Transduktion: Bakteriofager og viral genoverførsel i bakterier

Transduktion: Lær, hvordan bakteriofager overfører DNA mellem bakterier, fremmer antibiotikaresistens og anvendes som virale vektorer i molekylærbiologi.

Transduktion er den proces, hvorved DNA overføres fra en bakterie til en anden ved hjælp af en virus (bakteriofag). Transduktion er en form for horisontal genoverførsel og bidrager til bakteriers genetiske variation og spredning af egenskaber som resistens og virulens.

Joshua Lederberg og hans kandidatstuderende Norton Zinder viste i 1952, at bakteriofager kunne overføre genetisk information mellem bakterier i Salmonella. Denne opdagelse forklarede, hvordan bakterier af forskellige arter meget hurtigt kunne opnå resistens over for det samme antibiotikum.

Hvordan transduktion foregår

Når en bakteriofag inficerer en bakteriecelle, udnytter den normalt værtscellens replikations-, transkriptions- og oversættelsesmaskineri til at fremstille nye virale partikler bestående af viralt DNA (eller RNA) og proteinkappe. Under denne proces kan der opstå fejl, så dele af bakterie-DNA enten ved et uheld pakkes ind i en ny fagkapsid eller følger med ved ukorrekt excision af et indlejret faggenom (prophage). Disse fejl er grundlaget for transduktion.

Typer af transduktion

• Generel (generalized) transduktion: Forekommer typisk under lytisk infektion. Ved pakning af nyt viralt genom kan bakterielt DNA tilfældigt blive indpakket i fagkapsiden i stedet for viralt DNA. Dette kan føre til, at næsten hvilket som helst gen fra donorbakterien overføres til en modtager ved næste infektion. Eksempler på fager der udfører generaliseret transduktion er f.eks. P1 (i Escherichia coli) og P22 (i Salmonella).
• Specialiseret (specialized) transduktion: Findes ved temperente fager, som kan indlejre deres genom i værtens kromosom (lysogeni). Hvis en prophage ved en fejl exciserer ved pigmenteringen, kan den tage nabogenetisk materiale med sig. Kun gener, der sidder nær fagets integrationssted, kan overføres. Et klassisk eksempel er lambda (λ)-fagen i E. coli.
• Lateral transduktion: En nyere beskrevne mekanisme, hvor lysogeniske fager pakker meget store og kontinuerlige stræk af bakteriens DNA, når faggenomet bliver pakket før excision. Dette kan resultere i overførsel af større kromosomale sekvenser end ved de andre mekanismer.

Praktisk betydning og konsekvenser

• Transduktion er en vigtig vej for spredning af antibiotikaresistens og virulensfaktorer mellem bakterier i naturen og i kliniske miljøer, hvilket kan gøre infektioner vanskeligere at behandle.
• Den spiller en rolle i bakteriens evolution ved at øge genetisk variation og ved at give hurtig adgang til nye funktioner.
• I miljøer som jord, vand eller tarmflora kan fager fungere som vektorer for genudveksling mellem forskellige bakteriearter.

Brug i forskning og bioteknologi

Transduktion udnyttes bevidst i molekylærbiologi som et værktøj til at overføre gener mellem bakterier:

• Fagvektorer bruges til at indsætte fremmede gener i en værtscells genom eller til at levere konstrukter til genetisk manipulation (f.eks. kloning, genknockout eller komplementation).
• Transduktion er nyttig til genetisk kortlægning og til at skabe markørbytter i bakterielle stammer, fordi den ofte fungerer effektivt og målrettet.
• I laboratoriet laves typisk en donorlysat (fagpartikler produceret på en donorstrain), som derefter inokuleres mod recipientceller; efter infektion selekteres for transducenter ved hjælp af genetiske markører.

Typiske trin i en transduktionsprocedure

• Forbered donorbakterien med det ønskede genetiske element og giv fagen lov til at producere en lysat.
• Rens eller fortynd lysaten for at fjerne celleaffald og ukomplekse fager.
• Infekt recipientbakterier med lysaten ved passende multiplicity of infection (MOI).
• Efter inkubation selekteres for modtagere, der har modtaget genet (f.eks. via antibiotikaresistensmarkører), og verificeres ved PCR eller sekventering.

Begrænsninger og sikkerhed

• Transduktionsfrekvensen er ofte lavere end ved konjugation, og overførslen afhænger af fagets host range og pakkekapacitet.
• Bakteriers forsvarssystemer (f.eks. restriktions-modifikationssystemer eller CRISPR-Cas) kan forhindre eller reducere effektiv transduktion.
• Der er biosikkerhedsmæssige hensyn: transduktion kan utilsigtet sprede skadelige gener (f.eks. resistens eller toksin-gener), så eksperimenter skal designes og udføres med passende forholdsregler.

Opsummering

Transduktion er en central mekanisme for viral genoverførsel i bakterier. Den kan forekomme som generaliseret, specialiseret eller lateral transduktion og har store konsekvenser både i naturen og i laboratoriet — fra spredning af antibiotikaresistens til anvendelse som molekylærbiologisk værktøj. Forståelse af mekanismerne, begrænsningerne og risiciene er vigtig for både forskning og folkesundhedsarbejde.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er transduktion?

Q: Hvem opdagede bakteriofagers evne til at overføre genetisk information mellem bakterier?

Q: Hvorfor er transduktion vigtig for at forstå antibiotikaresistens?

Q: Hvad er et almindeligt værktøj, som molekylærbiologer bruger til at introducere et fremmed gen i en værtscelles genom?

Q: Hvordan reproducerer bakteriofager sig?

Q: Hvilke fejl i bakteriofagens reproduktionsproces kan resultere i, at virussen overfører DNA fra en bakterie til en anden?

Q: Hvordan sker transduktion gennem en viral vektor?

Søg efter bogstav