پلاسمید چیست؟ – به زبان ساده

پلاسمید یک قطعه کوچک و حلقوی از مولکول DNA است که ساختاری متفاوت از DNA کروموزومی‌ دارد که تمام مواد ژنتیکی موجود در کروموزوم‌های ارگانیسم را در بر می‌گیرد. تکثیر و همانندسازی پلاسمیدها مستقل از همانندسازی DNA کروموزومی‌ انجام می‌گیرد. پلاسمید‌ها عمدتا در باکتری‌ها یافت می‌شوند، اما در آرکی باکترها و ارگانیسم‌های چند سلولی نیز وجود دارند.

پلاسمید‌ها (Plasmid) معمولاً حداقل یک ژن دارند و بسیاری از ژن‌هایی که پلاسمید‌ها با خود حمل می‌کنند، برای ارگانیسم‌های میزبان آن‌ها مفید هستند. اگرچه آن‌ها ژن‌هایی جدا از میزبان خود دارند، اما پلاسمیدها به عنوان موجودات زنده مستقل تلقی نمی‌شوند. در شکل زیر، DNA کروموزومی‌ باکتری را به رنگ قرمز و پلاسمید‌های درون آن به رنگ آبی نشان داده شده است.

عملکرد پلاسمید‌ها

پلاسمید‌ها عملکرد‌های مختلفی دارند. آن‌ها ممکن است حاوی ژن‌هایی باشند که بقای یک ارگانیسم را تقویت می‌کند، پلاسمیدها این کار را با از بین بردن ارگانیسم‌های دشمن میزبان و یا با دفاع از سلول میزبان از طریق تولید سموم انجام می‌دهند.

بعضی از پلاسمید‌ها روند تکثیر در باکتری‌ها را تسهیل می‌کنند. از آنجا که پلاسمید‌ها بسیار کوچک (توالی کوتاه ژنتیکی دارند) هستند، آن‌ها معمولاً فقط حاوی چند ژن با یک عملکرد خاص (مقدار زیادی DNA غیرکدکننده دارند) هستند. پلاسمید‌های مختلفی می‌توانند به طور همزمان در سلول وجود داشته باشند که هر یک دارای عملکرد‌های مختلفی هستند. در ادامه در مورد عملکردهای پلاسمیدها بیشتر بحث خواهیم کرد.

طبقه‌بندی پلاسمیدها

پلاسمیدها از دو طریق در گروه‌های مختلف قرار می‌گیرند. یکی از روش‌های طبقه‌بندی پلاسمید‌ها براساس روش انتقال آن‌ها به میزبان‌های مختلف است و روش دیگر براساس نحوه عملکرد آن‌ها در سلول میزبان انجام می‌شود. در اینجا به ترتیب به هریک از این روش‌های طبقه‌بندی می‌پردازیم.

فیلم آموزش میکروبیولوژی 1 – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

پلاسمیدهای هم یوغی و پلاسمیدهای غیرهم یوغی

تکثیر و تولید مثل باکتری‌ها با استفاده از هم یوغی جنسی یا «کانجوگاسیون» (Conjugation) انجام می‌گیرد که شامل انتقال مواد ژنتیکی از یک سلول باکتری به سلول دیگر است، این انتقال مواد ژنتیکی می‌تواند یا از طریق تماس مستقیم یا توسط ایجاد یک پل بین دو سلول باکتری انجام شود. بعضی از پلاسمید‌ها حاوی ژن‌هایی به نام «ژن‌های انتقال دهنده» (Transfer Genes) هستند که ابتدای فرایند هم یوغی وارد عمل شده و این فرایند را تسهیل می‌کنند. به این نوع از پلاسمیدها، «پلاسمیدهای هم یوغی» (Conjugative Plasmids) می‌گویند.

«پلاسمید‌های غیرهم یوغی» (Non-Conjugative Plasmids) نمی‌توانند فرایند هم یوغی را شروع کنند و فقط با کمک پلاسمید‌های هم یوغی می‌توانند از طریق کانجوگاسیون جنسی بین باکتری‌های مختلف منتقل شوند.

پلاسمیدهای ناسازگاری

پلاسمیدها از نظر سازگاری با یکدیگر در دو گروه پلاسمیدهای سازگار (Compatible Plasmid) و ناسازگار (Incompatible Plasmid) قرار می‌گیرند. پلاسمیدهای مشابه هم یا هم خانواده در یک سلول میزبان به عنوان پلاسمیدهای ناسازگار طبقه‌بندی می‌شوند، زیرا فقط یک نوع از این پلاسمیدها می‌توانند در سلول میزبان باقی بمانند و سایر پلاسمید ناسازگار از سلول باکتری خارج می‌شوند.

در یک باکتری یا سلول میزبان، پلاسمید‌های مختلف فقط در صورت سازگاری با یکدیگر ممکن است در کنار هم باقی بمانند. پلاسمید‌ها اگر دارای یک نوع استراتژی تولید مثل در سلول باشند، به عنوان پلاسمیدهای ناسازگار شناخته می‌شوند. این ویژگی به پلاسمید‌ها اجازه می‌دهد تا در سلول‌های خاصی بدون تداخل با سایر پلاسمیدها باقی بمانند.

انواع اختصاصی پلاسمید‌ها

پنج نوع اصلی از پلاسمید‌ها براساس نوع عملکردشان وجود دارد که شامل موارد زیر هستند:

•  پلاسمید‌های F یا پلاسمیدهای باروری (جنسی) (Fertility Plasmid)
•  پلاسمیدهای R یا پلاسمید‌های مقاومت (Resistance Plasmid)
•  پلاسمید‌های بیماری‌زا یا تهاجمی  (Virulence Plasmids)
•  پلاسمید‌های تجزیه کننده (Degradative Plasmids)
•  پلاسمید‌های Col

در ادامه به بررسی هر یک از این پلاسمیدها می‌پردازیم.

پلاسمید‌های باروری

پلاسمید‌های باروری که به عنوان پلاسمید‌های F نیز شناخته می‌شوند، حاوی ژن‌های انتقال دهنده هستند که به این ژن‌ها، ژن‌های (tra) نیز می‌گویند. وجود ژن‌های tra در پلاسمیدها به به باکتری‌های دارای این پلاسمیدها اجازه می‌دهد تا ژن‌های پلاسمید از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل شوند. پلاسمیدهای باروری ژن‌های تولید کننده پیلی جنسی و انجام فرایند هم یوغی در باکتری‌ها را بیان می‌کنند.

این گروه از پلاسمیدها، پلاسمید‌های هم یوغی را تشکیل می‌دهند. پلاسمید‌های باروری اپی زوم‌ (Episome) هستند، اپی زوم‌‌ها پلاسمید‌هایی هستند که می‌توانند در DNA کروموزومی ‌وارد شوند. باکتری‌هایی که دارای پلاسمید F هستند، به عنوان باکتری F مثبت (⁺F) شناخته می‌شوند و باکتری‌هایی که بدون پلاسمید باروری هستند، باکتری F منفی (^-F) نامیده می‌شوند. هنگامی‌ که یک باکتری ⁺F  با یک باکتری F منفی ترکیب شود، دو باکتری ⁺F  حاصل می‌شود. در هر باکتری فقط یک پلاسمید باروری وجود دارد.

پلاسمید‌های مقاومت

پللاسمیدهای مقاومت یا پلاسمید‌های R حاوی ژن‌هایی هستند که به سلول‌های باکتریایی کمک می‌کنند تا در برابر عوامل محیطی مانند سموم یا آنتی بیوتیک‌ها از خود دفاع کنند. برخی از پلاسمید‌های مقاومت می‌توانند خود را از طریق هم یوغی به باکتری‌های دیگر انتقال دهند. هنگامی‌ که این اتفاق می‌افتد، یک باکتری می‌تواند در برابر آنتی بیوتیک‌ها مقاوم شود.

به دلیل وجود همین پلاسمیدهای مقاومت، در مطالعات اخیر مشخص شده است که باکتری عامل بیماری سوزاک (عفونت مقاربتی) به قدری نسبت به گروهی از آنتی بیوتیک‌ها به نام «کینولون» (Quinolones) که به عنوان دارو برای درمان این بیماری استفاده می‌شد، مقاوم شده است که یک گروه جدید از آنتی بیوتیک‌ها به نام «سفالوسپورین‌ها» (Cephalosporins)، به جای آن توسط سازمان بهداشت جهانی برای از بین بردن این باکتری توصیه شده است. همین باکتری حتی ممکن است طی 5 سال در برابر این آنتی بیوتیک‌های جدید نیز مقاوم شوند. استفاده بیش از حد از آنتی بیوتیک‌ها برای درمان سایر عفونت‌ها، مانند عفونت ادراری، ممکن است منجر به تکثیر سویه‌های مقاوم به دارو شود.

پلاسمید‌های تهاجمی

وقتی یک پلاسمید تهاجمی در درون یک باکتری قرار دارد، آن باکتری را به یک باکتری بیماری‌زا تبدیل می‌کند که یک عامل پاتوژن است. باکتری‌هایی که باعث بیماری می‌شوند، به راحتی می‌توانند در بدن فرد مبتلا گسترش یافته و تکثیر شوند. باکتری اشیرشیاکلای (Escherichia coli) پلاسمید‌های تهاجمی متعددی دارد. این باکتری به طور طبیعی در روده انسان و سایر حیوانات یافت می‌شود، اما گونه‌های خاصی از E. coli می‌توانند باعث اسهال و استفراغ شدید شوند. سالمونلا انتریکا (Salmonella enterica) باکتری دیگری است که حاوی پلاسمید‌های تهاجمی است.

پلاسمید‌های تجزیه کننده

پلاسمید‌های تجزیه کننده به باکتری میزبان کمک می‌کنند تا ترکیباتی را که معمولاً در طبیعت وجود ندارد، مانند «کافور» (Camphor)، «زایلن» (Xylene)، «تولوئن» (Toluene)‌ و «اسید سالیسیلیک» (Salicylic Acid) را تجزیه کند. این پلاسمید‌ها حاوی ژن‌هایی برای آنزیم‌های خاص هستند که این ترکیبات ویژه را تجزیه می‌کنند. پلاسمید‌های تجزیه کننده از جمله پلاسمیدهای هم یوغی هستند.

پلاسمید‌های Col

پلاسمید‌های Col حاوی ژن‌هایی هستند که «باکتریوسین‌ها» (Bacteriocins) را تولید می‌کنند (این ترکیبات به عنوان کولیسین نیز شناخته می‌شوند). باکتریوسین‌ها پروتئین‌هایی هستند که سایر باکتری‌ها را از بین می‌برند و در نتیجه از باکتری میزبان دفاع می‌کنند. باکتریوسین‌ها در بسیاری از انواع باکتری‌ها از جمله E. coli وجود دارند که آن‌ها را از پلاسمید (ColE1) می‌گیرند.

کاربردهای پلاسمید

انسان‌ها در بسیاری از زمینه‌های علوم زیستی و ژنتیکی از پلاسمیدها استفاده می‌کنند و نرم افزاری را برای تعیین توالی DNA پلاسمید‌ها برای استفاده در تکنیک‌های مختلف ایجاد کرده‌اند. پلاسمید‌ها در مهندسی ژنتیک برای تقویت یا تولید نسخه‌های زیادی از ژن‌های خاص استفاده می‌شوند.

فیلم آموزش مهندسی ژنتیک – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در تکنیک کلونینگ مولکولی، پلاسمید نوعی وکتور به شمار می‌آید. وکتور توالی از DNA است که می‌تواند مواد ژنتیکی خارجی را از یک سلول به سلول دیگر منتقل کند، در سلول جدید پلاسمیدها می‌توانند ژن‌ها را بیان و تکثیر کنند. پلاسمید‌ها در کلون کردن بخش‌های کوتاه DNA مفید هستند. همچنین، پلاسمید‌ها می‌توانند در مقادیر زیاد برای تکثیر پروتئین‌ها، مانند پروتئین کدکننده انسولین، مورد استفاد قرار گیرند.

پلاسمیدها کلید توسعه بیوتکنولوژی میکروبی هستند. آن‌ها به عنوان وکتور یا حامل عمل می‌کنند تا DNA خارجی را در باکتری‌ها وارد کنند. استفاده از پلاسمیدها برای تحویل DNA از دهه 1970 آغاز شد، در آن زمان برای اولین بار DNA از جانداران دیگر جدا شد و در مکان‌های خاص در DNA پلاسمید قرار گرفتند. پلاسمیدهای اصلاح شده (برای کسب ویژگی‌های جدید) سپس به باکتری‌ها وارد شدند.

علاوه بر این، پلاسمید‌ها به عنوان راهی برای انتقال ژن به سلول‌های انسانی به عنوان بخشی از روش ژن درمانی مورد بررسی قرار می‌گیرند. اگر بیمار، اختلال ارثی مربوط به جهش ژن را داشته باشد، ممکن است سلول‌ها فاقد پروتئین خاصی باشند، قرار دادن پلاسمید در DNA باعث می‌شود، سلول‌ها پروتئین مورد نظر خود را بیان کنند.