Bakteriekonjugation: Horisontal genoverførsel af DNA og plasmider
Bakteriekonjugation: Horisontal genoverførsel af DNA og plasmider — mekanismer, betydning og rolle i spredning af plasmidbåren antibiotikaresistens.
Bakteriekonjugation er overførsel af genetisk materiale mellem bakterieceller ved direkte celle-til-celle-kontakt eller ved en brolignende forbindelse mellem to celler.
Konjugering er en mekanisme til horisontal genoverførsel, ligesom transformation og transduktion, selv om disse to andre mekanismer ikke involverer kontakt mellem celler.
Bakteriekonjugation blev opdaget af nobelprisvinderne Joshua Lederberg og Edward Tatum. De viste, at bakterien Escherichia coli gik ind i en seksuel fase, hvor den kunne dele genetisk information.
Bakteriekonjugation betragtes ofte fejlagtigt som en tilsvarende seksuel reproduktion, da den indebærer udveksling af genetisk materiale. Under konjugationen leverer donorcellen et konjugativt eller mobiliserbart genetisk element, som oftest er et plasmid eller et transposon. De fleste konjugative plasmider har systemer, der sikrer, at modtagercellen ikke allerede indeholder et lignende element.
Den genetiske information, der overføres, er ofte til gavn for modtageren. Fordelene kan omfatte antibiotikaresistens, tolerance over for xenobiotika eller evnen til at anvende nye metabolitter. Sådanne gavnlige plasmider kan betragtes som bakterielle endosymbionter. Andre elementer kan derimod betragtes som bakterielle parasitter og konjugation som en mekanisme, som de har udviklet for at kunne sprede sig.
Mekanisme for konjugation
Den typiske konjugationsproces omfatter flere trin:
- Kontakt og dannelse af pilus: Donorcellen danner ofte en proteinslange kaldet en sexpilus, som binder til modtagercellen og trækker dem tættere sammen.
- Etablering af forbindelse: Når cellerne er forbundet, dannes et konjugativt kompleks (ofte et type IV-sekretionssystem), som tillader overførsel af DNA gennem en kanal mellem cellerne.
- Initiation af overførsel: Et særligt sted på plasmidet, kaldet oriT (origin of transfer), kløves af et enzym (relaxase). Dette starter en enkeltstrenget DNA-overførsel efter en såkaldt "rolling-circle" mekanisme.
- Replikation i donor og modtager: Donorcellen genopbygger det overførte plasmid, mens modtageren syntetiserer den komplementære streng, så begge ender med et dobbeltstrenget plasmid.
Typer af konjugative genetiske elementer
Der findes flere typer elementer, der kan konjugere:
- Konjugative plasmider: Plasmider, der bærer alle gener, som er nødvendige for at bygge transferapparatet (fx tra-gener) og for at igangsætte overførsel.
- Mobiliserbare plasmider: Mangler typisk alle transfergener, men indeholder en oriT og kan "låne" konjugationsapparatet fra et konjugativt plasmid i samme celle.
- Integrative og konjugative elementer (ICE'er): Genomiske øer, der kan integrere i kromosomet, excisere sig og overføres til andre celler via konjugation.
- Transposoner og integrerer: Nogle transposoner kan hoppe ind i plasmider og dermed blive spredt ved konjugation.
Rækkevidde og værtsområde
Nogle plasmider har et smalt værtsområde og overføres kun mellem nært beslægtede arter, mens andre (fx IncP-plasmider) har bredt værtsområde og kan overføres mellem meget forskellige bakterier. Denne forskel har stor betydning for, hvordan genetiske egenskaber — især antibiotikaresistens — kan sprede sig i miljøer som jord, vand, fødevarer og hospitalsmiljøer.
Biologisk og samfundsmæssig betydning
- Spredning af resistens og virulens: Konjugation er en af de vigtigste måder, hvorpå antibiotikaresistensgener og virulensfaktorer bevæger sig mellem bakterier, hvilket påvirker behandling af infektioner.
- Adaptation og evolution: Horisontal genoverførsel accelererer bakteriens evne til at tilpasse sig nye miljøer og næringskilder.
- Bioteknologi og syntetisk biologi: Konjugation bruges også bevidst som et værktøj til at introducere plasmider i målorganismer i laboratoriet eller til at sprede konstruktions-DNA i kontrollerede eksperimenter.
Påvisning og eksperimentelle metoder
Forskere bruger flere metoder til at studere konjugation:
- Mærkning og selektion: Donor- og modtagerstammer mærkes med selektionsmarkører (fx resistensgener) for at isolere transkonjuganter efter parring.
- Filter-mating og væskemating: Standardmetoder, hvor cellerne blandes og inkuberes under betingelser, der fremmer kontakt.
- Genom- og plasmidsekventering: Moderne sekventering kan kortlægge hvilke gener der overføres, og i hvilke kontekster.
- Mikroskopi: Visualisering af pilus og cellekontakter kan bruges til at studere strukturen og dynamics af overførslen.
Forebyggelse og kontrol
Da konjugation bidrager til spredning af uønskede egenskaber som antibiotikaresistens, er der fokus på forebyggelse:
- Rationel brug af antibiotika (antibiotikastyring) for at reducere selektion for resistente plasmider.
- Infektionshygiejne i sundhedsvæsenet for at begrænse overførsel mellem patienter og miljø.
- Miljøforvaltning, fx korrekt håndtering af spildevand og husdyrgødning, hvor resistente bakterier kan spredes.
- Forskning i metoder, der kan forhindre plasmidvedligeholdelse eller transfer, herunder anti-plasmid strategier og targeted phage-terapi.
Samlet set er bakteriekonjugation en central mekanisme i mikrobiens genetik med stor betydning for både grundforskning, klinisk mikrobiologi og samfundets indsats mod antibiotikaresistens. Forståelse af mekanismerne og de faktorer, der fremmer overførsel, er afgørende for at kunne begrænse uønsket spredning af genetiske egenskaber.
Mekanisme
Det grundlæggende konjugative plasmid er F-plasmidet eller F-faktoren. F-plasmidet er et episom (et plasmid, der kan integrere sig selv i bakteriekromosomet) med en længde på ca. 100.000 basepar.
Der kan kun være én kopi af F-plasmidet i en given bakterie, enten frit eller integreret, og bakterier, der har en kopi, kaldes F-positive eller F-plus (betegnet F +). Celler, der mangler F-plasmider, kaldes F-negative eller F-minus (F -) og kan fungere som recipientceller.
Skematisk tegning af bakteriel konjugation. Konjugationsdiagram 1- Donorcellen producerer pilus. 2- Pilus sætter sig fast på modtagercellen og bringer de to celler sammen. 3- Det bevægelige plasmid er hakket, og en enkelt DNA-streng overføres derefter til modtagercellen. 4- Begge celler syntetiserer en komplementær streng for at fremstille et dobbeltstrenget cirkulært plasmid og reproducerer også pili; begge celler er nu levedygtige donorer.
Overførsel mellem rigsgrupper
De kvælstoffikserende rhizobier er et interessant tilfælde af konjugation mellem rigsgrupper.
F.eks. indeholder Agrobacteriums tumorinducerende (Ti) plasmid og A. rhizogenes' rodtumorinducerende (Ri) plasmid gener, som kan overføres til planteceller. Disse gener forvandler planteceller til fabrikker, der producerer kemikalier, som bakterierne bruger som kvælstof og energi. Inficerede celler danner henholdsvis kronegaller og rodtumorer. Ti og Ri plasmiderne er således endosymbionter af bakterierne, som igen er endosymbionter (eller parasitter) af den inficerede plante.
Genteknologi
Konjugering er et praktisk middel til at overføre genetisk materiale til en række forskellige mål. I laboratorier er der rapporteret om vellykkede overførsler fra bakterier til gær, planter, pattedyrceller og isolerede mitokondrier fra pattedyr.
Konjugation har fordele i forhold til andre former for genetisk overførsel. Inden for planteteknologi supplerer Agrobacterium-lignende konjugation andre standardmidler som f.eks. tobaksmosaikvirus (TMV). TMV er i stand til at inficere mange plantefamilier, men disse er primært urteagtige dicotiner. Agrobacterium-lignende konjugering anvendes også primært til dicotiner, men monokotiner er ikke ualmindelige modtagere.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er bakteriekonjugering?
A: Bakteriekonjugation er overførsel af genetisk materiale mellem bakterieceller ved direkte celle-til-celle-kontakt eller ved en brolignende forbindelse mellem to celler.
Spørgsmål: Hvad er de andre mekanismer for horisontal genoverførsel?
Svar: De andre mekanismer til horisontal genoverførsel er transformation og transduktion, selv om disse to andre mekanismer ikke indebærer celle-til-celle-kontakt.
Spørgsmål: Hvem opdagede bakteriel konjugation?
Svar: Bakteriel konjugering blev opdaget af nobelprisvinderne Joshua Lederberg og Edward Tatum.
Spørgsmål: Hvad viste Lederberg og Tatum om Escherichia coli under konjugering?
A: Lederberg og Tatum viste, at bakterien Escherichia coli gik ind i en seksuel fase, hvor den kunne dele genetisk information.
Spørgsmål: Hvad leverer donorcellen under konjugationen?
Svar: Under konjugationen leverer donorcellen et konjugativt eller mobiliserbart genetisk element, som oftest er et plasmid eller et transposon.
Spørgsmål: Hvilke fordele er der ved den genetiske information, der overføres under konjugationen?
Svar: Den genetiske information, der overføres under konjugation, er ofte til gavn for modtageren. Fordelene kan omfatte antibiotikaresistens, tolerance over for xenobiotika eller evnen til at anvende nye metabolitter.
Spørgsmål: Hvordan kan nogle af de elementer, der overføres under konjugationen, ses?
Svar: Andre elementer, der overføres under konjugation, kan betragtes som bakterieparasitter og konjugation som en mekanisme, som de har udviklet for at kunne sprede sig.
Søge