پلاسمید: مفهوم، انواع و کاربردها در زیست‌شناسی و مهندسی ژنتیک

واژه پلاسمید، اولین بار توسط زیست شناس امریکایی جوشوآ لدربرگ در سال ۱۹۵۲ بکار گرفته شد. پلاسمید یک قطعه کوچک و حلقوی و دو رشته ای از جنس DNA است که به طور مجزا از کروموزوم در سلول است، و تکثیر مستقل از DNA سلول دارد(وقتی یک باکتری تقسیم می شود ، تمام پلاسمیدهای موجود در سلول کپی می شوند به گونه ای که هر سلول دختر یک نسخه از هر پلاسمید را دریافت می کند. باکتری ها همچنین می توانند پلاسمیدها را از طریق فرآیندی به نام همگرایی به یکدیگر منتقل کنند). ظرفیت پذیرش قطعات DNA در پلاسمیدها بین ۱ تا ۱۰ کیلو جفت باز است، عمدتاً در باکتریها یافت می شوند، اما به طور طبیعی در یوکاریوت هایی مانند مخمر و گیاهان نیز وجود دارند. بسیاری از ژنهایی که پلاسمیدها حمل می کنند برای ارگانیسم های میزبان آنها مفید هستند. اگرچه ژن هایی جدا از میزبان خود دارند، اما زندگی پلاسمیدها مستقل از سلول تلقی نمی شوند. غالباً، ژنهای منتقل شده در پلاسمیدها، دارای مزایایی ژنتیکی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی برای باکتری ها هستند. پلاسمیدهای متعدد می تواند در سلول با عملکرد های مختلف وجود داشته باشند.

انواع پلاسمیدها:
روش های زیادی برای طبقه بندی پلاسمیدها وجود دارد. یکی از روش‌های طبقه بندی پلاسمیدها بر اساس انتقال آن‌ها به دیگر باکتری‌ها با استفاده از ترکیب جنسی، انتقال مواد ژنتیکی از سلول باکتری به سلول دیگر، یا از طریق تماس مستقیم یا یک پل بین دو سلول (هم یوغی).

پنج گروه اصلی پلاسمیدها بر اساس عملکرد:
1.پلاسمیدهای باروری یا F : دارای ژن‌های tra هستند. آن‌ها موجب بیان پیلی جنسی و هم یوغی در باکتری‌ها می‌شوند، نمونه بارز این گروه، پلاسمید F در E.coli است. باکتری هایی که دارای پلاسمید F هستند به عنوان F مثبت (F +) شناخته می شوند و باکتری های بدون آن F منفی (F-) هستند. هنگامی که یک باکتری F + با یک باکتری F ترکیب شود ، دو باکتری F + حاصل می شود. در هر باکتری فقط یک F-plasmid وجود دارد.
2.پلاسمیدهای مقاومت یا R: حاوی ژنهایی هستند که به سلولهای باکتریایی کمک می کنند در برابر عوامل محیطی مانند سموم، آمپی سیلین، جیوه یا آنتی بیوتیک ها از خود دفاع کنند. برخی از پلاسمیدهای مقاومت می توانند خود را از طریق هم یوغی جا به جا کنند. هنگامی که این اتفاق می افتد ، یک باکتری می تواند در برابر آنتی بیوتیک ها مقاوم شود. پلاسمیدهای مقاومت در زمینه میکروب شناسی بالینی بسیار حائز اهمیت هستند، به این دلیل که گسترش آن ها در بین جمعیت های طبیعی باکتری ها می تواند عواقب خطرناکی از جمله در درمان عفونت های باکتریایی داشته باشد. یک نمونه از این پلاسمیدها RP4 است که به طور معمول در سودوموناس یافت می شود، البته در بسیاری از باکتری های دیگر نیز یافت می شود. به تازگی ، باکتری که باعث سوزاک عفونت جنسی می شود ، به قدری نسبت به کلاس آنتی بیوتیک ها به نام کوینولون مقاوم شده است که یک کلاس جدید از آنتی بیوتیک ها به نام سفالوسپورین ها ، به جای آن از سوی سازمان بهداشت جهانی توصیه شده است. این باکتری حتی ممکن است به مدت پنج سال در برابر این آنتی بیوتیک ها مقاوم شوند. طبق گفته NPR ، استفاده بیش از حد از آنتی بیوتیک ها برای درمان سایر عفونت ها ، مانند عفونت ادراری ، ممکن است منجر به تکثیر سویه های مقاوم به دارو شود.
3.پلاسمیدهای بیماری زا: موجب تبدیل یک باکتری غیر بیماری زا به یک باکتری بیماری زا (پاتوژن) می‌شوند. باکتری هایی که باعث بیماری می شوند به راحتی در بین افراد مبتلا گسترش یافته و تکثیر می شود. باکتری Escherichia coli (E. coli) پلاسمیدهای ویروسی متعددی دارد E. coli به طور طبیعی در روده انسان و سایر حیوانات یافت می شود ، اما گونه های خاصی از E. coli می توانند باعث اسهال و استفراغ شدید شوند. سالمونلا انتریکا باکتری دیگری است که حاوی پلاسمیدهای بیمری زا است. همچنین پلاسمیدهای Ti آگروباکتریوم تومه فاشینس را می توان نان برد که بیماری گال را در گیاهان دولپه ای ایجاد می کند.
4.پلاسمیدهای تجزیه کننده: به باکتری میزبان کمک می کنند تا ترکیباتی را که معمولاً در طبیعت وجود ندارد مانند کافور، زایلن، تولوئن و اسید سالیسیلیک تجزیه کند. این پلاسمیدها حاوی ژنهایی برای آنزیم های خاص هستند که ترکیبات خاص را تجزیه می کنند.
5.پلازمیدهای Col: ژن‌های کدکننده باکتریوسین‌ها را حمل می‌کنند. باکتریوسین‌ها، پروتئین‌هایی هستند که می‌توانند سایر باکتری‌ها را از بین ببرند و در نتیجه از باکتری میزبان دفاع می کنند. باکتریوسین ها در بسیاری از انواع باکتری ها از جمله E. coli وجود دارند که آنها را از پلاسمید ColE1 می گیرند.

کاربرد پلاسمید:
دانشمندان کاربردهای زیادی برای پلاسمیدها ایجاد کرده اند و نرم افزاری را برای ضبط توالی DNA پلاسمیدها برای استفاده در تکنیک های مختلف ایجاد کرده اند. پلاسمیدها در مهندسی ژنتیک برای تقویت یا تولید نسخه های زیادی از ژن های خاص استفاده می شوند. در کلونینگ مولکولی، پلاسمید نوعی وکتور است. وکتور دنباله DNA است که می تواند مواد ژنتیکی خارجی را از یک سلول به سلول دیگر منتقل کند، جایی که می توان ژن ها را بیان و تکثیر کرد. محققان می توانند قطعات DNA یا ژن ها را در یک وکتور پلاسمید قرار دهند و یک پلاسمید به اصطلاح نوترکیب ایجاد کنند. این پلاسمید با استفاده از فرآیندی به نام تغییر شکل به درون یک باکتری وارد می شود. سپس، به دلیل اینکه باکتریها به سرعت تقسیم می شوند، می توانند به عنوان کارخانه برای کپی کردن قطعات DNA در مقادیر زیاد مورد استفاده قرار گیرند.