Il genotipo batterico si adatta ed evolve facilmente (è plastico). La ricombinazione genetica è lo scambio di materiale genetico tra due molecole di DNA, di cui una è donatrice e una è ricevente. Questo meccanismo permette ai batteri di adattarsi a condizioni ambientali avverse e acquisire nuovi tratti, come la resistenza agli antibiotici. Inoltre, la ricombinazione contribuisce all'evoluzione batterica anche in assenza di riproduzione sessuata.
La ricombinazione può essere omologa, quando avviene che sequenze di DNA simili si scambiano materiale genetico, oppure non omologa, quando non vi è somiglianza tra le sequenze, con inserimenti casuali nel genoma. Entrambe aumentano la variabilità genetica.
Esistono tre meccanismi principali di ricombinazione genica, tutti finalizzati a trasferire da una cellula donatrice a una ricevente. Quasi sempre si tratta di ricombinazione omologa. I meccanismi sono: trasformazione, coniugazione e trasduzione.
Vediamoli singolarmente
Trasformazione
Nel 1928 il medico inglese F. Griffith scopre il processo di trasformazione mentre tenta di preparare antisieri più efficaci contro lo Streptococcus pneumoniae (al tempo chiamato Diplococcus pneumoniae).
Si accorge che il batterio esiste in due forme: il ceppo S, che produce colonie lisce e lucide a causa della presenza di capsula e quindi virulente, e il ceppo R, che produce colonie rugose opache non virulente (perché senza capsula).
L'esperimento si svolse in diverse fasi (in ogni fase inietta un diverso ceppo in dei topi):
- iniezione di ceppo di ceppo S virulento: i topi si ammalano e muoiono, poiché il ceppo S è patogeno.
- iniezione del ceppo R non virulento: i topi restano sani, poiché il ceppo non è patogeno.
- iniezione di ceppo S morto (ucciso dal calore): i topi restano vivi, perché il ceppo S è stato distrutto precedentemente dal calore e quindi non può essere patogeno.
- iniezione di ceppo R vivo assieme a ceppo S morto: i topi si ammalano e muoiono. A grande sorpresa di Griffith, poiché ne il ceppo R ne il ceppo S morto erano virulenti presi singolarmente, (è proprio in questa quarta iniezione che avviene la trasformazione.)
Conclusione: Griffith osservò che il ceppo R aveva subito una trasformazione acquisendo la capacità di formare una capsula liscia (e quindi diventare virulento) dopo aver preso il DNA del ceppo S morto.
Il processo di conversione dei batteri antivirulenti innocui in cellule virulenti fu chiamato così trasformazione.
Attenzione: la cellula che dona i propri geni è sempre in lisi (poi muore). Inoltre, il DNA donato ha un elevato grado di omologia col DNA della cellula ricevente.
Significato clinico: La trasformazione ha un importante significato clinico perché permette ai batteri di acquisire geni utili, come quelli per la resistenza agli antibiotici o la produzione di tossine. Questo processo può rendere un’infezione batterica più difficile da trattare e contribuisce alla diffusione della resistenza agli antibiotici, rappresentando una sfida per la medicina moderna.
La trasformazione viene utilizzata in ingegneria genetica per produrre proteine come insulina o vaccini. Serve anche per studiare la resistenza agli antibiotici e sviluppare nuove terapie. Inoltre, è fondamentale per creare batteri utili nel biorisanamento e nella produzione industriale.
Coniugazione
La coniugazione è un processo di trasferimento diretto di materiale genetico tra due batteri tramite contatto fisico. Questo meccanismo consente lo scambio di plasmidi (piccoli frammenti di DNA circolare autonomo) e a volte anche di DNA cromosomico, contribuendo alla variabilità genetica.
Fu scoperta nel 1946 da Ledeberg e Tatum.
Fasi della coniugazione:
- Contatto tra batteri: Avviene tra un batterio donatore (che contiene il fattore F, o "Fattore Fertilità", detto batterio F+) e uno ricevente (privo di plasmide F, detto F-). Il donatore produce un pilo sessuale, una struttura simile a un filamento che si estende e si lega al batterio ricevente.
- Formazione del ponte di coniugazione: Dopo il contatto, il pilo si accorcia, avvicinando i due batteri e formando un ponte di coniugazione attraverso il passaggio del DNA.
- Trasferimento del DNA: Il plasmide nel batterio donatore si replica attraverso un meccanismo detto replicazione a rotolo di tamburo. Una copia del plasmide viene trasferita al batterio ricevente attraverso il ponte.
- Conversione del batterio ricevente: Dopo la coniugazione, il batterio ricevente diventa F+, acquisendo il plasmide F e la capacità di trasferire DNA ad altri batteri.
Varianti della coniugazione:
Coniugazione HFr (High Frequency of Recombination): In alcuni casi, il plasmide F si integra nel cromosoma batterico. Durante la coniugazione, parte del DNA cromosomico del donatore può essere trasferito nel ricevente (questo perché il ponte di coniugazione è molto fragile), aumentando la possibilità di ricombinazione genetica.
Significato clinico: La coniugazione ha un impatto rivelante nella diffusione della resistenza agli antibiotici, poiché i plasmidi trasferiti spesso contengono geni che conferiscono resistenza o fattori di virulenza, facilitando la diffusione di infezioni più difficili da trattare. Possiamo quindi utilizzare la coniugazione a nostro vantaggio nei seguenti modi:
- Ingegneria genetica: Trasferimento di geni specifici in batteri per produrre proteine utili, come insulina, enzimi o vaccini.
- Produzione di antibiotici: Sfruttare la coniugazione per studiare la resistenza agli antibiotici e sviluppare nuove terapie.
- Biorisanamento: Modificare batteri per degradare sostanze tossiche o inquinanti, rendendoli più efficaci.
Trasduzione
La trasduzione è il processo di trasferimento genetico tra i batteri mediato da virus chiamati batteriofagi. I batteriofagi sono parassiti endocellulari obbligati, quindi per replicarsi hanno per forza bisogno di infettare una cellula, in questo caso un batterio. Durante il loro ciclo vitale possono spostare frammenti di DNA da un batterio all'altro, favorendo la ricombinazione genetica.
Ci sono due tipi di infezione (cicli replicativi dei batteriofagi):
- Ciclo litico (distruzione batterio): Il fago (viruento) inietta il suo DNA nel batterio e lo usa per produrre nuove particelle virali. Alla fine, la cellula batterica va in lisi, liberando i nuovi fagi pronti a infettare altri batteri. Questo ciclo è rapido e porta alla morte del batterio.
- Ciclo lisogeno (integrazione silente): Nel ciclo lisogeno, il DNA del fago (temperato) si integra nel genoma batterico diventando profago. Il batterio continua a vivere e replicarsi, trasmettendo il DNA virale alle cellule figlie. Il fago rimane inattivo fino a quando condizioni particolari lo spingono a entrare nel ciclo litico.
In breve, il ciclo litico distrugge il batterio, mentre il ciclo lisogeno permette al fago di rimanere latente senza uccidere l'ospite.
Esistono due tipi principali di trasduzione:
Trasduzione generalizzata: Avviene durante il ciclo litico. Quando il fago infetta il batterio, degrada il suo DNA e produce nuove particelle virali. Tuttavia, durante l'assemblaggio, può accidentalmente incorporare frammenti di DNA batterico anziché il proprio. Il fago "difettoso" infetta un altro batterio, trasferendo quel frammento di DNA batterico che può integrarsi nel nuovo ospite. Questo processo è casuale: qualsiasi gene batterico può essere trasferito.
Trasduzione specializzata: Si verifica durante il ciclo lisogeno. Il DNA del fago si integra nel genoma batterico come profago. Se, durante l'uscita dal cromosoma batterico, il fago si stacca in modo errato, preleva con sé geni batterici vicini al sito di integrazione. I nuovi fagi porteranno solo quei geni specifici al successivo batterio infettato.
In sintesi, la trasduzione generalizzata può trasferire qualsiasi frammento di DNA, mentre la specializzata trasferisce solo geni specifici, situati vicino al profago nel genoma batterico.
Lisogenia
La lisogenia è una forma di relazione tra un batteriofago e un batterio in cui il DNA del fago si integra nel cromosoma batterico, formando un profago. Durante questa fase, il fago rimane latente, senza distruggere l’ospite. Il batterio continua a dividersi, replicando anche il DNA virale. In condizioni di stress, il profago può uscire dal genoma batterico e avviare il ciclo litico, distruggendo la cellula.
Trasposoni
I trasposoni, o elementi trasponibili, sono sequenze di DNA in grado di spostarsi autonomamente da una posizione all’altra all’interno del genoma di una cellula. A volte vengono chiamati anche "geni saltatori" perché possono cambiare posizione sia all’interno di un cromosoma sia tra cromosomi diversi o plasmidi.
Ci sono due tipologie di trasposoni:
- Semplice: contengono solo il gene per la trasposasi (trasferimento) e le sequenze terminali.
- Complessi: hanno geni accessori, come quelli per la resistenza agli antibiotici, tra due sequenze trasponibili.
Meccanismo di trasposizione:
- Taglia e incolla: il trasposone viene rimosso dalla posizione originale e inserito in un nuovo sito.
- Copia e incolla: una copia del trasposone viene inserita altrove senza rimuovere l’originale.