Багато хто, ймовірно, не знали, що бактерії можуть займатися статевим розмноженням. Це не зовсім те, що можна собі уявити. Сьогодні розглянемо процес бактеріальної кон’югації, що таке кон’югація мікробіології та її вплив на генетичну мінливість бактерій.
Статеве розмноження бактерій
Це не стане шоком, але у бактерій немає статевого шляху розмноження, принаймні, в звичайному сенсі. Бактеріальні клітини розмножуються шляхом створення клонів самих себе. Материнська клітина копіює свою ДНК-хромосому, потім розділяє її клітку навпіл, утримуючи одну хромосому і віддаючи її нової дочірній клітині. За угодою, ці клітини називаються материнськими і дочірніми, але на ділі вони є клонами.
У них є той же самий генетичний матеріал. У бактеріальній популяції цей процес триває, одна клітина ділиться на дві знову і знову і знову, в результаті чого з’являються величезні популяції, які є всіма клонами один одного. Це називається вертикальним перенесенням генів, коли ДНК передається від матері до потомства. І це те, що відбувається в природі переважна більшість часу.
Бактерії – хитрі маленькі істоти
Що таке кон’югація? У бактерій є деякі геніальні способи генерації генетичного різноманіття. Наприклад, бактерії здатні обмінюватися генами зі своїми сусідами.
Це називається перенесенням горизонтального гена і відноситься до здатності деяких бактеріальних клітин набувати нові гени з сусідніх в їх середовищі. Тепер замість того, щоб бути дочірньою осередком клону, клітина має нове генетичне різноманіття, суміш між переданої по вертикалі ДНК материнських клітин та переноситься по горизонталі сусідній клітинної ДНК.
Пам’ятайте, що у бактерій немає статевого розмноження? В еволюційному сенсі це має вирішальне значення для дозволу змішування і зіставлення генів, що призводить до генетичною різноманітністю в межах одного виду. Тепер ми можемо бачити, що у бактерій немає звичайного статі, у них є горизонтальні механізми переносу генів для генерації генетичного різноманіття. У біології це кон’югація.
Горизонтальний перенос гена
Існує три способи, якими бактерії здатні виконувати горизонтальний перенос генів:
- трансдукція використовують бактеріальні віруси, названі бактеріофагами, для перенесення ДНК з однієї інфікованої клітини в іншу;
- трансформація – це здатність деяких клітин приймати вільно плаваючі ДНК, виявлені в навколишньому середовищі;
- кон’югація дозволяє переносити ДНК через структуру, звану пилюсом, тобто з однієї клітини в іншу.
Що таке кон’югація?
Для кон’югації дві живі бактеріальні клітини повинні вступати в прямий контакт один з одним. Контакт між клітинами здійснюється з допомогою сполучення особливого придатка (пилус), що нагадує волосся на поверхні бактерії. Він має білкову основу, подібну структурі волосся, яка простягається від бактеріальної клітини.
Деякі придатки використовуються для прикріплення до поверхні, але спеціальне сполучення застосовується виключно для прикріплення до інших клітин і полегшення перенесення ДНК.
Клітина, яка буде передавати ДНК, називається донорської і будує кон’югований пилус. Його кон’югація являє собою порожню трубчасту структуру, яка з’єднує цитоплазму донорної клітини з цитоплазмою реципієнта.
Перенесення плазміди
Коли цитоплазма клітини-донора і реципієнта фізично пов’язана, настав час для переносу ДНК. Якщо донорська клітина містить плазміду, круглу частину внехромосомной ДНК, то її можна перенести в клітину-реципієнт. Це робиться шляхом копіювання плазміди і відправки ланцюга ДНК копіюється одержувачу через пару пилуса. Кінцевим результатом є копія плазміди як у донора, так і реципієнта. Можливо, найбільш цікавим є той факт, що плазміда несе гени, які дозволяють клітині-реципієнту стати самим донором кон’югації! Тепер клітина-одержувач також може поширювати плазміду на нові клітини, з якими вона стикається у своєму середовищі.
Значення кон’югації
Бактеріальне кон’югація – це передача генетичного матеріалу між бактеріальними клітинами шляхом прямого контакту або мостоподобной зв’язком. Це механізм горизонтального переносу генів, як і трансформація і трансдукція. Бактеріальне пару часто розглядається як бактеріальний еквівалент статевого розмноження або спаровування, оскільки воно пов’язане з обміном генетичним матеріалом. Однак це не статеве розмноження, так як обмін гаметою не відбувається.
Під час кон’югації (мікробіологія) донорська клітина забезпечує конъюгативный або мобилизуемый генетичний елемент, який найчастіше є плазміди або транспозоном. Більшість конъюгативных плазмід мають системи, які гарантують, що клітина-одержувач не містить подібний елемент. Передається генетична інформація часто вигідна одержувачу. Переваги можуть включати стійкість до антибіотиків, ксенобиотическую толерантність або здатність використовувати нові метаболіти.
Такі корисні плазміди можна розглядати як бактеріальні эндосимбионты. А інші елементи як бактеріальні паразити, кон’югацію як механізм, розроблений ними для забезпечення їх поширення. Цей процес був відкритий в 1946 році Джошуа Ледербергом і Едвардом Татумом.
Механізм кон’югації
Спочатку донорська клітина виробляє пилус. Він приєднується до осередку-одержувачу і об’єднує дві клітини. Мобільна плазміда зазубривается, і одна нитка ДНК, потім переноситься у клітину-реципієнт. Обидві синтезують комплементарну ланцюг для отримання циркулярної плазміди, а також розмножують пилусы. Обидві клітини в даний час є життєздатним донором для F-фактора.
F-плазміда являє собою эписому (плазміду, яка може інтегруватися в бактеріальну хромосому допомогою гомологічною рекомбінації). Вона несе в собі походження реплікації і джерело передачі. В даній бактерії, вільної або інтегрованої, може бути тільки одна копія F-плазміди, а бактерії, що володіють копією, називаються F-позитивними і позначаються F+. Клітини, у яких відсутні F-плазміди, називаються F-негативними (F-), вони можуть функціонувати як осередку-одержувачі.
Хоча є деякі суперечки про точний механізм кон’югації, може здатися, що пилусы не є структурами, через які відбувається обмін ДНК, проте все ж трансформація ДНК триває. Кілька білків, закодованих в локус, відкривають канал між бактеріями. Вважається, що фермент, розташований біля основи пилуса, ініціює злиття мембран.
Приклади
Яскравий приклад кон’югації демонструють бактерії, пов’язані з азотфіксуючими тризобиями, які являють собою цікавий випадок внутрішнього сполучення. Наприклад, индуцирующая пухлина (Ti) плазміда Agrobacterium і индуцирующая кореневу пухлина (Ri) плазміда A. rhizogenes містять гени, які здатні переносити рослинні клітини. Експресія цих генів ефективно перетворює рослинні клітини в мені-продукують рослини. Опины використовуються бактеріями в якості джерел азоту та енергії. Заражені клітини утворюють коронарні жовчні або кореневі пухлини.
Таким чином, плазміди Ti і Ri є эндосимбионтами бактерій, які в свою чергу є паразитами зараженої рослини. Плазміди Ti і Ri також можуть переноситися між бактеріями. Такі передачі створюють вірулентні штами від раніше авирулентных штамів.
Що таке кон’югація? Це зручний засіб для перенесення генетичного матеріалу з безліччю цілей. Повідомлялося про успішних передачах від бактерій до дріжджів, рослин, клітин ссавців, діатомових і ізольованим мітохондрій ссавців. Кон’югація має переваги перед іншими формами генетичного переносу, включаючи мінімальне порушення клітинної оболонки мети і здатність передавати відносно великі кількості генетичного матеріалу.
