Vědci poprvé v přímém přenosu pozorovali, jak bakterie 'kradou' DNA z okolí

VIDEO - Příroda autor: Jan Toman

"Vyšší" organismy se při výměně genetické informace omezují takřka výhradně na sex. Ať už jde o rostliny, houby, živočichy nebo prvoky, jiná než přísně regulovaná pohlavní cesta výměny genů prakticky nepřichází v úvahu. Jak by řekl Jára Cimrman: "Nuda nuda, šeď šeď". Zato takové bakterie si mohou dovolit učiněné zvrhlosti. Jednou z nich je přímý příjem DNA z prostředí odborně zvaný transformace. Problém je, že transformaci donedávna nikdo přímo nepozoroval, natož aby zmapoval detaily tohoto procesu. S pomocí moderních molekulárně-biologických a mikroskopických technik se nám ale transformace dostala na dosah.

Bakterie cholery chytají DNA z okolí pomocí "chapadel"

Bakterie cholery chytají DNA z okolí pomocí "chapadel",zdroj: Nature

Prokaryotické organismy, mezi které patří i bakterie, mají ve srovnání s námi výrazně širší možnosti výměny genetické informace. Jednou z nich je konjugace, výměna generického materiálu mezi dvěma buňkami. S jejím využitím si bakterie mohou přehazovat mimo jiné plazmidy, malé "balíčky" genů, které někdy zahrnují třeba i vlohy pro odolnost proti antibiotikům. Tato schopnost také možná stála u vzniku pohlavního rozmnožování.

Další možností je transdukce, přehazování kusů DNA prostřednictvím virů. Poté, co nakazí buňku a donutí ji k vytváření svých kopií, viry občas zabudují mezi vlastní genetický materiál fragmenty DNA pocházející od hostitele. Ty se při nákaze další oběti, zvláště pokud se u ní virus z nějakého důvodu pasivně uloží do její jaderné DNA, mohou dostat i ke zcela nepříbuzným buňkám.

"Ochutnávka" okolí

Poslední a možná nejzajímavější možností takovéhoto "horizontálního" přenosu genů mezi nepříbuznými buňkami je proces transformace. Transformaci zvládá řada jednoduchých prokaryotických organismů, zejména bakterií. Přijímají při ní genetický materiál z okolí (kde plave nepřeberné množství rozkládajících se fragmentů DNA mrtvých organismů) a zabudovávají jej do vlastního genomu.

Dodnes se vede debata o důvodech transformace. Podle jedné skupiny vědců bakterie vyhledávají cizí genetický materiál jako vydatný zdroj živin a jeho občasné zabudování do vlastní DNA bývá jen nechtěným vedlejším důsledkem tohoto chování. Podle druhé skupiny badatelů se od počátku jedná o důmyslné přizpůsobení, s jehož pomocí dokáží bakterie či jiné prokaryotické organismy za krizových podmínek "vyzkoušet, co okolo plave".

Valná většina takovýchto experimentů se slepou modifikací vlastního genomu cizí DNA končí nezdarem. Za podmínek, kdy by buňka i tak skoro jistě zemřela, ale podobným pokusem nic neztratí. Vzácně přitom může některá z buněk narazit na "poklad", například gen zajišťující odolnost k určitému druhu antibiotik, přežít a dát základ celé další generaci.

Jak se transformuje cholera

Jak už to v přírodě bývá, detailní průběh transformace je velmi komplexní a samotný fenomén patrně sestává hned z několika do jisté míry nezávislých procesů. To si uvědomili i američtí vědci a celý problém rozsekali na menší otázky. Jak referují v posledním čísle vědeckého časopisu Nature microbiology, nejprve se zaměřili na jednu konkrétní metodu transformace u bakterií Vibrio cholerae.

Bakteriálního původce cholery si výzkumníci zvolili hlavně proto, že transformace využívá často a intenzivně i za přirozených podmínek. Ve stavu, kdy je bakterie připravená na transformaci, vytváří na svém povrchu tenké vlasovité výrůstky zvané pili. Vědci se zaměřili na jeden konkrétní typ těchto pilusů (IV) a prostudovali jej v největším detailu. S pomocí molekulárně-biologických technik nabarvili pili i volnou DNA v experimentálním prostředí buňky. Díky metodám fluorescenční mikroskopie potom mohli studovat dynamické změny všech souvisejících struktur.

Donedávna spolu soupeřily dva modely fungování transformačních pilusů. Podle prvního výrůstky zachytávají DNA z prostředí podobně jako chapadla vyšších živočichů. Následně se vsunou dovnitř a genetický materiál protáhnou přes cytoplazmatickou membránu buňky oddělující ji od okolního prostředí. Podle druhého modelu potom pilusy jen regulují propustnost cytoplazmatické membrány a jejich přítomnost v zásadě umožňuje, aby na jejich místě DNA membránou sama prostupovala.

Jako chapadla

Výsledky fluorescenční studie jednoznačně nasvědčují první možnosti. DNA se zachytává na špičce několik mikrometrů dlouhých pilusů, které buňka začne vzápětí velmi rychle vsouvat dovnitř. Jedná se tedy o poměrně regulovaný proces, s velkou pravděpodobností výrazně odlišný od příjmu DNA z okolí při poškození buňky. Délka pilusů typu IV navíc naznačuje, že na rozdíl od jiných metod transformace slouží hlavně k vychytávání DNA přichycené na površích – například tkáních, zlomcích potravy nebo bakteriálních nárostech.

Pili kromě toho mohou přijmout nejspíše jen jediný kus genetického materiálu, a to ten, který se zachytí na špičce útvaru. DNA, která by se zachytila na pilu ze stran, nemá šanci na protažení úzkým pórem dovnitř buňky. Pili typu IV u Vibrio cholerae dále podle výsledků preferují dvouřetězcové zlomky DNA a mohou na stejných místech buňky vznikat opakovaně.

Zásadní roli pilusů v transformaci potvrdily i experimenty, při kterých vědci narušili některé jejich důležité součásti. V takové situaci buňky částečně nebo zcela ztrácely schopnost transformace. Samotné pilusy si při pokusech mezi různými úseky DNA příliš nevybíraly. Zatím tak nelze úplně vyvrátit hypotézu, že bakterie DNA z okolí přijímá hlavně jako potravu.

Vzhledem ke komplexitě celé transformační mašinerie a celému spektru metod, pomocí kterých buňka může přijímat okolní DNA, se ale zdá pravděpodobnější možnost, že přinejmenším některé úseky buňka vytipovává cíleně k vlastní "genetické manipulaci". Nakonec tak možná budou pravdě nejblíž vědci, podle kterých všechny prokaryotické organismy v dlouhém časovém měřítku tvoří obrovskou globální síť výměny genů ne nepodobnou lidskému internetu.

Zdroj: Ellison CK, Dalia TN, Ceballos AV, Wang JCY, Biais N, Brun YV & Dalia AB (2018): Retraction of DNA-bound type IV competence pili initiates DNA uptake during natural transformation in Vibrio cholerae. Nature microbiology, 3.

Tagy: bakterie DNA zvířata a příroda věda a poznání mikrobiologie