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微生物如何運用外部DNA改變自身基因？揭開細胞變革的秘密！
微生物不僅是地球上最古老的生物之一，它們還具有令人驚嘆的能力，能夠透過一種名為轉化的過程，從周圍環境中吸收外部DNA，從而改變自身的遺傳特性。這一過程被稱為「細胞的能力」，可以分為自然能力和人工能力。自然能力是細菌在自然環境下自然而然具有的能力，而人工能力則是指通過實驗室中的特定處理使細胞能夠暫時變得可透過DNA的能力。這種能力不僅讓細菌快速適應外界環境的變化，還幫助它們進行DNA修復。
自然能力的發現，可以追溯到1928年，當時的科學家弗雷德里克·格里菲斯展示了某些已死亡的病原菌細胞能夠轉變相關的非病原細胞。
自那以後，科學家發現，這種「轉化因子」實際上是純粹的DNA，這一發現成為了DNA攜帶遺傳信息的首次有力證據。至今，自然能力已在多種細菌中獲得了深入的研究，特別是
在實驗室中，研究者通常會提供DNA，這些DNA可以是基因工程片段或質粒。在DNA進入細胞後，它可能被降解為核苷酸，這些核苷酸可以用於DNA複製和其他代謝功能。
DNA一旦進入細胞內部，可能會被其DNA修復酶重新組合進入細胞的基因組。如果這一重新組合改變了細胞的基因型，則這個細胞就被認為已經被轉化。在幾乎所有自然具備能力的細菌中，細胞外絲狀體的一部分—the type IV pili—能夠結合細胞外的雙股DNA。然後，這些DNA通過多組件蛋白複合物被跨膜轉移，這過程是由DNA一股的降解所驅動的。進入細胞內的單股DNA會被一種保守性蛋白質DprA結合，隨後它會將DNA載入RecA，這是一個通過經典DNA修復途徑介導同源重組的蛋白。
在自然能力的調控上，通常情況下，這一過程是嚴密監管的，經常是在養分短缺或不利條件下被觸發。然而，具體的誘導信號和調控機制在不同物種之間存在很大變異。
科學家們發現了一些轉錄因子能夠調控能力，例如sxy（也稱為tfoX），其表達受到5'非編碼RNA元件的調控。同時，具備產生孢子的細菌在觸發孢子的條件下，通常也會同時出現有能力轉化的細菌。因此，在包含孢子細胞的培養物或菌落中，經常也會發現有能力的細胞。大多數自然具備能力的細菌會以大致相等的效率吸收所有的DNA分子，但一些細菌家族，如Neisseriaceae和Pasteurellaceae，則傾向於優先吸收含有吸收信號序列的DNA片段。
根據一個假說，細菌的轉化可以在增加遺傳多樣性方面扮演與高等生物性別相似的角色。儘管理論上討論這一過程的隱憂依舊存在，但高成本的全局蛋白合成開關使得這樣的假說面臨挑戰。
此外，DNA作為食物的假說也引起了科學界的關注。根據這一假說，細胞透過吸收DNA來獲得核苷酸，這些核苷酸不僅對DNA和RNA合成至關重要，還能節省合成成本。實際上，某些天然具備能力的細菌還會將核酸酶分泌到周圍環境中，以獲取這些來自環境DNA的自由核苷酸。
不同物種的DNA攝取機制存在複雜的交互作用，而這些交互可能與選擇性重組或機械效率吸收有關。當然，隨著對DNA損傷的研究進一步深入，我們發現，在逆境中誘發能力的細菌在面對DNA損傷時，能夠更好地存活，這表明自然能力和轉化可能在DNA修復中發揮著重要作用。
細菌基因組的複合性提供了大量證據，表明能力引起的橫向基因轉移對於促進遺傳多樣性至關重要，這也是進化的基礎。
微生物通過外部DNA改變自身實質上揭示了細胞如何在不斷變化的環境中生存與繁衍的秘密。然而，面對這種轉化的前景，您認為微生物的這一能力會如何影響未來的科學研究和生物技術的發展?
