Плазмиды

Говорят, что в генетическом плане наше тело в большей степени микроб, чем человек. Дело в том, что мы несем в себе 3 миллиона бактериальных генов, что в 150 раз больше, чем содержится в геноме человека. При этом, они активно обмениваются друг с другом генетическим материалом, что играет большую роль в адаптации к изменяющимся условиям среды.

О том, какую роль бактерии играют в нашем здоровье я уже рассказывал. Но в 2013 году вышла статья, в которой авторы констатировали, что элементы бактериальной ДНК обнаружены в геноме человека. То есть бактерии могут передавать нам свои гены.

Что нам это дает — пока не известно. Но известен механизм, который бактерии используют для передачи генов друг другу и биологическое значение этого процесса. Разберем его на примере приобретения ими механизмов устойчивости к антибиотикам.

Бактерия содержит два источника генетической информации в своей клетке.

Плазмиды

В первую очередь — это массивная петля бактериальной ДНК. Это и есть ее геном, то есть вся совокупность наследуемого материала. Эта ДНК кодирует большинство бактериальных молекул, необходимых ей для жизнедеятельности.

Помимо большой молекулы ДНК в цитоплазме есть еще и маленькие петли ДНК. Их называют плазмиды.

Главная функциональная разница между геномной ДНК и плазмидами заключается в том, что большая молекула реплицируется (создается копия ДНК для «дочки») только, когда бактериальная клетка делится. Перед делением клетка некоторое время содержит в цитоплазме две больших молекулы ДНК. Затем в процессе деления они расходятся по дочерним клеткам.

деление бактерии

В отличие от геномной ДНК, плазмиды копируются и накапливаются в цитоплазме постоянно, без всякой связи с клеточным делением.

Как правило, плазмиды содержат лишь один или несколько генов. Кодируемые ими продукты не нужны для повседневной жизнедеятельности бактерии, но они могут быть «полезными артефактами».

Это как в компьютерной игре — бонусы силы, здоровья, брони и так далее. В случае с бактерией, плазмида может кодировать, например, белки, необходимые для сопротивления антибиотикам, или для усвоения необычных питательных вещества, или для конкурентной борьбы с другими бактериями.

В результате взаимодействия с окружающей средой, ошибок при репликации ДНК и действия вирусов геном бактерий постоянно мутирует. Скорость мутации составляет одну мутацию каждые 4 месяца (посчитано для E.coli). Думаете, это немного? Однако, каждые 24 часа бактерия размножается, и из одной образуются две. Через 11 поколений общее количество новых бактерий уже 2¹¹=2048.

Рост колонии происходит экспоненциально, и общее количество мутаций в популяции увеличивается очень быстро.

Первый раз мутация происходит именно в главной ДНК. Например, мутирует ген, кодирующий белок, являющийся мишенью для антибиотика. Конечно, далеко не каждая мутация приносит бактерии или какому-нибудь другому живому организму пользу и эволюционное преимущество. Наоборот, подавляющее большинство мутаций убивают бактерию, нарушая какие-нибудь жизненно-важные функции клетки.

Однако для естественной селекции достаточно одной удачной мутации, чтобы бактерия получила преимущество в своей популяции. В случае с приобретенной антибиотикорезистентностью бактерии с мутировавшим геномом продолжают размножаться, тогда как остальные в условиях действия антибиотика погибают. Так формируется новая популяция.

резистентность к антибиотикам

Справа — бактерии, получившие конкурентное преимущество в виде резистентности к антибиотику.

Тем не менее, спонтанные мутации — это не единственный источник новых генов в бактерии. Через некоторое время после появления «удачной» спонтанной мутации в геноме бактерии, измененный ген попадает в плазмиды. Это происходит благодаря «мигрирующим генетическим элементам» — «транспозонам» (их еще называют «прыгающие гены»). Это участки ДНК, которые могут перемещаться по хромосоме или с хромосомы на плазмиду.

транспозон

С того момента, как ген резистентности (или еще чего-нибудь полезного) оказался в плазмиде, его распространение в популяции не зависит больше от деления бактерии. Для переноса этого гена природа придумала бактериальную конъюгацию.

Выглядит это так — время от времени между двумя бактериями устанавливается односторонний контакт — трубочка (pilus), по которой из клетки-донора в клетку-реципиент перемещаются плазмиды, в том числе и несущие новый ген.

бактериальная конъюгация

Перед переходом плазмида разворачивается из кольца в цепочку и «переползает» в другую клетку, где снова собирается в кольцо. Благодаря конъюгации и плазмидам бактерия может передать новый эволюционный признак не только «дочкам», но и «соседям».

Такой вот, понимаешь, неполовой путь передачи генетической информации. Примечательно, что конъюгация может происходить и между бактериями разных видов. А еще, по всей видимости, и между бактериями и соматическими клетками человека.

Любопытно — зачем эволюции понадобилось скрещивать нас микробами. Надеюсь — новые исследования прольют свет.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.