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.