Plazmidy - róg obfitości bakterii

Oporność na antybiotyki, degradacja toksycznych substancji, chorobotwórczość dla człowieka i zwierząt, przeżywalność w warunkach ekstremalnych to tylko niektóre z właściwości, jakie bakterie zawdzięczają obecności plazmidów - niewielkich cząsteczek DNA, struktur zagadkowych i fascynujących zarazem, dysponujących ogromnymi możliwościami, których rejestr zdaje się być wciąż niewyczerpany.

U wszystkich organizmów informacja genetyczna, zapisana za pomocą uniwersalnego kodu genetycznego, jest zawarta w DNA, którego cząsteczki są zorganizowane w chromosomy. W komórkach człowieka jest ich 46, podczas gdy np. u grochu - 14, a u komara - 6. Bakterie najczęściej mają tylko jeden chromosom i w dodatku nieco inaczej zbudowany niż u organizmów eukariotycznych. Od potowy ubiegłego wieku wiadomo, że komórki wielu bakterii oprócz chromosomu zawierają jeden lub więcej plazmidów. Plazmidem jest zwykle znacznie mniejsza od chromosomu cząsteczka DNA, niosąca dodatkową informację genetyczną.
Cząsteczkę chromosomalnego DNA możemy porównać do twardego dysku przechowującego informacje niezbędne do pracy komputera, a geny - do programów systemu operacyjnego. Czym jest zatem plazmid Dyskietką - dodatkowym źródłem informacji genetycznej, którą można przechowywać, kopiować i przenosić między komórkami.

Plazmidy to koliste cząsteczki DNA o zróżnicowanej wielkości. Występują one swobodnie na terenie cytoplazmy i choć zwykle mają strukturę kolistą, znane są też plazmidy liniowe. Jeśli porównać wielkość plazmidu z wielkością chromosomu Escherichia coli (liczącego ok. 1,3 milimetra długości), to przeciętny plazmid jest w przybliżeniu 1000 razy mniejszy. Należy przy tym pamiętać, że w jednej komórce bakteryjnej może być kilka rodzajów plazmidów i to w różnej liczbie kopii (od jednego do kilku dziesięciu, a nawet kilkuset). Z tego powodu plazmidy mogą stanowić blisko połowę materiału genetycznego bakterii!

Tak małe cząsteczki jak plazmidy możemy zobaczyć tylko w mikroskopie elektronowym. Istnieje jednak wiele sposobów, aby wykazać ich obecność w bakteriach. Plazmidy dość łatwo możemy wyizolować z komórki bakteryjnej. Ponieważ są one dużo mniejsze niż chromosomowy DNA, mogą być oczyszczone z niego metodami fizykochemicznymi. Łatwość izolacji i możliwości, jakie dają plazmidy, sprawiły, że są one podstawowym narzędziem w pracy biotechnologa. Najważniejsze są jednak efekty obecności plazmidu w komórkach, choć istnieją takie plazmidy, które nie wywołują takich skutków.

Plazmidy nie kodują informacji o funkcjach niezbędnych do życia komórki, tzn. nie zawierają genów metabolizmu podstawowego. Jednak geny niesione przez plazmidy mogą być niezmiernie użyteczne dla bakterii w warunkach dla nich ekstremalnych. Jako przykład mogą posłużyć geny oporności na antybiotyki i inne czynniki toksyczne (np. metale ciężkie, promienie UV) lub warunkujące wykorzystanie jako pokarmu nietypowego (dla danej bakterii) źródła, np. laktozy (fermentowanie mleka), sacharozy, cytrynianu czy złożonych związków organicznych (węglowodorów, alkoholi itp.). Mogą także warunkować osobliwe właściwości, jak np. reakcje ruchowe, tworzenie pęcherzyków gazowych, pigmentację czy zmienność morfologii kolonii bakteryjnej.

Dzięki plazmidom otrzymuje się rośliny zmodyfikowane genetycznie, co stanowi jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi współczesnej biotechnologii roślin. Początek tej dziedzinie dało odkrycie bakterii Agrobacterium tumefaciens, porażającej wiele roślin i powodującej powstawanie na ich organach pędowych charakterystycznych narośli. Badania wykazały, że właściwym czynnikiem infekcyjnym jest specyficzny plazmid Ti (wywołujący guzy), włączający się do genomu komórki gospodarza. Wykorzystując naturalną zdolność plazmidu Ti do przenoszenia genów w nim zawartych wprost do genomu rośliny, zaczęto wykorzystywać go do modyfikacji genetycznej roślin. Wystarczyło jedynie zastąpić geny pasożytnictwa nowymi i wprowadzić je do rośliny za pośrednictwem Agrobacterium. Jedną z pierwszych roślin wyprodukowanych tą drogą był tytoń, który wytwarzał białko lucyferazę i przez to świecił. Technika ta służy obecnie otrzymywaniu wielu roślin transgenicznych, w tym bardziej odpornych na szkodniki, herbicydy, choroby wirusowe i grzybowe, o większych wartościach użytkowych i odżywczych itp.

Plazmidy należą do podstawowego instrumentarium laboratoriów biotechnologicznych. Opisane zastosowanie plazmidów przy konstruowaniu roślin transgenicznych to tylko jedna gałąź dziedziny, której rozwój trudno sobie wyobrazić bez plazmidów - inżynierii genetycznej. Swoiste właściwości cząsteczek plazmidowych, w tym przede wszystkim zdolność samodzielnego powielania się i możliwość wprowadzania ich do bakterii (również innych organizmów) pozwoliły je wykorzystywać jako przenośniki (wektory) fragmentów obcego DNA.

Kolisty plazmidowy DNA możemy przeciąć za pomocą specjalnego enzymu - endonukleazy restrykcyjnej - i w tak powstałą przerwę wprowadzić nowy odcinek DNA (np. kodujący interesujący nas gen). Następnie, dzięki innemu enzymowi - ligazie DNA, oba rodzaje cząsteczek łączy się ze sobą. Uzyskany w ten sposób plazmid nazywamy zrekombinowanym, a opisany proces klonowaniem genów. Tak przygotowany plazmid możemy wprowadzić do komórek organizmu-gospodarza i, w zależności od celu naszych badań, wywołać np. produkcję białka zakodowanego w genie sklonowanym przez nas na plazmidzie.

Laboratoria na całym świecie dysponują obecnie setkami różnych wektorów plazmidowych, sztucznie modyfikowanych w celu usprawnienia dostarczania komórkom docelowych genów, selekcji komórek na obecność wprowadzanego plazmidu, badania sposobu i poziomu ekspresji niesionego na plazmidzie genu.

Jakie praktyczne zastosowanie mają konstrukcje plazmidowe i klonowanie genów z ich użyciem Niewątpliwie umożliwiają wnikliwiej poznać zakodowaną w DNA informację genetyczną. To z kolei pozwala lepiej zrozumieć mechanizmy funkcjonowania genów i białek.

Rozwiązanie zagadki" plazmidów wirulencji pozwoli lepiej zrozumieć mechanizmy bakteryjnej patogenezy, przez co skuteczniej można walczyć z chorobotwórczymi bakteriami. Klonowanie ludzkich (i zwierzęcych) genów do bakterii umożliwia uzyskiwanie szczepów bakteryjnych wytwarzających naturalne białka, swoiste dla człowieka (i zwierząt), niekiedy w bardzo dużych ilościach. W ten sposób - na skalę przemysłową - otrzymuje się wiele białek o znaczeniu leczniczym czy gospodarczym. Są to m.in.: insulina ludzka, ludzki hormon wzrostu, czynniki krzepnięcia krwi (VIII i IX) stosowane w leczeniu hemofilii, a także enzymy trawienne, wykorzystywane w produkcji mleczarskiej, czy też antygeny, stosowane w produkcji szczepionek przeciwko infekcjom wirusowym (np. żółtaczce).

Wiedza na temat plazmidów warunkujących rozkład wielu substancji toksycznych umożliwi skuteczniej wykorzystywać bakterie w projektowaniu zaawansowanych technologii oczyszczania środowiska naturalnego.

Z kolei badanie plazmidów pod kątem modyfikowania własności metabolicznych swych gospodarzy pozwoli pozyskiwać nowe, bardziej wydajne bakteryjne szczepy produkcyjne, dostarczające wielu związków dla różnych gałęzi przemysłu.

Plazmidy przeciw chorobom genetycznym Cząsteczki te mogą zostać wykorzystane w terapii genowej. Polega ona na wprowadzaniu do wybranych komórek funkcjonalnego genu, by rekompensował jego brakująca lub niesprawną wersję. Geny takie są dostarczane pacjentom dwoma sposobami: bezpośrednio do organizmu, tj. tkanki, która ma być leczona, lub ex vivo, przez pobranie wadliwych komórek, wprowadzenie do nich leczniczego genu i zwrócenie naprawionych" do organizmu. W obu tych podejściach kluczową rolę odgrywa cząsteczka nośnika (wektora), potrafiąca wprowadzić obce geny do komórki.

Prowadzone są liczne badania, w których w funkcji wektorów wykorzystuje się właśnie plazmidy. Wprowadzanie cząsteczek DNA - nagich lub w towarzyszeniu lipidów jako tzw. lipopleksów do chorych" komórek - rokuje nadzieje na zastosowanie w szczepionkach przeciwko opryszczce, malarii, HIV, a także immunosupresji nowotworów.

Jednym z ważniejszych wyzwań plazmidowej terapii genowej jest opracowanie takiego układu, aby po wstrzyknięciu do krwioobiegu, DNA został dostarczony do odpowiednich narządów, takich jak wątroba, płuca, nerki, szpik kostny itp.

Wyzwanie to podejmuje metoda naprowadzania, polegająca na kierowaniu genów do określonego miejsca organizmu. Terapia genowa komórek, wykorzystująca wektory plazmidowe, jest gwałtownie rozwijającą się dziedziną i kto wie, może już wkrótce w leczeniu i zapobieganiu częstym chorobom powszechne stanie się zażywanie pigułek, stworzonych w tej technologii.