6. Ultrahangos kezelés
2.10. A baktériumok genetikája
A baktériumoknak fontos szerep jut a genetikai kutatásokban, mivel haploid genommal rendelkeznek, rövid a generációs idő, olcsón és egyszerűen nagy po-pulációkhoz lehet jutni.
A genetikai anyag szerepe a genetikai információ tárolása és átörökítése, a meghatározott tulajdonságok kifejeződésének szabályozása. A genotípus jelenti a genetikai információk összességét, a fenotípus pedig az összes megnyilvánuló sajátságot.
A genotípus változása a fenotípus megváltozásához vezethet, a fenotípus változása viszont nem szükségszerűen a genotípus megváltozásának a következ-ménye.
A baktériumok kifejezett alkalmazkodó képességgel rendelkeznek. A gene-rációs idő rövidsége miatt a genetikai változás következtében előnyhöz jutott sejt utódai hamar túlnövik a populáció többi tagját. A baktériumok genetikai változás nélkül is képesek a környezeti feltételek megváltozásához alkalmazkodni.
A módosulás genotípus megváltozása nélkül bekövetkező fenotípusos vál-tozás. A módosulások a környezethez való alkalmazkodás (adaptáció) eszközei.
A bakteriális gének működése legnagyobbrészt nem konstitutív (állandó), hanem induktív. A gének ki-bekapcsolása széles körű alkalmazkodást biztosít a mikro-basejt számára. A módosulás megnyilvánulhat például a sejt járulékos szerkezeti elemeinek tekintetében. Például a Bacillus anthracis tokja csak szén-dioxid-tartal-mú közegben fejlődik ki, a szokásos tenyésztés során pedig nem. A csillók kifej-lődéséhez megfelelő nedvesség szükséges, ez gyakran csak folyékony táptalajban figyelhető meg. Stacioner fázisban lévő baktériumok kismértékű antibiotikum-rezisztenciát mutatnak.
A genomban foglalt információ bármely állandó, öröklődő megváltozását mutációnak nevezzük. A mutáció a DNS bázisszekvenciájában bekövetkezett változás. A mutáció eredménye maradandó, független a környezeti tényezők vál-tozásától, öröklődik. Ha a mutáció előnyös, a baktériumsejt utódai dominánssá válhatnak az illető populációban.
A beavatkozás nélkül fellépő mutációkat spontán mutációknak, a mutagén tényezők hatására kialakult mutációkat pedig indukált mutációknak nevezzük.
A legkorábban megismert mutagén ágens az ultraibolya besugárzás. A kémiai mutagén ágensek a bázisanalógok, amelyek a bázisok helyére épülnek be, és a hibás párképzéssel keletkeznek a mutációk. Ugyancsak kémiai mutagén tényezők a bázismódosítók, például a hidroxilamin, ami a citozint dezaminálja.
Azt a mikroorganizmust, amelyik természetes, nem mutált tulajdonságokkal rendelkezik, vad típusnak vagy vad törzsnek nevezzük. A mutáns törzsek valami-lyen változást mutatnak a morfológiai bélyegek, a táplálkozási igények, a külön-böző kémiai szerekkel szembeni ellenállóság, hőmérsékleti igény stb. szempont-jából. Gyakorlati genetikai célokra jól felhasználhatók azok a mutánsok, melyek
valamely aminosav, nitrogénbázis, növekedési faktor bioszintézisében szenvedtek mutációt. Ezek minimál táptalajon nem képesek szaporodni, dependensek arra a termékre, melyet nem képesek szintetizálni. Ezeket auxotróf mutánsoknak nevez-zük. A szénhidrát-fermentáció szempontjából fellépő mutánsokat fermentációs mutánsoknak hívjuk. Ugyancsak jelentősek a rezisztens mutánsok is.
2.10.1. Genetikai anyag átvitele baktériumok között
A prokariótáknál az egyes fajok között gyakori jelenség a genetikai anyag cseréje. Az átvitt DNS-szakaszok rezisztenciagéneket, virulenciafaktorokat hor-dozhatnak, a recipiens sejtnek új tulajdonságot kölcsönöznek.
A genetikai információ átadása történhet vertikálisan (az utódoknak) vagy horizontálisan (a donor sejtből a befogadó sejtbe). A baktériumok közti horizon-tális információátadás történhet transzformáció, transzdukció és konjugáció által (2.35. ábra).
2.35. ábra. A horizontális genetikai anyag átadásának lehetőségei a baktériumoknál
(Hendrickson 2008)
2.10.1.1. A transzformáció
A transzformáció során a baktérium közvetlenül DNS-t vesz fel a környeze-téből. A DNS származhat a környezetben elpusztult és szétesett sejtekből, vagy lehetnek mesterségesen előállított DNS-fragmentumok. Azokat a baktériumsejte-ket, amelyek képesek az idegen DNS felvételére, kompetens sejteknek nevezzük.
A kompetencia genetikailag meghatározott tulajdonság, amely specifikus fehérjék meglétét és működését igényli. A DNS-fragmentum hidrogénhidakkal kapcsolódik a homológ recipiens DNS-szakaszhoz, majd a következő replikáció alkalmával kicserélődnek a donor és recipiens DNS-szakaszok, és megtörténik a rekombi-náció. A transzformáció több Gram-pozitív baktériumban végrehajtható, magas Ca2+-szint mellett, az E. coliban is.
A kompetens sejteknek két típusát különböztethetjük meg: ideiglenesen kom-petens és állandóan komkom-petens sejtek. Az ideiglenesen komkom-petens baktériumsejtek transzformációja a quorum sensing jelenséggel hozható kapcsolatba. A Strepto-coccus pneumonie rövid ideig, a szaporodás exponenciális szakaszában transz-formálható, amikor a megfelelő sejtsűrűség elérésekor a kompetens sejtek egy kis molekulatömegű, 17 aminosavból álló fehérjét (kompetenciafaktort) választanak ki, amely a sejtmembrán receptoraihoz kötődve specifikus fehérjék szintézisét indukálja, elősegítve a transzformációt. Az állandóan kompetens sejtek esetében nincs kompetenciafaktor-termelés. A kompetencia kialakulásában és fenntartá-sában valószínűleg a cAMP jelmolekula játszik szerepet, amelynek mennyisége megnő a sejten belül, amikor a sejtek a stacioner szakaszba kerülnek. Ez jellemző például a Haemophilus influenzae baktériumra.
2.10.1.2. Transzdukció
Transzdukció esetén a génátvitel bakteriofág közvetítésével történik. A bak-teriofágok nem mindig pusztítják el a gazdaszervezetet, és amíg a megtámadott sejtben szaporodnak, integrálhatnak DNS-szakaszokat gazdájuk genomjából. Eze-ket azután mint vektorok, átvihetik más gazdaszervezetbe, ahol leadhatják, és e szakaszok beépülhetnek az új gazdába, új tulajdonságot adva neki.
Általános transzdukció esetén az elbomló gazda-DNS-ből véletlenszerűen integrálódnak fragmentumok a fágba. Specializált transzdukció esetén megkülön-böztetett szakaszokat vesz fel a fág, és saját genomjának darabjait visszahagyja.
A temperált fágok alkalmasak transzdukcióra, ezek profág állapotban beépül-nek a gazdasejt genomjába, és attól kezdve a szaporodásuk a gazdasejt ellenőrzése alatt áll. Az ilyen sejtvonal lizogén állapotban van. Külső ingerek (például UV sugárzás) indukálhatják a lízist, ami a fággenom kivágódásával kezdődik, és ha ez pontatlan, akkor viszi magával a fág a szomszédságában lévő baktériumgéneket.
A profágot tartalmazó lizogén sejt immunis a többi, hasonló típusú bakteriofág-gal szemben, vagyis fenotípusa megváltozott a nem lizogén sejtekhez képest. Az immunitáson kívül gyakran más fenotípusos változás is kimutatható (például a toxintermelő képesség, antibiotikum-rezisztencia). A jelenséget fágkonverziónak nevezik. A transzdukció genetikai információt közvetíthet az élővilág egymástól távol álló képviselői között.
2.10.1.3. A konjugáció
A konjugáció során a donor és a recipiens sejtek között szexpilusokon keresz-tül történik a plazmidok, kromoszómarészek vagy egyéb genetikai anyag átadása.
Ez a folyamat jellegzetesen a Gram-negatív baktériumokban játszódik le. A donor (F+) sejtek F-plazmidjának cirkuláris én hasítás történik, és az egyik DNS-szál átadódik a recipiensnek. Ezt követően a donorsejtben az átadott DNS-szál újra
szintetizálódik az ún. guruló kerék mechanizmus szerint, és a recipiens sejt is elkészíti a befogadott információ komplementer szálát. Miután az F- sejtek is szert tettek a plazmidra, ők is képesek lesznek szexpilus fejlesztésére és donorfunkciók ellátására. Vannak Hfr (high frequency of recombination=nagy gyakorisággal re-kombinálódó) donorok is, amelyeknél az F plazmid nemcsak konjugatív, hanem integratív is. Ezekben a törzsekben az F plazmid episzómaként változatos helyekre integrálódott a kromoszómába. Egyes esetekben a Hfr donorok kromoszómájából kivágódhat az F plazmid, magával ragadhat géneket, és ezekkel együtt kerülhet át a recipiensekbe, ahol önállóan replikálódva új tulajdonságokat kölcsönöz a befogadónak.
Konjugációval fontos tulajdonságokat meghatározó gének kerülhetnek át a recipiensbe, mint például az antibiotikum-rezisztencia, nehézfémekkel szembeni ellenálló képesség, toxintermelés, bakteriocintermelés, virulenciafaktorok szin-tézisének képessége. A Gram-pozitív baktériumokban ritkábban figyeltek meg konjugációt.
2.10.2. Mobilis genetikai elemek
A mobilis genetikai elemek képesek a genom egyik részéről a másikra áthe-lyeződni. Ilyenek például az inszerciós szekvenciák és a transzpozonok.
Az inszerciós szekvenciák csak a transzpozícióhoz szükséges gént hordoz-zák. Végeiken fordítottan ismétlődő szekvenciák vannak. Képesek áthelyezni ma-gukat a kromoszóma egyik végéről a másikra, vagy a kromoszómáról a plazmidra, és fordítva is. Az inszerciós szekvenciák azáltal okozhatnak változást a fenotípus-ban, hogy blokkolják azokat a géneket, amelyekbe beépültek, de poláros hatással lehetnek a szomszédos génekre is.
A transzpozonok nemcsak a transzpozícióhoz szükséges információt hordoz-zák, hanem más géneket is. Inszerciós elemek által közrefogott gének. Jelentőségük az antibiotikum-rezisztencia kialakulásában van.