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自然與人工的較量：細菌如何在實驗室中獲得基因能力？
在微生物學、遺傳學和細胞生物學中，能力（competence）是細胞通過轉化（transformation）從其環境中攝取外源DNA來改變其遺傳特徵的能力。這一現象可分為自然能力和人工能力。自然能力是一種基因指定的能力，能在自然條件和實驗室中發生。而人工能力則是當培養中的細胞經過處理後，短暫地對DNA產生可通透性。
這種能力使得細胞能夠快速適應環境和修復DNA。
歷史背景
自然能力的最早發現可追溯到1928年，當時弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）發現已殺死的病原菌細胞的準備中含有某種能將相關的非致病細胞轉變為致病型的物質。1944年，奧斯瓦爾德·艾弗里（Oswald Avery）及其同事證明了這種「轉化因子」就是純DNA，這為DNA攜帶細胞遺傳信息提供了首個強有力的證據。
隨著研究的深入，自然能力已被應用於多種細菌，特別是枯草桿菌（Bacillus subtilis）、肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）、淋病奈瑟氏菌（Neisseria gonorrhoeae）等。當前的研究重點包括DNA運輸機制、不同細菌中能力的調控以及能力的進化功能。
DNA攝取機制
在實驗室中，DNA通常由研究者提供，往往是經過基因工程處理的片段或質粒。在攝取過程中，DNA會通過細胞膜（如果存在細胞壁，則需穿過細胞壁）進入細胞。一旦DNA進入細胞，可能會被降解成核苷酸，再用於DNA複製和其他代謝功能。或者，它也可能被重組進入細胞的基因組，這一過程通常由DNA修復酶來完成。如果這一重組改變了細胞的基因型，那麼該細胞就被稱為經過轉化的細胞。
在幾乎所有自然具能力的細菌中，外源雙鏈DNA會與稱為IV型菌毛的細胞外絲綁定。
能力的調節
在實驗室培養中，自然能力通常被嚴格調控，經常是在營養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中變化很大。研究者發現了一些轉錄因子調節能力，其中一個例子是sxy（又名tfoX），它本身又受到5'非編碼RNA元件的調控。
許多自然具能力的細菌被認為以相似的效率攝取所有DNA分子。然而，一些細菌家族如奈瑟氏菌和巴氏菌，在攝取包含吸收信號序列的DNA片段時更具偏好性，這些短序列在它們自己的基因組中出現頻繁。
競爭的進化功能
自然能力在自然細菌轉化中的主要進化功能的提議主要可分為三個類別：基因多樣性的選擇優勢、DNA攝取作為核苷酸來源的角色，以及促進同源重組修復受損DNA的選擇優勢。或許對於不同的生物體，以上多個提議都是正確的。
根據一項假說，細菌轉化或許在提高基因多樣性方面，與高等生物中的性行為扮演著相同的角色。
DNA作為食物的假說
關於DNA作為食物的假說依靠的是細胞攝取DNA後不可避免地獲得DNA由核苷酸組成的事實，因為核苷酸是DNA和RNA合成所需的，並且合成成本昂貴。某些自然具能力的細菌還會將核酸酶分泌到其周圍環境中，而所有細菌均可攝取這些核酸酶生成的自由核苷酸。
DNA損傷修復的假說
在細菌中，DNA損傷的問題在壓力，尤其是氧化壓力造成的情況下最為突出。部分細菌會在此類壓力下誘導出能力，這支持了轉化幫助DNA修復的假說。實驗結果表明，接受DNA損傷後，進行轉化的細胞存活率較高。
水平基因轉移
有時，水平基因轉移提供的潛在長期優勢，可能會導致抗藥性或其他優勢的出現。無論是選擇如何，細菌基因組的合成性質為能力造成的水平基因轉移提供了充分的證據，以此促進演化所需的基因多樣性。
隨著對細菌能力的深入研究，我們不禁要問：在未來的微生物學研究中，人工干預在細菌基因能力獲取中將扮演怎樣的角色呢?
