İçeriğe atla

Transformasyon

Moleküler biyolojide transformasyon, bir hücrenin içine dışarıdan bir DNA parçasının girmesi ve hücrenin genomuyla bütünleşmesi sonucu hücrede gerçekleşen genetik değişikliğe denir.[1] Hücre dışında bulunan serbest DNA parçaları ancak uygun haldeki bakteri, mantar, alg, maya ya da bitki hücrelerine girebilir.[2] Doku kültüründeki ökaryotik hayvan hücrelerinde gerçekleşen transformasyona ise özel olarak transfeksiyon denir.[3] Sıfat hali olarak, yani "transformasyona uğramış" anlamında, 'transforme' kelimesi kullanılır.

Transformasyon, konjugasyon ve transdüksiyon gibi bakterilerdeki yatay gen transferi yollarından biridir.[4] Bir DNA parçası bakteri hücresine bir virüs aracılığıyla girerse buna transdüksiyon; bakteri hücrelerinin birbiriyle direkt teması sonucu birinden diğerine aktarılırsa buna da konjugasyon denir. Bakterilerde ökaryotlardaki gibi bir eşeyli üreme olmadığı için, bakteriler ancak bu üç yoldan biri sayesinde genetik materyallerinin içeriğini çeşitlendirebilirler.

Transformasyon ile hücre dışındaki serbest DNA’nın hücre içine alınabilmesi için bakterinin kompetent halde olması gerekir. Bir bakteri hücresi laboratuvar koşullarında kompetent hale sokulabileceği gibi, bu durum doğada hücrenin bulunduğu ortam koşullarının değişmesi sonucu da ortaya çıkabilir.[5] Bakteri yaşamını tehdit eden ve bu nedenle de bakterileri kompetent hale sokan çevresel koşullara örnek olarak ortamda besinin azalması ya da antibiyotik olması verilebilir.[5] Yapılan çalışmalar doğal transformasyon sırasında bakterilerin gen ifadelerinde değişiklikler yaptığını ve belli proteinleri üreterek kompetent hale gelebildiklerini göstermiştir.[6] Bu proteinler hücre dışındaki DNA’nın bakteri hücresinin içine alınmasını ve alınan DNA parçasının bakterinin kromozomuna rekombine edilmesini sağlayan bir dizi işlemi yerine getirmek için gereklidir.

Son çalışmalar yaklaşık 80 bakteri türünde bu şekilde gen transferi olduğunu göstermiştir, fakat bu sayının tespit edilebilenin çok üzerinde olduğu tahmin edilmektedir.[5] Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae ve Haemophilus influenzae doğal transformasyonun en kapsamlı çalışıldığı bakterilerdir.[7]

Tarihçe

Transformasyon ilk defa 1927'de, bakteriyel pnömoniye karşı bir aşı bulmaya çalışan bir İngiliz bakteriyolog, Frederick Griffith tarafından keşfedilmiştir. Griffith Streptococcus pneumoniae 'nın virülan bir suşunun ısıtılarak öldürülmesinin ardından bunun aynı bakterinin virülan olmayan bir suş ile karıştırılması halinde, zararsız bakterinin virülan hale dönüştüğünü gösterdi. 1944'te bu dönüştürücü faktörün DNA olduğu Oswald Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty tarafından gösterildi. Bu araştırmacılar DNA'nın bakterilerin içine alınması onunla bütünleşmesine "transformasyon" adını verdiler.

Mekanizmalar

Bakteriler

Bakterilerde transformasyon, çıplak (yani hücre veya proteinlerle beraber olmayan) DNA'nın alınması sonucu meydana gelen istikrarlı kalıtsal değişiklik olarak ifade edilebilir. Bakterinin ortamdan yabancı DNA'yı içine alabilme özelliğine yetkinlik (İng. competence) adı verilir. Yetkinliğin iki tipini ayırt etmek gerekir: doğal ve yapay.

Doğal yetkinlik

Ana madde: Yetkinlik (biyoloji)

Bazı bakteriler (tüm bakteri türlerinin %1'i) laboratuvar şartlarında DNA'yı içlerine alma yeteneğine sahiptir; doğal ortamlarında çok daha fazlası bu yeteneğe sahip olabilir. Bu türler, DNA'nın hücre zar(lar)ı içinden içeri taşınmasını sağlayan mekanizmalar için gereken genlere sahiptir.[8]

Yapay yetkinlik

Yapay yetkinlik için gerekli proteinler hücrenin genleri tarafından kodlanmaz. Laboratuvar işlemleri ile, yani doğada normalde rastlanmayan şartlar altında, hücre zarı'nın DNA'ya geçirgen olması sağlanır.[9]

Hücrelerin Ca2+ gibi ikideğerlikli (bivalent) katyonlar varlığında soğutulmasıyla, hücre zarının plazmid DNA'sı için geçirgen olması sağlanabilir. Hücrelerin buz üstünde bekletildikten sonra kısa bir süre için ısı şokuna (örneğin 30–120 saniye boyunca 42 °C'de) tâbi tutulması DNA'nın hücrenin içine girmesine neden olur. Bu yöntem dairesel plazmid DNA'lar için oldukça etkili bir şekilde çalışır.

Bu yöntem, muhtemelen hücredeki eksonükleaz enzimlerinin doğrusal DNA'yı çabucak sindirmelerinden dolayı, kromozomal DNA parçası gibi doğrusal moleküller için iyi çalışmaz. Ancak, doğal yetkin hücreler plazmidlere kıyasla doğrusal DNA molekülleriyle de daha verimli olarak transforme olurlar.

Elektroporasyon bakterilerde (ve diğer hücre tiplerinde) delik açmanın bir diğer yoludur, burada hücreler kısa süreli bir elektrik alanı (10-20kV/cm) içinde şok edilirler. Plazmit DNA'sı bu deliklerden hücre içine girer.[10] Doğal membran tamir mekanizmaları şokun ardından bu delikleri kısa sürede onarırlar.

Plasmid transformasyonu

Hücrenin içinde varlığını sürdürebilmek için bir plazmit DNA 'sında bir ikileşme merkezi (replikasyon orijini) bulunması gerekir, bu bölge sayesinde plazmit, kromozomdan bağımsız olarak ikilenir. Laboratuvarda transformasyon işlemi sonucunda genelde çok sayıda transforme olmamış hücre arasında az sayıda transforme olmuş hücre bulunduğundan, plazmiti taşıyan hücrelerin tanınması için bir yöntem gerekir. Transformasyon deneylerinde kullanılan plazmitlerde genellikle bir antibiyotik direnç geni bulunur, plazmiti taşımayan bakteriler bu antibiyotiğe duyarlıdır. Dolayısıyla, transformasyonda kullanılan plazmite özgü bu antibiyotiği içeren seçici bir besiyerinde çoğalabilen hücrelerin bu plazmit ile transformasyona uğradıkları söylenir.

Kaynakça

  1. ^ Transformation 11 Ocak 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., U.S. National Library of Medicine
  2. ^ Chen I, Dubnau D (2004). "DNA uptake during bacterial transformation". Nat. Rev. Microbiol. 2 (3). ss. 241-9. doi:10.1038/nrmicro844. PMID 15083159. 
  3. ^ Transfection, U.S. National Library of Medicine
  4. ^ Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Sean B. Carroll, John Doebley (2015). "An Introduction to Genetic Analysis".  ISBN-10: 1464109486
  5. ^ a b c Johnston, C., Martin, B., Fichant, G.; ve diğerleri. (2014). "Bacterial transformation: distribution, shared mechanisms and divergent control". Nat. Rev. Microbiol., 12. ss. 181-196. doi:10.1038/nrmicro3199. 
  6. ^ Dubnau, D. and Blokesch, M. (2019). "Mechanisms of DNA Uptake by Naturally Competent Bacteria". Annual Review of Genetics, 53:1. ss. 217-237. doi:10.1146/annurev-genet-112618-043641. 
  7. ^ Inês Chen, Peter J. Christie, David Dubnau (2005). "The Ins and Outs of DNA Transfer in Bacteria". Science. 310 (5753). ss. 1456-1460. doi:10.1126/science.1114021. 
  8. ^ Chen I, Dubnau D (2004). "DNA uptake during bacterial transformation". Nat. Rev. Microbiol. 2 (3). ss. 241-9. doi:10.1038/nrmicro844. PMID 15083159. 
  9. ^ Large-volume transformation with high-throughput efficiency chemically competent cells. Focus 20:2 (1998).
  10. ^ Transformation efficiency of E. coli electroporated with large plasmid DNA. Focus 20:3 (1998).

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">DNA</span> Canlıların genetik bilgilerini barındıran molekül

Deoksiriboz nükleik asit veya kısaca DNA, tüm organizmaların ve bazı virüslerin canlılık işlevleri ve biyolojik gelişmeleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleik asittir. DNA'nın başlıca rolü bilgiyi uzun süre saklamasıdır. Protein ve RNA gibi hücrenin diğer bileşenlerinin inşası için gerekli olan bilgileri içermesinden dolayı DNA; bir kalıp, şablon veya reçeteye benzetilir. Bu genetik bilgileri içeren DNA parçaları gen olarak adlandırılır. Bazı DNA dizilerinin yapısal işlevleri vardır, diğerleri ise bu genetik bilginin ne şekilde kullanılacağının düzenlenmesine yararlar.

<span class="mw-page-title-main">Bakteri</span> mikroorganizma üst âlemi

Bakteri (İngilizce telaffuz: [bækˈtɪəriə] ( dinle); tekil isim: bacterium), tek hücreli mikroorganizma grubudur. Tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda olan bakterilerin çeşitli şekilleri vardır, kimi küresel, kimi spiral şekilli, kimi çubuksu, kimi virgül şeklinde olabilir. Yeryüzündeki her ortamda bakteriler mevcuttur. Toprakta, deniz suyunda, okyanusun derinliklerinde, yer kabuğunda, deride, hayvanların bağırsaklarında, asitli sıcak su kaynaklarında, radyoaktif atıklarda büyüyebilen tipleri vardır. Tipik olarak bir gram toprakta bulunan bakteri hücrelerinin sayısı 40 milyon, bir mililitre tatlı suda ise bir milyondur; toplu olarak dünyada beş nonilyon (5×1030) bakteri bulunmaktadır, bunlar dünyadaki biyokütlenin çoğunu oluşturur. Bakteriler gıdaların geri dönüşümü için hayati bir öneme sahiptirler ve gıda döngülerindeki çoğu önemli adım, atmosferden azot fiksasyonu gibi, bakterilere bağlıdır. Ancak bu bakterilerin çoğu henüz tanımlanmamıştır ve bakteri şubelerinin sadece yaklaşık yarısı laboratuvarda kültürlenebilen türlere sahiptir. Bakterilerin araştırıldığı bilim bakteriyolojidir, bu, mikrobiyolojinin bir dalıdır.

<span class="mw-page-title-main">Plazmid</span> Hücre içindeki küçük DNA molekülü

Plazmidler; bakteriler, arkeler ve ökaryotlar arasında birçok mikroorganizmada bulunan dairesel veya çizgisel ekstrakromozomal replikonlardır. Bakterilerin genetik bilgiyi aktarması, hızlı evrimleşmelerini ve adaptasyonlarını kolaylaştırması için önemli araçlardır. Hedeflenen genleri ekleyerek, değiştirerek veya silerek mikroorganizmaları manipüle etmek ve analiz etmek için önemli araçlar olarak hizmet eder. Prokaryotik hücrelerde bulunurlar ve kromozomlardan bağımsız olarak çoğalırlar. Ek olarak, plazmidler hücreler arasında aktarılabilir, bu da onları prokaryotik evrimde önemli itici güçler olarak kabul eder ve onları yanal gen aktarımına aracılık eden güçlü ajanlar yapar. Antibiyotik direnci gibi yeni işlevler sağlayarak konakçı evrimini hızlandırmakla kalmazlar, aynı zamanda artan gen ifade seviyeleri ve kopya sayısı değişiklikleri yoluyla mutasyonların edinim oranlarına da yol açabilirler. Plazmid genomları genellikle, aynı aileden ilgili plazmidler arasında korunan ve replikasyon ve hareketlilik gibi önemli plazmide özgü işlevlerle ilişkili çekirdek lokusların bir omurgasını içerir. Etkili yatay gen transfer (HGT) vektörleri olarak görev yapar.

<i>Escherichia coli</i> enterik, çubuk şeklinde, gram-negatif bakteri

Escherichia coli (E.coli), Enterobacteriaceae familyasının bir üyesi olup memeli canlıların kalın bağırsağında yaşadığı için bu adı alan bir bakteri türüdür. E.coli çubuk şeklindedir ve gram negatif bakteri olduğundan endospor oluşturmaz. E. coli yaklaşık 2,0 μm uzunluğunda ve 0,5 μm çapındadır. E.coli ilk olarak 1885 yılında Theodor Escherich tarafından bebek dışkısından izole edilmiş ve özellikleri belirlenmiştir. "E. coli, doğumdan birkaç saat sonra bebeklerin mide ve bağırsak sisteminde kolonize olur ve burada yaşar." E.coli suşları insan vücudunda herhangi bir olumsuz etki olmaksızın bir arada bulunur. Bununla birlikte, E. coli gastrointestinal bariyerleri aşınmış ve/ya da bağışıklığı baskılanmış konakçılarda hastalığa neden olabilir. Özellikle bir kısım E. coli, dünya genelinde insanlarda ve hayvanlarda bağırsakta ve bağırsak dışında çeşitli hastalıklara aracılık eder. İnsanlardan izole edilen E. coli suşları ishale ve bir takım bağırsak dışı hastalıklara neden olmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Pilus</span> Bakterilerin yüzeyinde bulunan proteinli kıl benzeri uzantı

Pilus, bakteri hücrelerinin yüzeyinde olan, bakteriyel birleşme (konjugasyon) için gerekli olan saç gibi bir yapıdır. Piluslar bakteriyi kendi türünden bir diğerine bağlayıp iki hücrenin sitoplazmaları arasında bir köprü oluştururlar. Bu sayede plazmidler bir hücreden öbürüne aktarılabilir. Edinilen bir plazmid bakteriye antibiyotik dayanıklılığı gibi yeni özellikler kazandırabilir.

<span class="mw-page-title-main">Bakteriyofaj</span> Bakteri enfekte eden virüs

Bakteriyofaj, bakterileri enfekte eden bir virüstür. Terim genelde kısaltılmış hali olan faj olarak kullanılır.

Bakteriyel konjugasyon hücre teması yoluyla bakteriler arasında genetik malzeme aktarımıdır. Transformasyon ve transdüksiyon gibi bu da bir yatay gen transferi mekanizmasıdır.

<span class="mw-page-title-main">Ti plazmit</span>

Ti plazmit Agrobacterium tumefaciens bakterisinin genetik materyalini bitki hücrelerini enfekte edip bir tümör oluşturmasını ve genetik materyalini bitki hücrelerine aktarmasını sağlayan dairesel bir plazmittir.

Gen aktarımı, bir canlının hücrelerine, başka bir canlının DNA'sının belli bölümlerinin yerleştirilmesi işlemine denir. Rekombinant DNA teknolojisinin uygulamalarından biridir. Her canlı grubu için farklı bir aracı canlı (taşıyıcı) kullanılarak gerçekleştirilir. Önceleri sadece bakteriler aktarımda kullanılmaktaysa da, günümüzde maya, bitki ve hayvan hücreleri de bu işlem için yaygın olarak kullanılmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Transpozon</span>

Transpozonlar bir hücrenin genomunda farklı yerlere, transpozisyon olarak adlandırılan bir süreçle hareket edebilen DNA dizileridir. Bu süreç ile mutasyonlara ve genomdaki DNA miktarının değişmesine neden olurlar. Çeşitli hareketli genetik elemanlar mevcuttur, bunlar transpozisyon mekanizmalarına göre sınıflandırılırlar. Retrotranspozonlar bir RNA ara ürün aracılığıyla kendilerini kopyalayarak hareket ederler. DNA transpozonları bir RNA ara ürün kullanmaz. Tranpozonların kimi kendini kopyalayarak, kimi kendini çevreleyen DNA'dan kesip çıkarıp başka bir yere taşıyarak hareket eder. Bu özelliklerinden dolayı, bilim insanları transpozonları canlılardaki DNA'yı değiştirmek için bir araç olarak kullanırlar.

<span class="mw-page-title-main">Yatay gen transferi</span> Kalıtsal olmayan genetik değişim türü

Yatay gen transferi, bir organizmanın, ikinci bir organizmadan türemeden, o ikinci organizmaya ait genetik malzeme edinmesini sağlayan herhangi bir süreçtir. Buna karşın, dikey transfer bir organizmanın kendi atalarından genetik malzeme edinmesidir. Genetik bilimi bu iki transfer biçiminden daha yaygını olan dikey transfere odaklanmış olmakla beraber, yakın zamanda yatay transferin de anlamlı bir olgu olduğu bilincine varılmıştır. Yatay gen transferinin yapay biçimi bir genetik mühendislik şeklidir.

<span class="mw-page-title-main">Nükleoit</span> Prokaryotik bir hücre içinde genetik materyal içeren bölge

Nükleoit veya nükleoid, prokaryotların genetik materyalinin bulunduğu, düzenli bir biçime sahip olmayan, hücre içi bölgeleridir.

<span class="mw-page-title-main">Frederick Griffith</span> İngiliz bakteribilimci

Frederick Griffith Britanyalı doktor ve genetikçi. 1928 yılında, günümüzde artık Griffith deneyi olarak bilinen deneyle, kendi adlandırmasıyla transformasyon prensibi yani günümüzde bilinen adıyla DNA'yı keşfetmiştir. Tüm modern moleküler biyoloji, bu keşiften köken alarak gelişmiştir.

Virülans, bir mikrobun patojenliği, yani onun hastalığa neden olma yeteneğidir. Patojenlik terimi mutlak anlamda hastalığa neden olma yeteneği için kullanılır, virülans ise bir patojenin ne derecede hastalık yapabileceğini ifade etmek için kullanılır. Virülansın sıfat hali virülandır. Ekolojik bir bakış açısıyla virülans, bir parazitin neden olduğu, konak organizmadaki evrimsel uyum azalmasıdır.

<span class="mw-page-title-main">Biyofilm</span>

Biyofilm, hücrelerin birbirine ve/ya da bulundukları yüzeye yapıştıkları bir mikroorganizma kümesidir. Birbirine bağlı bu hücreler genellikle kendilerince üretilen hücre dışı polimerik bir maddenin (EPS) içine gömülüdürler. Biyofilm EPS'si DNA, proteinler ve polisakkaritlerden oluşan polimerik bir karmaşadır. Biyofilmler canlı veya canlı olmayan yüzeylerde oluşabilir ve doğal, endüstriyel ve hastane ortamlarında mikrobiyal hayatın baskın yönünü temsil eder.

Restriksiyon modifikasyon sistemi bakterilerin kendilerini yabancı DNA'dan korumak için kullandığı bir sistemdir. RM sistemleri iki unsurdan oluşur: 1) yabancı DNA'yı belli noktalarında kesen restriksiyon enzimleri ve 2) konak hücrenin DNAsının kesilmemesi için ona metil grupları ekleyen metilaz enzimlerinden oluşur. Bir RM sistemindeki restriksiyon enzimi ve metilaz aynı DNA dizi motifini tanır, eğer o dizi metillenmişse DNA kesilmez. RM sistemlerinin tanıdığı DNA dizisi bakteri türleri arasında farklılık gösterdiği için, yabancı DNA eğer başka türden bir bakteriden kayanklanıyorsa muhtemelen farklı bir metilasyon gösterir ve yabancı olarak algılanır. Hücreye dışarıdan gelen DNA eğer uygun yerlerde metil grupları taşımıyorsa hücreye zarar veremeden parçalanır. Bilinen bakterilerin yaklaşık yarısının RM sistemi vardır ve bunların yarısında birden fazla RM sistemi bulunur.

<span class="mw-page-title-main">Mikroorganizma</span> mikroskobik bir organizma

Bir mikroorganizma veya mikrop mikroskobik bir organizmadır. Mikroorganizmaları inceleyen, Anton van Leeuwenhoek'un kendi tasarımı olan bir mikroskop kullanarak 1675'te mikroorganizmaları keşfetmesi ile başlayan bilim dalına mikrobiyoloji denir.

Ultramikrobakteri, tipik bakteriyel hücrelere göre önemli ölçüde daha küçük olan, çapı 0,3-0,2 mikrometre olan bakterilerdir. Bu terim, ilk kez çapı 0.3 mikrometreden daha az olan ve deniz suyunda bulunan kok morfolojisindeki bakterileri ifade etmek için 1981 yılında kullanılmıştır. Bu bakterilerin daha sonra toprakta da bulunduğu, Gram-pozitif ve negatif türün bir karışımı olduğu ortaya çıkmıştır. Bu küçük bakterilerin hepsi değilse de çoğunun daha büyük hücrelerin açlık koşulları altında hayatta kalmasını sağlayan atıl biçimleri olduğu ortaya çıkmıştır. Bu yöntemde hücreler metabolizmalarını yavaşlatır, büyümelerini durdurur ve DNA'larını stabilize ederek atıl uzamayan hücreler oluşturarak yıllarca canlı kalabilirler. Bu açlık formları deniz suyunda Ultramikrobakterilerin en yaygın türü olabilirler.

<i>Agrobacterium</i> bitkilerde tümöre sebep olmak için yatay gen transferini kullanan bir cins Gram- negatif bakterisi

Agrobacterium, H. J. Conn tarafından keşfedilmiş, yatay gen transferini kullanarak bitkilerde tümörlere sebep olan bir Gram- negatif bakteri cinsidir. Geçerli 11 türü bulunmaktadır ve bunlar arasında üzerinde en çok çalışma yapılanı ve bilineni A. radiobacter 'dir. Agrobacterium türleri aynı zamanda kendi DNA'larını bitkilerin DNA'sına aktarma yeteneği ile de iyi bilinirler ve bu sebepten dolayı genetik mühendisliğinde önemli bir araç haline gelmişlerdir.

Moleküler klonlamada vektör, yabancı bir nükleik diziyi yapay olarak çoğaltılabileceği ve/veya ifade edilebileceği başka bir hücreye taşımak için bir araç olarak kullanılan herhangi bir parçacıktır. Yabancı DNA içeren bir vektör rekombinant DNA olarak adlandırılır. Dört ana vektör türü plazmidler, viral vektörler, kozmidler ve yapay kromozomlardır. Bunlar arasında en yaygın kullanılan vektörler plazmidlerdir. Tüm tasarlanmış vektörlerde ortak olan bir replikasyon orijini, bir çoklu klonlama bölgesi ve seçilebilir bir işaretleyicidir.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.