Metodi di trasmissione orizzontale: la coniugazione

Introduzione

Figura 1- Differenza tra i metodi di trasmissione genica — *Figura 1 – Differenza tra i metodi di trasmissione genica [Crediti: www.quadernodiepidemiologia.it]*

In un precedente articolo abbiamo introdotto i metodi di trasmissione genica orizzontale, ovvero quei metodi che permettono il passaggio del genoma da un microrganismo all’altro per via non ereditaria. Ci siamo inoltre soffermati sulla trasformazione descrivendola come un metodo indiretto in cui non è necessario il contatto tra i batteri. Questa volta, invece, ci soffermeremo su un metodo diretto: la coniugazione.

Coniugazione: cenni storici e caratteristiche generali

Parlando di trasformazione, avevamo detto che la scoperta di una tecnica in grado di “trasformare” batteri innocui in batteri patogeni era stata un primo passo verso la determinazione del DNA come molecola detentrice dell’informazione genetica. In quest’ottica, anche la scoperta della coniugazione si aggiunge alla lunga lista di tappe necessarie per arrivare a questo risultato.

Ci troviamo dunque nel 1946 mentre due scienziati, Joshua Lederberg e Edward Lawrie Tatum, stanno conducendo una ricerca su ceppi auxotrofi di E. coli. Con ceppi auxotrofi si intende ceppi batterici che non possono crescere se coltivati in terreni di coltura normali perché bisognosi di specifici nutrienti che non sono in grado di produrre. L’esperimento di Lederberg e Tatum consisteva quindi nel mescolare tra loro ceppi auxotrofi per diversi composti e poi piastrare il tutto in un terreno minimo. Se i batteri fossero rimasti invariati, quindi incapaci di sintetizzare alcuni metaboliti, allora non si sarebbe osservata nessuna crescita. Se invece si fossero scambiati informazioni vicendevolmente allora al termine del processo entrambi i ceppi avrebbero potuto crescere in un normale terreno di coltura. Alla fine, ciò che i due scienziati osservarono, fu proprio la possibilità di avere uno scambio di informazioni che portasse entrambi i ceppi a sopravvivere. Addentriamoci però meglio nella descrizione del processo nel prossimo paragrafo.

Figura 2 – Nella figura viene mostrato in cosa consisteva l’esperimento fatto da Lederberg e Tatum. I batteri appartenenti a due ceppi di E. coli riuscivano a crescere in un terreno minimo solo se prima mescolati tra loro. — Figura 2 – Nella figura viene mostrato in cosa consisteva l’esperimento fatto da Lederberg e Tatum. I batteri appartenenti a due ceppi di E. coli riuscivano a crescere in un terreno minimo solo se prima mescolati tra loro [Crediti: https://www.accattatis.net/coniugazione.htm]

Descrizione del processo

I ceppi presi in considerazione da Lederberg e Tatum furono due: Y10 e Y24. Il primo era in grado di crescere in un terreno in assenza di biotina, fenilalanina e cisteina mentre aveva bisogno di treonina, leucina e tiamina. Il secondo si trovava invece nella situazione opposta. Aveva bisogno di biotina, fenilalanina e cisteina e poteva crescere in assenza di treonina, leucina e tiamina. Possiamo dunque scrivere i genotipi dei due ceppi in questo modo:

Y10: bio⁺ phe⁺ cys⁺ thr^– leu^– thi^–
Y24: bio^– phe^– cys^– thr⁺ leu⁺ thi⁺

L’osservazione interessante fu che, se coltivati separatamente in un terreno minimo, non si poteva osservare la formazione di colonie ma, quando i due ceppi venivano mescolati, i batteri riuscivano a crescere. I microorganismi trovati dovevano dunque aver acquisito un genotipo del tipo bio⁺ phe⁺ cys⁺ thr⁺ leu⁺ thi⁺. Poiché la probabilità di avere una serie di mutazioni multiple era molto improbabile, i due scienziati ipotizzarono che si fosse trattato di uno scambio di informazioni. Ma come capire in costa consisteva questo trasferimento?

Esperimento del tubo a “U”

Con la scoperta della trasformazione era già stato possibile osservare un passaggio di informazioni, e dunque di materiale genetico, da un batterio ad un altro. In quel caso però si trattava di un passaggio indiretto che prevedeva la presenza di DNA sparso nel mezzo di coltura. Questa volta ci si chiese se i batteri dovessero venir a contatto tra loro e per dimostrarlo si fece il classico esperimento del tubo ad “U” (Figura 3).

Figura 3 - Rappresentazione dell'apparecchiatura usata per l'esperimento. — *Figura 3 – Rappresentazione dell’apparecchiatura usata per l’esperimento [Crediti: https://www.accattatis.net/trasduzione.htm]*

Si mettono le due colture all’interno delle due braccia del tubo e si separano da un filtro che impedisce il passaggio dei batteri. Si lasciano poi i microrganismi crescere e, dopo una notte, vengono recuperati sia da una parte sia dall’altra. Dopo essere stati piastrati si osserva che di fatto non c’è nessun tipo di compensazione. Questo dimostra che, affinché avvenga la coniugazione, è necessaria la possibilità di un contatto tra i batteri.

Cellule F⁺ e F^–

Anni dopo, e grazie alla scoperta dei plasmidi, si ebbe finalmente una chiara visione dei processi molecolari alla base della coniugazione. Lo scambio di informazioni era in realtà unilaterale: alcuni batteri, che potevano appartenere sia all’uno sia all’altro ceppo, possedevano un fattore di fertilità (F) che li rendeva capaci di trasferire le informazioni genetiche agli altri batteri. In particolare, Il fattore F altro non era che un plasmide in grado di codificare per un pilo sessuale responsabile del contatto e del trasferimento genico. La cellula che possiede il pilo viene chiama F+ ed è capace di usarlo per entrare in contatto con una cellula F-. Una volta in contatto le cellule vengono avvicinate fino a rendere possibile la transizione di materiale genetico. Quest’ultima fase consiste nel trasferimento del plasmide o di parte di esso. In questo modo la cellula ricevente F- acquista un suo plasmide e diventa a sua volta F+.

Figura 4 - Nell'immagine vengono mostarti due batteri durante il processo di coniugazione. I particolare, si assiste all’aggancio del batterio donatore al batterio ricevente mediante utilizzo del pilo sessuale. — Figura 4 – Nell’immagine vengono mostrati due batteri durante il processo di coniugazione. I particolare, si assiste all’aggancio del batterio donatore al batterio ricevente mediante l’utilizzo del pilo sessuale [Crediti: https://www.accattatis.net/coniugazione.htm]

Ceppi Hfr

Figura 5 - Integrazione del plasmide F nel genoma batterico. — *Figura 5 – Integrazione del plasmide F nel genoma batterico* *[Crediti: Genetica, B. A. Pierce]*

La cosa più sorprendente del processo di coniugazione è forse la creazione di ceppi Hfr (high frequency recombination). Questi ceppi si creano quando, dopo che un batterio ha acquisito il plasmide F, un evento di ricombinazione genica porta all’integrazione del plasmide all’interno del genoma. Oltre alla produzione di un genoma più grande e con più geni, si ha un batterio che è funzionalmente equivalente a un ceppo F⁺, quindi in grado di fare coniugazione.

In teoria l’F integrato sarebbe capace di trasferire l’intero genoma ad un ricevente ma sperimentalmente questo non avviene. Per traferire tutto il genoma è necessario, infatti, un tempo molto lungo che non è compatibile con il tempo medio con cui le cellule rimangono attaccate. In ultima analisi, ciò che riesce ad entrare è una parte del plasmide F seguita da una parte del genoma.
Dall’accoppiamento di un HFr e un F- non si ha quindi la formazione di un F+ o un Hfr. Il fatto, però, che entri una parte del genoma produce degli effetti nell’F-: Il DNA entrato, essendo un DNA omologo, può anch’esso integrarsi nel genoma del ricevente.
Quindi, se ad esempio il plasmide F si trova vicino ad un gene X, questo viene trasportato e successivamente integrato. Sulla base di questo processo è possibile effettuare una mappatura dei geni prendendo in considerazione il tempo che serve affinché essi entrino e si integrino in una cellula F-.