عملکرد و طبقه بندی پلاسمید ها

پلاسمیدها:

پلاسمید یک قطعه کوچک و حلقوی از مولکول DNA است که شکلی جدا از DNA کروموزومی‌ دارد که همه ی مواد ژنتیکی حاضر در کروموزوم‌های ارگانیسم را شامل میشود. تکثیر و همانندسازی پلاسمیدها جدا از همانندسازی DNA کروموزومی‌ انجام می‌گیرد. پلاسمید‌ها معمولا در باکتری‌ها یافت می‌شوند، اما در آرکی باکترها و ارگانیسم‌های چند سلولی نیز وجود دارند.

پلاسمید‌ها (Plasmid) بطور معمول حداقل یک ژن دارند و بسیاری از ژن‌هایی که پلاسمید‌ها با خود حمل می‌کنند، برای ارگانیسم‌های میزبان آن‌ها مفید هستند. اگرچه آن‌ها ژن‌هایی جدا از میزبان خود دارند، اما پلاسمیدها به عنوان موجودات زنده مستقل تفسیر نمی‌شوند. در شکل زیر، DNA کروموزومی‌ باکتری را به رنگ قرمز و پلاسمید‌های درون آن به رنگ آبی نشان داده شده است.

دانشمندان از پلاسمیدها به عنوان ابزاری برای شبیه سازی، انتقال و دستکاری ژن ها استفاده کرده اند. پلاسمیدهایی که  برای این اهداف استفاده می شوند، وکتور نامیده می شوند. محققان می توانند قطعات یا ژن های DNA را در یک ناقل پلاسمید وارد کنند و یک پلاسمید به اصطلاح نوترکیب ایجاد کنند. این پلاسمید را می توان از طریق فرآیندی به نام transformation  به باکتری وارد کرد و به این دلیل که باکتری ها به سرعت تقسیم می شوند، می توان از آنها به عنوان کارخانه ای برای تکثیرقطعات DNA در مقادیر زیاد استفاده کرد.

پلاسمیدهای مورد استفاده در آزمایشگاه معمولا مصنوعی هستند و برای وارد کردن DNA خارجی به سلول دیگر طراحی شده اند. حداقل، پلاسمیدهای ایجاد شده در آزمایشگاه دارای origin of replication، selection marker و cloning site هستند. سهولت اصلاح پلاسمیدها و توانایی پلاسمیدها برای تکثیر خود در داخل سلول، آنها را به ابزارهای جذابی برای دانشمند یا مهندس زیستی تبدیل کرده است.در شکل زیر نقشه یک پلاسمید نشان داده شده است.

عملکرد پلاسمید‌ها:

پلاسمید‌ها کارکردهای متفاوتی دارند. آن‌ها ممکن است حاوی ژن‌هایی باشند که بقای یک ارگانیسم را پشتیبانی می‌کند، که این فرایند را با از بین بردن ارگانیسم‌های دشمن میزبان و یا با دفاع از سلول میزبان از طریق تولید سموم انجام می‌دهند.

بعضی از پلاسمید‌ها روند تکثیر در باکتری‌ها را آسان می‌کنند. از آنجا که پلاسمید‌ها بسیار کوچک (توالی کوتاه ژنتیکی دارند) هستند،  معمولاً فقط حاوی چند ژن با یک عملکرد خاص (مقدار زیادی DNA غیرکدکننده دارند) هستند. پلاسمید‌های مختلفی می‌توانند به طور همزمان در سلول وجود داشته باشند که هر یک دارای کارکردهای متفاوتی هستند. در ادامه در مورد کارکردهای پلاسمیدها میپردازیم.

طبقه‌بندی پلاسمیدها:

پلاسمیدها از دو طریق در گروه‌های مختلف قرار می‌گیرند. یکی از روش‌های طبقه‌بندی پلاسمید‌ها طبق روش انتقال آن‌ها به میزبان‌های مختلف است و روش دیگر طبق نحوه کارکرد آن‌ها در سلول میزبان صورت میگیرد. در اینجا به ترتیب به هریک از این روش‌های طبقه‌بندی می‌پردازیم.

پلاسمیدهای هم یوغی و پلاسمیدهای غیرهم یوغی:

تکثیر و تولید مثل باکتری‌ها با استفاده از هم یوغی جنسی اتفاق می افتد که حامل انتقال مواد ژنتیکی از یک سلول باکتری به سلول دیگر است، این انتقال مواد ژنتیکی می‌تواند به روش تماس مستقیم یا بوسیله تشکیل یک پل بین دو سلول باکتری انجام شود. بعضی از پلاسمید‌ها حاوی ژن‌هایی به نام «ژن‌های انتقال دهنده (Transfer Genes) هستند که در همان گام نخست فرایند هم یوغی وارد عمل شده و این پروسه را آسان می‌کنند. به این نوع از پلاسمیدها، (پلاسمیدهای هم یوغی)یا  Conjugative Plasmids  می‌گویند.

پلاسمید‌های غیرهم یوغی (Non-Conjugative Plasmids) قادر به شروع فرایند هم یوغی نیستند و فقط با همراهی پلاسمید‌های هم یوغی می‌توانند با شیوه ی کانجوگاسیون جنسی بین باکتری‌های مختلف انتقال داده شوند.

طبقه بندی پلاسمیدها از طریق سازگاری:

پلاسمیدها بر اساس سازگاری با یکدیگر به دو گروه پلاسمیدهای سازگار (Compatible Plasmid) و ناسازگار (Incompatible Plasmid)  تقسیم میشوند. پلاسمیدهای مشابه هم یا هم خانواده در یک سلول میزبان به عنوان پلاسمیدهای ناسازگار طبقه‌بندی می‌شوند، چراکه  فقط یک نوع از این پلاسمیدها می‌توانند در سلول میزبان باقی بمانند و سایر پلاسمیدهای ناسازگار از سلول باکتری خارج می‌شوند.

در یک باکتری یا سلول میزبان، پلاسمید‌های مختلف فقط در صورت سازگاری با یکدیگر ممکن است در کنار هم باقی بمانند. پلاسمید‌ها اگر دارای یک نوع استراتژی تولید مثل در سلول باشند، به عنوان پلاسمیدهای ناسازگار شناخته می‌شوند. این ویژگی به پلاسمید‌ها اجازه می‌دهد تا در سلول‌های خاصی بدون تداخل با سایر پلاسمیدها باقی بمانند.

انواع اختصاصی پلاسمید‌ها:

پنج نوع اصلی از پلاسمید‌ها براساس نوع عملکردشان وجود دارد که شامل موارد زیر هستند:

• پلاسمید‌های F یا پلاسمیدهای باروری  (Fertility Plasmid)
• پلاسمیدهای R یا پلاسمید‌های مقاومت  (Resistance Plasmid)
• پلاسمید‌های بیماری‌زا یا تهاجمی   (Virulence Plasmids)
• پلاسمید‌های تجزیه کننده  (Degradative Plasmids)
• پلاسمید‌های Col

در ادامه به بررسی هر یک از این پلاسمیدها می‌پردازیم.

پلاسمید‌های باروری:

پلاسمید‌های باروری که به اسم پلاسمید‌های F نیز خوانده میشود، حاوی ژن‌های انتقال دهنده هستند که به این ژن‌ها، ژن‌های (tra) نیز گفته میشود. وجود ژن‌های tra در پلاسمیدها به باکتری‌های دارای این پلاسمیدها اجازه می‌دهد تا ژن‌های پلاسمید از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل شوند. پلاسمیدهای باروری ژن‌های تولید کننده پیلی جنسی و انجام فرایند هم یوغی در باکتری‌ها را بیان می‌کنند.

این گروه از پلاسمیدها، پلاسمید‌های هم یوغی را تشکیل می‌دهند. پلاسمید‌های باروری اپی زوم‌ (Episome) هستند، اپی زوم‌‌ها پلاسمید‌هایی هستند که می‌توانند در DNA کروموزومی ‌وارد شوند. باکتری‌هایی که دارای پلاسمید F هستند، به عنوان باکتری F مثبت (⁺F) شناخته می‌شوند و باکتری‌هایی که بدون پلاسمید باروری هستند، باکتری F منفی (^–F) نامیده می‌شوند. هنگامی‌ که یک باکتری ⁺F  با یک باکتری F منفی ترکیب شود، دو باکتری ⁺F  حاصل می‌شود. در هر باکتری فقط یک پلاسمید باروری وجود دارد.

پلاسمید‌های مقاومت:

پلاسمیدهای مقاومت یا پلاسمید‌های R حاوی ژن‌هایی هستند که به سلول‌های باکتریایی کمک می‌کنند تا در برابر عوامل محیطی مانند سموم یا آنتی بیوتیک‌ها از خود دفاع کنند. بعضی از پلاسمید‌های مقاومت قادرند خود را از طریق هم یوغی به باکتری‌های دیگر منتقل کنند. هنگامی‌ که این اتفاق می‌افتد، یک باکتری می‌تواند در برابر آنتی بیوتیک‌ها مقاوم شود.

به دلیل وجود همین پلاسمیدهای مقاومت، در مطالعات اخیر مشخص شده است که باکتری عامل بیماری سوزاک (عفونت مقاربتی) به قدری نسبت به گروهی از آنتی بیوتیک‌ها به نام «کینولون» (Quinolones) که به عنوان دارو برای درمان این بیماری استفاده می‌شد، مقاوم شده است که یک گروه جدید از آنتی بیوتیک‌ها به نام سفالوسپورین‌ها (Cephalosporins)، به جای آن توسط سازمان بهداشت جهانی برای از بین بردن این باکتری پیشنهاد شده است. همین باکتری حتی ممکن است طی 5 سال در برابر این آنتی بیوتیک‌های جدید نیز مقاوم شوند. استفاده بیش از حد از آنتی بیوتیک‌ها برای درمان سایر عفونت‌ها، مانند عفونت ادراری، ممکن است منجر به تکثیر سویه‌های مقاوم به دارو شود.

پلاسمید‌های تهاجمی:

وقتی یک پلاسمید تهاجمی در درون یک باکتری قرار دارد، آن باکتری را به یک باکتری بیماری‌زا تبدیل می‌کند که یک عامل پاتوژن است. باکتری‌هایی که باعث بیماری می‌شوند، به راحتی می‌توانند در بدن فرد مبتلا گسترش یافته و تکثیر شوند. باکتری اشیرشیاکلای (Escherichia coli) پلاسمید‌های تهاجمی متعددی دارد. این باکتری به طور طبیعی در روده انسان و سایر حیوانات یافت می‌شود، اما گونه‌های خاصی از E. coli می‌توانند باعث اسهال و استفراغ شدید شوند. سالمونلا انتریکا (Salmonella enterica) باکتری دیگری است که حاوی پلاسمید‌های تهاجمی است.

پلاسمید‌های تجزیه کننده:

پلاسمید‌های تجزیه کننده به باکتری میزبان کمک می‌کنند تا ترکیباتی را که معمولاً در طبیعت وجود ندارد، مانند کافور (Camphor)، زایلن (Xylene)، تولوئن (Toluene)‌ و اسید سالیسیلیک  (Salicylic Acid) را تجزیه کند. این پلاسمید‌ها حاوی ژن‌هایی برای آنزیم‌های خاص هستند که این ترکیبات ویژه را تجزیه می‌کنند. پلاسمید‌های تجزیه کننده از جمله پلاسمیدهای هم یوغی هستند.

پلاسمید‌های Col:

پلاسمید‌های Col شامل  ژن‌هایی هستند که باکتریوسین‌ها (Bacteriocins) را تولید می‌کنند (این ترکیبات به عنوان کولیسین نیز شناخته می‌شوند). باکتریوسین‌ها پروتئین‌هایی هستند که سایر باکتری‌ها را از بین می‌برند و در نتیجه از باکتری میزبان دفاع می‌کنند. باکتریوسین‌ها در بسیاری از انواع باکتری‌ها از جمله E. coli وجود دارند که آن‌ها را از پلاسمید (ColE1) می‌گیرند.

تصویر ۵: نحوه عملکرد باکتریوسین‌ها بر روی غشا باکتری‌ها

کاربردهای پلاسمید:

بشر در عرصه های مختلف علوم زیستی و ژنتیکی از پلاسمیدها استفاده می‌کند و نرم افزاری را برای تعیین توالی  DNA  پلاسمید‌ها برای استفاده در تکنیک‌های مختلف ابداع کرده‌اند. پلاسمید‌ها در مهندسی ژنتیک برای تقویت یا تولید نسخه‌های زیادی از ژن‌های خاص استفاده می‌شوند.

در تکنیک کلونینگ مولکولی، پلاسمید نوعی وکتور تلقی میشود. وکتور توالی از DNA است که می‌تواند مواد ژنتیکی خارجی را از یک سلول به سلول دیگر منتقل کند، در سلول جدید پلاسمیدها می‌توانند ژن‌ها را بیان و تکثیر کنند. پلاسمید‌ها در کلون کردن بخش‌های کوتاه DNA مفید هستند. همچنین، پلاسمید‌ها می‌توانند در مقادیر زیاد برای تکثیر پروتئین‌ها، مانند پروتئین کدکننده انسولین، مورد استفاد قرار گیرند.

پلاسمیدها کلید توسعه بیوتکنولوژی میکروبی هستند. آن‌ها به عنوان وکتور یا حامل عمل می‌کنند تا DNA خارجی را در باکتری‌ها وارد کنند. استفاده از پلاسمیدها برای تحویل DNA از دهه 1970 آغاز شد، در آن زمان برای اولین بار DNA از جانداران دیگر جدا شد و در مکان‌های خاص در DNA پلاسمید قرار گرفتند. پلاسمیدهای اصلاح شده (برای کسب ویژگی‌های جدید) سپس به باکتری‌ها وارد شدند.

علاوه بر این، پلاسمید‌ها به عنوان راهی برای انتقال ژن به سلول‌های انسانی به عنوان بخشی از روش ژن درمانی مورد بررسی قرار می‌گیرند. اگر بیمار، اختلال ارثی مربوط به جهش ژن را داشته باشد، ممکن است سلول‌ها فاقد پروتئین خاصی باشند، قرار دادن پلاسمید در DNA باعث می‌شود، سلول‌ها پروتئین مورد نظر خود را بیان کنند.