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Dietro il processo di trasformazione: in che modo i batteri assorbono in modo intelligente il DNA per migliorare la loro capacità di sopravvivenza?
Nello studio della microbiologia e della biologia cellulare, il termine "competenza" si riferisce alla capacità di una cellula di modificare il proprio genoma assorbendo DNA estraneo dall'ambiente, un processo noto come "trasformazione". La differenza tra le capacità naturali dei batteri e quelle indotte artificialmente è che le capacità naturali vengono prodotte in condizioni genetiche naturali, nell'ambiente naturale e in laboratorio, mentre le capacità artificiali vengono prodotte tramite processi di laboratorio che inducono le cellule a trasmettere istantaneamente il DNA. Questa capacità consente alle cellule di adattarsi rapidamente ai cambiamenti ambientali e di riparare il loro DNA, migliorando notevolmente la loro capacità di sopravvivenza.
Lo studio delle capacità naturali ebbe inizio nel 1928, quando lo scienziato Frederick Griffith scoprì che la morte di batteri patogeni poteva modificare il genotipo di batteri innocui.
Dopo la scoperta di Griffith nel 1928, Oswald Avery e altri confermarono ulteriormente nel 1944 che questo "fattore trasformante" era DNA puro, rivelando così che il DNA è il portatore delle informazioni genetiche cellulari.
Meccanismi di assorbimento del DNAIn laboratorio, gli scienziati solitamente forniscono DNA estraneo, che spesso è un frammento o un plasmide geneticamente modificato. Le cellule utilizzano meccanismi specifici per trasportare questi DNA all'interno della cellula. Una volta entrato nella cellula, il DNA può essere degradato in nucleotidi, utilizzati nella replicazione del DNA o in altre funzioni metaboliche. In alternativa, può essere ricombinato nel genoma della cellula tramite enzimi di riparazione del DNA; se questa ricombinazione modifica il genotipo della cellula, la cellula è considerata trasformata.
In molti batteri naturalmente competenti, specifici filamenti esterni si legano al DNA a doppio filamento e lo trasportano attraverso un complesso proteico multicomponente.
Regolazione della capacità
Nelle colture di laboratorio, le capacità naturali sono spesso strettamente regolamentate e sono spesso innescate da carenze nutrizionali o condizioni ambientali avverse. Tuttavia, i segnali di induzione specifici e i meccanismi regolatori variano notevolmente tra le diverse specie. Gli scienziati hanno scoperto alcuni fattori di trascrizione in grado di regolare la formazione delle capacità, come sxy (noto anche come tfoX). Nei batteri in grado di formare spore, le condizioni che inducono la formazione delle spore solitamente coincidono con quelle che inducono la competenza. Pertanto, le colture contenenti cellule sporigene contengono spesso anche cellule competenti.
Le funzioni evolutive e le conseguenze delle capacità
Le principali proposte sulle funzioni evolutive delle capacità naturali rientrano attualmente in tre categorie: vantaggi selettivi che influenzano la diversità genetica; assorbimento del DNA come fonte di nucleotidi; e vantaggi selettivi nella riparazione del DNA danneggiato tramite ricombinazione omologa.
Alcuni studi hanno suggerito che la trasformazione batterica potrebbe svolgere un ruolo simile al comportamento sessuale negli organismi superiori nell'aumento della diversità genetica, ma questa visione presenta anche alcune difficoltà teoriche.
Un'altra ipotesi è che il DNA serva da fonte di cibo, poiché le cellule che ingeriscono DNA hanno accesso ai nucleotidi che lo compongono, essenziali per la sintesi del DNA e dell'RNA.
Ipotesi di riparazione dei danni al DNANei batteri, il problema del danno al DNA è più evidente durante i periodi di stress, in particolare lo stress ossidativo in condizioni di sovraffollamento o di fame. Pertanto, alcuni batteri inducono competenza sotto questi stress, il che supporta anche l'ipotesi che la trasformazione aiuti la riparazione del DNA. Gli esperimenti hanno dimostrato che le cellule trattate con danni al DNA hanno un tasso di sopravvivenza più elevato se sottoposte a trasformazione rispetto alle cellule danneggiate che non sono state trasformate.
Trasferimento genico orizzontale
Sebbene questa capacità possa apportare benefici a lungo termine ai batteri, in alcuni casi potrebbe anche essere possibile conferire resistenza o altri vantaggi attraverso diverse combinazioni genetiche. La natura complessa del genoma dimostra chiaramente la capacità dei batteri di consentire il trasferimento genico orizzontale, che contribuisce ad aumentare la diversità genetica e quindi supporta il loro processo evolutivo.
Di fronte a un ambiente in rapido cambiamento, in che modo i batteri sfruttano abilmente questa capacità per stabilizzarsi e adattarsi al mondo esterno?
