Трансформа́ция ( англ. transformation ) — процесс поглощения бактериальной клеткой молекулы ДНК из внешней среды. Для того, чтобы быть способной к трансформации, клетка должна быть , то есть молекулы ДНК должны иметь возможность проникнуть в неё через клеточные покровы. Трансформация активно используется в молекулярной биологии и генетической инженерии .

Стоит отметить, что термин «трансформация» относится только к бактериальным клеткам. Поступление инородной ДНК в эукариотические клетки называют трансфекцией .

История изучения

Впервые явление трансформации наблюдал в 1928 году Фредерик Гриффит , работавший с пневмококками ( Streptococcus pneumoniae ). Он обнаружил, что авирулентные штаммы , лишённые капсулы , могут получать нечто даже от мёртвых вирулентных клеток, имеющих капсулу, и в результате также становятся вирулентными. Через 16 лет Эвери, Маклеод и Маккарти показали, что этим самым агентом была ДНК, содержащая гены , необходимые для формирования капсулы . Они выделили ДНК из вирулентного штамма S. pneumoniae и показали, что введение одной только этой ДНК в клетки авирулентного штамма превращает их в болезнетворные. Результаты Эвери и коллег поначалу были встречены скептически, и окончательно они были признаны достоверными после описания явления генетического переноса Джошуа Ледербергом — конъюгации (в 1947 году) и трансдукции (в 1953 году) .

В 1970 году было экспериментально показано, что клетки кишечной палочки Escherichia coli могут захватывать ДНК бактериофага λ без после обработки раствором хлорида кальция . Через два года была показана возможность захвата клетками в аналогичных условиях плазмидной ДНК . Так была изобретена химическая трансформация. В конце 1980-х годов для трансформации бактериальных клеток начали использовать электропорацию , которая оказалась во многих случаях эффективнее химической трансформации и была применима для большего числа штаммов .

Механизм

К трансформации способны многие бактерии, например, Streptococcus , , Bacillus , актиномицеты , цианобактерии и другие бактерии. Так, антигенная вариация, наблюдаемая у возбудителя гонореи Neisseria gonorrhoeae , обеспечивается за счёт трансформации, при которой клетки передают друг другу гены различных вариантов пилей , за счёт которых прикрепляются к клеткам организма-хозяина . В нормальном состоянии проникновению крупных молекул ДНК внутрь бактериальных клеток мешают плотные покровы, поэтому, чтобы быть способной к трансформации, клетка должна войти в так называемое состояние компетентности. В естественных условиях компетентность приобретает часть культуры в логарифмической фазе роста под действием некоторых белков (факторов компетентности), действующих через двухкомпонентную систему . Хлорамфеникол , блокирующий синтез белка , не даёт образовываться и компетентным клеткам . Возможно также, что свою роль в развитие компетентности вносит плотность бактериальной культуры, поскольку при этом повышается концентрация факторов компетентности. У Streptococcus mutans и у других видов рода Streptococcus трансформация часто происходит при формировании биоплёнок . У Bacillus subtilis некоторые гены, вовлечённые в развитие компетентности, также задействованы в споруляции . Развитие компетентности в лог-фазе обусловлено нехваткой питательных веществ и накоплением значительного количества факторов компетентности . Трансформацию могут провоцировать бактериофаги, вызывающие выход ДНК из погибающих клеток , а также повреждения бактериальной ДНК . Приобретение компетентности — чрезвычайно сложный физиологический процесс, у Bacillus subtilis он требует экспрессии около 40 генов .

Сначала компетентные клетки связывают ДНК своей поверхностью с помощью особых рецепторов , причём линейными фрагментами клетка трансформируется гораздо легче, чем кольцевыми. ДНК расщепляется нуклеазами до фрагментов с массой до 4—5 миллионов Да , причём в клетку поступает лишь одна из двух цепей фрагментов. Некоторые бактерии, такие как пневмококки и Bacillus subtilis , могут поглощать ДНК из разнообразных источников, а другие, такие как Haemophilus , могут поглощать только ДНК клеток своего вида . Фрагменты, имеющие массу менее 500 кДа, в клетку не попадают .

После попадания в клетку одноцепочечный фрагмент встраивается в геномную ДНК клетки-реципиента. Трансформация длится от 10 до 30 минут и у разных бактерий происходит с частотой около 1 % .

Значение

В естественных условиях трансформация даёт возможность бактериям получить извне гены, которые могут помочь адаптироваться к данным условиям. Таким образом, трансформация является одним из механизмов горизонтального переноса генов , наряду с конъюгацией (обменом клетками генетическим материалом при физическом контакте), и трансдукции, при которой фрагмент ДНК переносится фагом . Так как компетентность может вызываться повреждениями ДНК и часто происходит под действием агентов, вносящих повреждения в ДНК (например, у Helicobacter pylori трансформацию индуцирует антибиотик ципрофлоксацин , стимулирующий образование двуцепочечных разрывов ), то трансформация может служить адаптивным механизмом, способствующим репарации ДНК . Получая фрагмент ДНК извне (особенно от бактерии того же вида), бактерия может использовать его в качестве матрицы для репарации повреждений путём гомологичной рекомбинации .

Трансформация стала рутинным методом молекулярной биологии для наработки большого количества требуемой плазмиды . Чтобы искусственно ввести клетки в состояние компетентности, существует два основных подхода: электропорация , при которой клетки поглощают ДНК после кратковременно приложенного напряжения , и химическая трансформация, при которой на клетки действуют разнообразными солями двухвалентных ионов , например, хлоридом кальция .

Примечания

Литература

• Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. — СПб. : Издательство Н-Л, 2010. — 718 с. — ISBN 978-5-94869-105-3 .
• Jeremy W. Dale, Simon F. Park. . — 4th Edition. — John Wiley & Sons, Ltd, 2004. — ISBN 0-470-85084-1 .

Эта статья входит в число добротных статей русскоязычного раздела Википедии.