Kataboolne plasmiid

Kataboolne plasmiid on kromosoomiväline geneetiline element, mis võimaldab bakteril lagundada erinevaid ühendeid, kasutades neid süsiniku-, lämmastiku- või energiaallikatena. Plasmiidid on kuni mõnesaja tuhande aluspaari suurused ning nende omadusteks on võime iseseisvalt replitseeruda ja üle kanduda ühest rakust teise. Plasmiidid on ühed peamised horisontaalse geeniülekande vahendajad.

Üldjuhul on kataboolsete plasmiidide geneetiline materjal rõngakujuline, kuid esineb ka mõningaid lineaarseid vorme. Need on iseloomulikud grampositiivsetele bakteritele, eriti Rhodococcus'e liigile.

Plasmiidid annavad bakterile eeliseid kindlates keskkonnatingimustes hakkama saamiseks ja võimaldavad bakteril erinevate elutingimustega kohaneda. Kui plasmiidist bakterile kasu ei ole, on otstarbekam see eemaldada, kuna plasmiidi ülalpidamine on bakterile koormav. Kataboolsetel plasmiididel on rakus madal koopiaarv, piirdudes kõigest mõne koopiaga raku kohta. Koopiaarvu määrajaks on üldpõhimõte, et mida suurem plasmiid, seda vähem on rakus plasmiidi koopiaid. Koopiaarvu kontroll käib bakterirakus plasmiidi replikatsiooni initsiatsiooni kaudu.

Kataboolseid plasmiide leidub näiteks Pseudomonas'e, Aerobakter'i, Klebsiella, Erwinia ja Rhodococcus'e perekondades. Seega esineb kataboolseid plasmiide nii gramnegatiivsete kui ka grampositiivsete bakterite hulgas.

Kõik plasmiidid on paigutatud mittesobivusgruppidesse ehk Inc-gruppidesse. Samas sobivusgrupis olevad eritüübilised plasmiidid ühes bakterirakus stabiilselt koos eksisteerida ei suuda – nad on teineteisega vastuolus.

Ajalugu

1960. aastatel avastasid Stanier, Palleroni ja Doudoroff esimest korda, et bakterid on suutelised lagundama. Teadlased näitasid, et sellise võimekusega on bakterite perekonna Pseudomonas esindajad. 1970, aastatel jõuti edasiarenduseni ja Chakrabarty rääkis esimest korda kataboolsetest plasmiididest. Esimesteks plasmiidideks olid SAL, OCT ja CAM, mis on saanud nimetuse aine järgi, mida lagundatakse (vastavalt salitsülaat, oktaan ja kamper). Kõik eelnevalt nimetatud plasmiidid leiti Pseudomonas’e perekonnast. Tänu molekulaargeneetilise analüüsi edule on tänaseks uurimise all väga suur hulk saprofüütilisi ehk laguproduktidest toituvaid pinnase baktereid.

Replikatsioon

Kataboolsete plasmiidide üks omadustest on võime replitseeruda iseseisvalt, sõltumata kromosomaalsest DNAst. See on plasmiidi ellujäämiseks bakterirakus vajalik. Plasmiididel on kolm replikatsioonimehhanismi: replikatsioon teetamudeli järgi, ahelate teisaldamise kaudu ja veereva ratta mehhanismiga.

Teetamudel

Kahesuunaline DNA replikatsioon teetamudeli järgi. Replikatsioonil teetamudeli järgi toimub esimeses etapis DNA ahelate lahtisulamine ja seejärel praimerite süntees. Praimerite pikendamise teel saadakse DNA lõigud, mis hiljem omavahel ühendatakse. Replikatsiooni tulemuseks on kaks kaheahelalist rõngas-DNA molekuli

Replikatsioon teetamudeli järgi on kõigist kolmest enim kirjeldatud. Replikatsiooni puhul on kõige tähtsam selle algus ehk ori. DNA süntees saab alata ühelt või ka mitmelt lähtekohalt. Ori sisaldab cis-toimivaid elemente, mis on vajalikud plasmiidi iseseisvaks replikatsiooniks ja sealt saab alguse kogu protsess. Lisaks cis-toimivatele elementidele on replikatsiooni alguseks tarvilik Rep valgu olemasolu. Rep valk on replikatsiooni initsiaatorvalk, mis seostub ori põhilise elemendi, iteroniga. Iteronid on vajalikud replikatsiooni protsessi alustamiseks ja kontrolliks. Lisaks Rep valgule on replikatsiooni toimimiseks vaja kromosomaalselt kodeeritud valku DnaA. DnaA seostub spetsiifiliselt ori piirkonnas asuva DnaA boksiga, mille tulemusel algab DNA kaksikahela lahtisulamine AT-rikkas alas. Pärast DNA ahelate lahtisulamist algab praimer RNA süntees ja DNA süntees läbi praimeri pikendamise. DNA süntees on ühel ahelal pidev, niinimetatud juhtiv ahel, ning teisel katkendlik, niinimetatud lohisev ahel. DNA süntees võib toimuda nii ühe- kui ka kahesuunaliselt.

Ahela teisaldamise mehhanism

Võrreldes teeta-mudeliga ei vaja ahela teisaldamise mehhanism replikatsiooniks DnaA-d, selle funktsiooni täidavad plasmiidi kodeeritud replikatsioonivalgud RepA (helikaas), RepB (primaas) ja RepC (initsiaator). Tänu eespool nimetatud valkudele ei sõltu antud replikatsioonimudel peremeesrakust ja plasmiid omab seetõttu laia peremeesorganismide ringi. DNA ahelate lahtisulamine toimub nagu ka eelneva mudeli puhul AT-rikkas alas ja selle eest vastutab RepA. Replikatsioon toimub kahesuunaliselt ja mõlemal ahelal pidevalt, tõrjudes välja komplementaarse ahela.

Veereva ratta mudel

Replikatsioon toimub veereva ratta mudeli järgi ühesuunaliselt, kus juhtiva ja mahajääva ahela süntees toimub teineteisest sõltumatult. Replikatsioon algab Rep valgu seostumisega DNA ahelale ja teeb sinna väikese katke. Selle käigus tekib DNA ahelas vaba 3’OH ots, mida kasutatakse praimerina juhtiva ahela sünteesiks. DNA ahela 3’OH otsast pikendamisega ehk uue ahela sünteesiga kaasneb vana pluss ahela eemaldamine, kuid kaks ahelat jäävad omavahel kovalentselt seotuks. Juhtiva ahela sünteesi lõppsaaduseks on kaheahelaline plasmiidne DNA ja üksikahelaline DNA molekul, millele hiljem sünteesitakse komplementaarne ahel.

Stabiilsus

• Plasmiidide püsivus mitme generatsiooni vältel on kindlalt tagatud eri mehhanismide poolt:
  • aktiivne jaotumine jaotab plasmiidi koopiad jaguneva bakteri tütarrakkudesse;
  • multimeeride lahutamise mehhanism (ingl multimer resolution) võimaldab plasmiide teineteisest eraldada;
  • postsegregatsiooniline tapmine (ingl postsegregational killing) põhjustab surma tütarrakul, mis endale plasmiidi ei saanud.

Konjugatsioon

Kataboolsete plasmiidide suurus on seotud nende võimega ise ühest rakust teise üle kanduda. See protsess toimub konjugatsiooni abil – saavutatakse rakk-rakk kontakt ning plasmiid saab ühest bakterirakust teise liikuda. Konjugatsioon saab toimuda tra geenide olemasolul. Geeni avaldudes hakkab bakterirakk tootma õhukesi, juuksetaolisi sugukiudusid (ingl Sex pili). Selle abil kinnitutakse retsipiendi ehk vastuvõtja raku külge ja kantakse sinna plasmiidi koopia. Konjugatsioon ei ole bakteri eksisteerimiseks hädavajalik, vaid valikuline tegevus. Konjugatsiooni abil on plasmiidid suutelised üle kanduma eri bakteriliikidesse ja omavad seeläbi laia peremeesringi. Eri bakterite kataboolsete geenide kombineerimise tulemusel on võimalik saavutada täiesti uus kataboolne aktiivsus. Näiteks kui võtta TOL-plasmiid ja viia see bakterisse, mis on võimeline lagundama 3-klorobensoaati, on tulemuseks rakk, mis suudab lagundada nii toluaati kui ka 3-klorobensoaati.

Transposoonid

Plasmiidil asub hulk geene ja mõnel juhul võivad geenide kobarad esineda transponeeruvate elementide sees. Sel juhul liiguvad geenid koos transponeeruvate elementidega plasmiidi ja kromosoomi vahel. Mitmed uued kataboolsed rajad ja ümberkorraldused DNA järjestuses on tekkinud tänu transponeeruvatele elementidele. Geenide ümberkorraldused, transponeeruvad elemendid ja suure peremeesringiga plasmiidid kujutavad endast võimsat evolutsioonilist masinavärki, mille abil tekivad bakterid, kes on võimelised kiiresti lagundama ja ringlusse suunama mutageenseid, kartsinogeenseid ja/või teratogeenseid kemikaale, näiteks trikloroetüleen ja dioksiin.

Kasulikkus

Kataboolsed plasmiidid võimaldavad peremeesorganismil kasutada mitmeid looduslikke ja sünteetilisi ühendeid süsiniku-, lämmastiku- ja energiaallikana. Selle eest vastutab suur hulk kataboolse plasmiidi geene, mängides olulist rolli Maa süsinikuringes . Tänu võimele lagundada toksilisi ja sünteetilisi ühendeid võitlevad kataboolsed plasmiidid keskkonna saastatuse vastu. Nii ongi kataboolsete plasmiidide üheks kasutusalaks biotervendamine, kus toimub mürkide, raskestilagunevate ja plahvatusohtlike ainete lagundamine. Et lagundamise lõppsaaduseks oleks võimalikult kahjutu ühend, on vajalik paljude bakteriliikide koostöö. Suurendamaks kataboolsete plasmiidide kasulikkust on inimesed õppinud muutma kataboolsete operonide ehk geenide rühma struktuuri. Võrdlemisi lihtsaks on tänapäeval muutunud lagundavate geenide või operonide viimine teise bakteriliiki ning geenide ümberkorraldamine, lisamine ja eemaldamine. Sel viisil on võimalik saada täiesti uus lagundamisrada või täiesti uus kataboolne geen. Pinnase biotervendamisele aitavad kaasa ka erinevad organismid. Näiteks aitavad vihmaussid plasmiidil pJP4 levida ka pinnase alumistesse kihtidesse.

Kataboolse plasmiidi geene on kloneeritud ka taimedesse, tekitades näiteks resistentsuse ehk vastupidavuse mingi kindla mürgi vastu. Geen, kodeerides valku, mis vähendab mürgi mõju taimele, alandab taime kahjustuste hulka. Tulevikus loodetakse kataboolsetest geenidest veelgi kasu saada. Nii on võimalik panna bakterit tootma biolagunevat plasti, biokütust, tööstusaineid ja bioloogilisi ravimeid.