Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı BAKTERİ GENETİĞİ Prof.Dr. Davut ALPTEKİN Ç.Ü. Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı ADANA

Bakterilerde üreme genetik materyali olan sirküler DNA’sının ikiye katlanması ve arkasından hücrenin ikiye bölünmesi ile olur. Ancak bu üreme şekli bakterilerde genetik değişiklik oluşturmaz. Oysa bakteriler doğada sürekli değişim içerisindedir. Bu değişimi sağlayan da bir bakterinin genetik materyalinin bir kısmının başka bir bakteriye aktarılması ile oluşur.

Verici bir bakteri hücresinden alıcı bir bakteriye genetik materyalin bir kısmı aktarılarak sonuçlanan olayda alıcı hücre genetik materyalinin yalnızca bir kısmı için diploit duruma geçer. Böylece kısmi zigot (merozigot) oluşmuş olur. Aslında haploit olan bakteri kromozomu yalnız bir bölümünde diploit olur. Bu olaya kısmi karışım yada meromiksis denir. Burada verici hücreden alınan genetik parçaya ekzogenot, bu parçanın alıcı hücredeki karşılığına da endogenot adı verilir.

Alıcı bir bakteriye bir DNA parçası kendiliğinden, bir faj aracılığı ile veya iki bakteri arasında oluşan bağlantı aracılığı ile geçerek alıcı bakterinin DNA’sı yeni bir kombinasyon oluşturur. Bu olaya rekombinasyon, oluşan melez bakteriye de rekombinant adı verilir. Bakterilerde rekombinasyona yol açan başlıca olaylar transformasyon, transdüksiyon ve konjugasyon olaylarıdır.

A-TRANSFORMASYON Ortada ikinci bir canlı hücre ya da bakteriyofaj bulunmaksızın verici hücre tarafından bırakılmış, ortamdaki parçalanmış DNA'nın alıcı hücre tarafından alınarak rekombinant hücreler oluşmasına transformasyon denir. DNA, ortama genellikle verici hücrelerin parçalanması ya da bazı kimyasal maddeler kullanılarak ekstraksiyonu ile verilebilir. Ancak alıcı hücre tarafından alınabilmesi için DNaz enzimi etkisinden korunmuş olması ve alıcı hücrenin dışarıdan gelen DNA moleküllerini hücre içine alabilecek yetenekte bulunması gereklidir.

Fred Griffith (1928), Avery ve ark Fred Griffith (1928), Avery ve ark. (1944) genetik materyalin bakteriler arasında geçiş gösterdiğini, yani transformasyon olayını açıkladılar.

Griffith’in çalışmalarından elde edilen sonuçlar: Saflaştırılmış transformasyon yapan faktörün beklenildiği gibi kimyasal yapıda olduğu, Elde edilen materyalin genel özelliklerinin DNA’ya benzediği, Protein veya lipidlerin ortamdan uzaklaştırılması sonrası transformasyon yapma aktivitesinde bir kayıp olmadığı, Tripsin ve kimotripsin gibi polipeptid kıran (protein parçalayan) enzimlerin transformasyon yapan aktiviteyi etkilemediği, RNaz’ın transformasyon üzerine etkisinin olmadığı, Ortama DNaz ilavesi ile transformasyon tamamen ortadan kalktığını belirlemişlerdir.

Griffith’in çalışmaları moleküler çalışmaların gelişmesinde önemli bir adım olmuştur. 1944’lere kadar proteinlerin genetik bilgiyi taşıdığına ve bu nedenle DNA’nın ikinci rolde kaldığına inanılıyordu. Ancak sadece saf DNA’nın genetik özgüllüğe sahip olduğunu belirtir makalelerin ortaya çıkması ile bu durum tamamen değişmiştir. Nihayet Hershay ve Chase’nin deneyi ile genetik materyalin protein olmadığı yani DNA olduğu kesinlik kazanmıştır.

A.Hershay ve M.Chase Deneyi (1952) (Genetik materyalin Proteinmi/DNA’mı olduğunun ispatı)

Doğada Spontan Transformasyon Doğada bakteriler arasında spontan transformasyonun oluştuğu artık kabul edilmektedir. Çeşitli bakteriler ile yapılan çalışmalar bunu kanıtlamıştır. Bu olgunun yeni gen düzenlemelerinin ortaya çıkmasına neden olarak doğada Doğal Seçim (Natural Selection) yasalarının işlemesinde aracı olduğu ve türlerin doğal gelişiminde önemli rol oynadığı kabul edilebilir. Çünkü doğada sürekli olarak yeni bakteriler yeni çevre koşullarına karşı direnç geliştirmekte ve dirençli olanlar ancak yaşamını sürdürebilmektedirler.

Transformasyon için gerekli şartlar DNA Segmentleri ve Alıcı Hücreye Giriş Transformasyon; ortamdan moleküler ağırlığı büyük olan DNA parçalarını alabilen bakterilerde oluşabilmektedir. Bu bakteriler Mol. ağırlığı 4x105 Dalton'dan küçük olan DNA parçalarını içlerine alamazlar. Ör. Pnömokoklarda 5x106, H. influenzae’de 1.5x107 Dalton DNA parçasını içlerine alabilmektedirler. Bakteri transformasyonunda DNA molekülünün üst sınırı yoktur. Örneğin; 1.2x108 Dalton olan DNA parçası bir bakteri tarafından alınabilmektedir. Fakat insan DNA’sı gibi çok büyük parçalar da alıcı hücre tarafından alınamaz.

Ortamdaki DNA Miktarı ve Transformasyon Oranı Yapılan çeşitli çalışmalar sonucunda; ortamda serbest olarak bulunan DNA konsantrasyonunun yaklaşık olarak 50 μg/ml olduğu zaman transformasyonun oluştuğu görülmüştür. Bu noktadan itibaren DNA yoğunluğundaki artış transformasyon sayısını da artırmaktadır. Ancak DNA yoğunluğu, her alıcı hücre başına yaklaşık 50 DNA segmenti sınırını aşması ile transformasyon sayısında bir artış olmadığı da saptanmıştır.

Yeterlilik (Kompetans) Bakteri hücresinin DNA segmentini alabilme yeteneğine yeterlilik (kompetans) denilir. Bakteri, yaşam döngüsü içinde sadece kısıtlı bir dönem içinde bu yeteneği kazanır. Kazanılan bu yetenek hücrenin fizyolojik durumuna göre ortaya çıkmaktadır. Yani her bakteri hücresinin 30 dakika da bölündüğünü düşünürsek bu sürenin her hangi bir dakikasında bu özelliği kazanır ve kaybeder. Yani hücrenin yaşam döngüsünün çok kısa bir dönemi ile sınırlıdır. Ancak bu süre bakterinin türüne ve çevre koşullarına bağlı olarak kısa veya uzun süreli olabilir.

DNA'nın Bütünlüğü ve Hücrelere Girişi Transforme olacak DNA segmentlerinin belli büyüklükte olması gerektiği yanında, çift sarmallı orijinal hallerini korumuş olmaları zorunludur. Ancak zincir bir kez alıcı hücreye girdikten sonra transformasyonun olabilmesi için tek bir zincir yeterlidir. Yeni bakteriye giren tek zincir DNA bakterinin mezozomuna tutunarak kendi eksik zincirini tamamlar.

DNA-Konak (Alıcı Hücre) Bağlantısı ve DNA'nın Alıcı Hücreye Girişi Transformasyon öncesi DNA-hücre bağlantısı geçici durumda olabilir. Yani dışarıdan gelen DNA, alıcı hücrenin salgıladığı DNaz aktivitesine duyarlıdır ve parçalanır. Transformasyon esnasında ortama DNaz ilave edilirse 1 saniye sonra da ortama yeniden DNA parçaları konulsa dahi hiç bir transformasyon elde edilmez. Çünkü ortama konan DNaz ortamdaki bütün DNA’yı parçalar. DNA-hücre bağlantısı kalıcı durumda olabilir. Yani dışarıdan gelen DNA, alıcı hücrenin salgıladığı DNaz aktivitesine dirençlidir. Bu durumda DNA parçalanmaz ve transformasyon oluşur.