith. Griffith zjistil, že neškodný kmen Streptococcus pneumoniae se může stát virulentním po vystavení tepelně usmrceným virulentním kmenům.
Griffith se domníval, že nějaký "transformační princip" z tepelně usmrceného kmene byl zodpovědný za to, že se neškodný kmen stal virulentním. V roce 1944 Oswald Avery, Colin MacLeod a Maclyn McCarty identifikovali tento transformační princip jako genetický. Izolovali DNA z virulentního kmene S. pneumoniae a pomocí této DNA dokázali virulentním učinit neškodný kmen. Toto přijetí a začlenění DNA bakteriemi nazvali "transformací". Viz experiment Avery-MacLeod-McCarty.
Výsledky těchto experimentů byly vědeckou komunitou zpočátku přijímány skepticky. Až po objevu dalších metod genetického přenosu (konjugace v roce 1947 a transdukce v roce 1953) Joshuou Lederbergem byly Averyho pokusy přijaty. Transformace se stala rutinním postupem v laboratořích až v roce 1972, kdy Cohen úspěšně transformoval Escherichia coli působením chloridu vápenatého. Tím vznikl účinný a pohodlný postup transformace bakterií a otevřel cestu biotechnologiím a výzkumu.
Zkoumala se také transformace živočišných a rostlinných buněk, přičemž první transgenní myš byla vytvořena v roce 1982 vpravením genu pro krysí růstový hormon do myšího embrya.
V roce 1907 byla objevena bakterie Agrobacterium tumefaciens, která způsobovala nádory rostlin, a počátkem 70. let 20. století bylo zjištěno, že původcem nádorů je plasmid DNA zvaný Ti plasmid. Odstraněním genů z plazmidu, které způsobovaly nádor, a přidáním nových genů se vědcům podařilo infikovat rostliny bakterií A. tumefaciens a nechat bakterii vložit vybranou DNA do genomu rostlin.
Ne všechny rostlinné buňky jsou citlivé na infekci A. tumefaciens, proto byly vyvinuty další metody včetně elektroporace a mikroinjekce. Bombardování částicemi umožnil vynález systému Biolistic Particle Delivery System (genová pistole) Johna Sanforda v roce 1990.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je transformace v molekulární biologii?
Odpověď: Transformace je proces genetické změny buňky přímým přijetím a expresí DNA z jejího okolí.
Otázka: U kterých druhů bakterií dochází k transformaci přirozeně?
Odpověď: K transformaci dochází přirozeně u některých druhů bakterií.
Otázka: Jaký termín se používá pro bakterie, které jsou schopné transformace?
Odpověď: Bakterie, které jsou schopné transformace, se nazývají kompetentní.
Otázka: Jaké jsou další dva procesy, kterými lze kromě transformace vnést do bakteriálních buněk vnější genetický materiál?
A: Další dva procesy, kterými lze do bakteriálních buněk vnést vnější genetický materiál, jsou konjugace a transdukce.
Otázka: Lze transformaci provést uměle?
Odpověď: Ano, transformaci lze provést i uměle.
Otázka: Jaká je definice transfekce?
Odpověď: Transfekce je proces vnášení nového genetického materiálu do nebakteriálních buněk, jako jsou živočišné a rostlinné buňky.
Otázka: Jak se transdukce liší od transformace?
Odpověď: Transdukce zahrnuje vpravení cizí DNA bakteriofágem do hostitele, zatímco transformace zahrnuje přímé přijetí a expresi DNA z okolí.
Vyhledávání