Plasmidi – itsenäinen rengas-DNA: määritelmä, toiminta ja merkitys

Plasmidi – rengasmainen itsenäinen DNA: määritelmä, toiminta ja merkitys geneettisessä siirrossa, antibioottiresistenssissä ja biotekniikan sovelluksissa.

Plasmidi on kromosomaalisesta DNA:sta erillinen DNA-molekyyli, joka voi replikoitua (kopioitua) itsenäisesti. Plasmidit ovat yleensä kaksisäikeisiä ja useimmiten rengasmaisia, mutta löytyy myös lineaarisia muotoja.

Termi plasmidi otettiin ensimmäisen kerran käyttöön yhdysvaltalaisen molekyylibiologin Joshua Lederbergin toimesta vuonna 1952.

Plasmideja esiintyy luonnostaan erityisesti bakteereissa, mutta niitä tavataan myös eukaryoottisissa eliöissä (esim. 2-mikrometrirenkaat Saccharomyces cerevisiae -hiivassa). Plasmideja on löydetty kaikilta kolmelta suurelta elämänalueelta: alueella, arkeilla, bakteereilla ja eukaryoilla.

Plasmidien koko vaihtelee tyypillisesti muutamasta kilobaasista (kbp) jopa satoihin kilobaseihin; löydetään sekä hyvin pieniä (alle 1 kbp) että suuria plasmideja, jotka voivat olla useita satoja kbp:n mittaisia. Yksittäisen solun sisällä olevien identtisten plasmidien määrä (kopioluku) voi vaihdella yhdestä muutamiin tuhansiin kappaleisiin riippuen plasmidin tyypistä ja isännän säätelystä. Kopioluku määräytyy usein plasmidin replikaatiostarttipisteen (ori) ja isännän säätelymekanismien mukaan.

Plasmidit liittyvät usein konjugaatioon, joka on yksi horisontaalisen geeninsiirron mekanismeista. Plasmidit ovat siirrettäviä geneettisiä elementtejä eli replikoneja, jotka pystyvät itsenäisesti kopioitumaan sopivassa isännässä. Toisin kuin virukset, plasmidit eivät yleensä sisällä kapsidia tai muita rakenteita, jotka tarvittaisiin itsenäiseen tarttumiseen ja kuljetukseen, vaan ne ovat "vapaata" DNA:ta.

Rakenne ja replikaatio

Plasmidin perusrakenteeseen kuuluu replikaation aloituskohta (origin of replication, ori), kopiolukua ja jakautumista sääteleviä elementtejä sekä usein senssiivisiä säätelyalueita ja siirrettäviä geeniryhmiä kuten transposoneja ja integroidun geenin osia. Plasmidien replikaatiomekanismit voivat olla mm. theta-replikaatio (yleinen suurilla bakteeriplasmideilla) ja rolling circle -replikaatio (yleinen plasmideilla ja joillain viroideilla).

Useilla plasmideilla on myös erityisiä järjestelmiä, jotka varmistavat tasaisen jakautumisen tyttärisoluihin (partitioning-systeemit) sekä toxin–antitoxin -järjestelmiä, jotka pitävät plasmidin populaatiossa yllä (ns. "plasmidiriippuvuus" tai "addiktio"). Lisäksi plasmideilla on erilaisia yhteensopimattomuus- eli incompatibility-ryhmiä, jotka estävät samanlaisten replikaatiomekanismien omaavien plasmidien pysyvän samassa solussa pitkään.

Tyypit ja liikkuminen

Plasmideja luokitellaan niiden ominaisuuksien mukaan, esimerkiksi:

• Konjugatiiviset plasmidit sisältävät geenit, jotka mahdollistavat suoran siirron solusta soluun (esim. pilus ja siirtokoneisto).
• Mobiiliset ja mobilisoitavat plasmidit voivat siirtyä konjugaatioapua käyttäen, vaikka eivät itse koodaisi koko siirtokoneistoa.
• Operatiiviset/episomaaliset plasmidit voivat integroitua isännän kromosomiin ja poistua sieltä.

Horisontaalinen siirtyminen tapahtuu pääasiallisesti konjugaatiossa, mutta plasmidit voivat levitä myös transformaation avulla (vapaan DNA:n ottaminen soluun) ja joskus transduktiolla virusten välityksellä, jos plasmidia voidaan pakata virioniin tai välittää viruksen avulla.

Biologista merkitystä

Plasmidit vaikuttavat mikro-organismien evoluutioon ja sopeutumiseen tarjoamalla nopean tavan omaksua uusia ominaisuuksia. Plasmidit voivat kantaa geenejä, jotka tuottavat antibioottiresistenssiä, virulenssitekijöitä, toksiineja tai entsyymejä, jotka mahdollistavat esimerkiksi vaikeiden orgaanisten yhdisteiden hajoituksen tai epäorgaanisten yhdisteiden sidonnan. Tällaiset ominaisuudet voivat antaa valikoivaa etua tietyissä ympäristöissä, kuten antibioottipaineessa tai ravinnepuutostilanteissa.

Plasmidit voivat esimerkiksi:

• levittää antibioottiresistenssiä bakteeripopulaatioissa, mikä on merkittävä ongelma terveystieteissä,
• kantaa geenejä, jotka lisäävät patogeenisuutta (esim. toksiinien tuotanto),
• mahdollistaa metabolisia reittejä, jotka hyödyttävät bakteeria erityisissä ympäristöissä (bioremediaatio).

Käyttö bioteknologiassa ja tutkimuksessa

Plasmideja hyödynnetään laajasti tutkimuksessa ja teollisuudessa: ne toimivat yleisinä vektoreina geenin kloonaamiseen, ilmentämiseen ja muokkaamiseen. Tavallisia käyttötarkoituksia ovat recombinantt proteinien tuotanto, geenimuokkaus (esim. CRISPR/Cas-järjestelmän toimittaminen), diagnostiset testit sekä bioteknologiset sovellukset kuten entsyymintuotanto ja bioremediaatio.

Laboratoriokäytössä plasmidien erottaminen ja puhdistaminen on helppoa (esim. miniprep-, midiprep- ja maxiprep-menetelmät) ja sekvensointi paljastaa niiden geenisisällön ja rakenteen. Vektoriplasmideihin lisätään usein valintageenejä (antibioottiresistenssi) ja raporttigeenejä, jotka helpottavat kloonattujen fragmenttien tunnistamista.

Leviäminen, riskit ja turvallisuus

Plasmidien kyky levittää resistenssi- tai muita haitallisia geenejä tekee niistä merkityksellisiä niin kliinisessä kuin ympäristöterveyden näkökulmassakin. Antibioottiresistenssin leviäminen on yksi keskeisistä huolista, ja siksi plasmidien seuranta, biosafety-käytännöt ja vastuullinen antibioottien käyttö ovat tärkeitä toimenpiteitä.

Tutkimuksessa käytettyjä plasmideja käsitellään yleensä turvallisuusohjeiden mukaisesti, ja bioteknologiset sovellukset suunnitellaan minimoimaan riskit luonnolliselle leviäminenlle (esim. biokontainointi, inaktiiviset isäntäkannat, ei-mobilisoitavat vektorit).

Päätelmä

Plasmidit ovat pieniä, mutta vaikutuksiltaan suuria geneettisiä elementtejä, jotka nopeuttavat geenien vaihtoa ja tarjoavat mikrobeille sopeutumiskeinoja. Ne ovat myös keskeisiä työkaluja molekyylibiologiassa ja bioteknologiassa, mutta niiden luonnollinen ja ihmisen aikaansaama leviäminen edellyttää huolellista seurantaa ja vastuullista käyttöä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on plasmidi?

K: Kuka otti käyttöön termin "plasmidi"?

K: Kuinka suuria plasmidit ovat?

K: Missä plasmideja esiintyy luonnossa?

K: Miten horisontaalinen geeninsiirto liittyy plasmideihin?

K: Pidetäänkö plasmideja elävinä?

K: Mitä etuja voi olla tiettyjen geenien kuljettamisesta plasmidilla?

Hae kirjaimella