Metodi di trasmissione orizzontale: la trasformazione

Trasmissione orizzontale

Tutti noi conosciamo, anche senza saperlo, il processo di trasmissione genica verticale. Si tratta infatti di un fenomeno che ci riguarda da vicino e che vede come protagonisti i nostri stessi geni. Consiste nel passaggio, per via ereditaria, delle informazioni biologiche dai genitori ai figli, attraverso quindi la fecondazione dell’ovulo e poi la formazione dell’embrione.
Questo è sicuramente il modo più intuitivo che ci viene in mente quando pensiamo a come possono trasmettersi i geni da un individuo all’altro, ma non è in realtà l’unico esistente in natura.
Esiste infatti, a livello dei microrganismi, un altro tipo di trasmissione: cellule diverse, che non fanno parte della stessa linea cellulare, possono passarsi fra di loro geni in modo non ereditario. In questo modo un batterio può, ad esempio, acquisire una resistenza ad un antibiotico che prima non aveva. Questo tipo di trasmissione, chiamata orizzontale, può avvenire sia in modo diretto (attraverso il contatto diretto tra due cellule) sia in modo indiretto (Fig. 1). Oggi cominceremo con il modo indiretto, ovvero la trasformazione.

Differenza tra la trasmissione genica verticale e la trasmissione genica orizzontale. Si prende come esempio il caso di una malattia. [Crediti: http://www.quadernodiepidemiologia.it/epi/trasm/or_vert.htm]
Figura 1 – Differenza tra la trasmissione genica verticale e la trasmissione genica orizzontale. Si prende in esame la possibilità di trasmettere una malattia. [Fonte: Quaderno di epidemiologia ]

Traformazione: cenni storici e caratteristiche generali

La trasformazione è stata una scoperta fondamentale, non solo per aggiungere un altro tassello alla genetica batterica, ma anche per capire che la vera molecola detentrice dell’informazione biologica fosse il DNA. Durante la prima metà del 1900, infatti, non era ancora chiaro che i geni fossero costituiti da acidi nucleici. L’idea generale era che questo compito spettasse alle proteine, molecole assai più complesse.
Solo nel 1952 si arrivò finalmente alla conclusione che la doppia elica più conosciuta al mondo dovesse essere la molecola biologica fondamentale.
Per arrivare a questo risultato fu essenziale la scoperta della trasformazione da parte di Frederick Griffith (1879-1941).

La scoperta della trasformazione: l’esperimento di Griffith

Il medico e microbiologo stava studiando un metodo per produrre il vaccino contro la poliomielite. Per farlo si avvalse di due ceppi dello stesso batterio di Streptococcus pneumoniae: ceppo R (rough) e ceppo S (smooth). La differenza stava nella presenza di una capsula polisaccaridica presente solo nel ceppo S che, oltre a rendere le colonie lisce, gli permetteva di causare la malattia nei topi.
Il fatto curioso osservato da Griffith era che il ceppo S inattivato (ucciso), se somministrato con il ceppo R, poteva comunque portare all’insorgenza della malattia e quindi alla morte del topo.

esperimento Griffith trasformazione
Figura 2 – Nell’immagine vengono rappresentati tutti gli esperimenti operati da Griffith. [Fonte: Esercitazione scolastica scienza e cultura]

L’unica spiegazione plausibile che lo scienziato trovò fu che in qualche modo il ceppo R dovesse aver acquisito la capacità di produrre la capsula polisaccaridica. In particolare, Griffith ipotizzò che qualcosa presente nel ceppo S, che chiamò principio trasformante, dovesse penetrare nel ceppo R causandone la trasformazione.

Infine, attraverso altri esperimenti, si arrivò alla conclusione che il principio trasformante altro non era che il DNA che, capace di passare da un ceppo all’altro, determinava l’acquisizione dell’informazione per la produzione della capsula. C’era quindi stato, senza ombra di dubbio, un trasferimento genico orizzontale.

Descrizione del processo di trasformazione

Vediamo ora nel dettaglio in cosa consiste il processo di trasformazione batterica (Fig. 3).
Abbiamo detto che il materiale biologico protagonista di tale processo è il DNA e che questo deve passare da un ceppo all’altro per determinare la trasformazione del batterio.
Affinché questo avvenga è necessario che la molecola di DNA si trovi libera nell’ambiente esterno e questo è reso possibile dall’inattivazione dello Streptococcus. Dopodiché sarà la cellula competente ad assorbire il DNA dall’esterno e portarlo nel citoplasma.
La competenza però riguarda solo alcuni tipi di batteri e dipende da vari fattori, tra cui la disponibilità di DNA nell’ambiente esterno. Più una cellula è competente e maggiore sarà la probabilità di attuare la trasformazione.
Il DNA che entra nel batterio non può però rimanere integro: uno dei due filamenti va incontro ad un processo di degradazione, mentre l’altro viene integrato nel cromosoma batterico. Bisogna ricordare che, affinché sia possibile l’integrazione, c’è bisogno di un evento di ricombinazione omologa. Ciò significa che solo la regione di DNA che troverà una sequenza omologa sarà in grado di essere integrata attraverso due eventi di crossing-over.

trasformazione
Figura 3 – (a) Il batterio assorbe il DNA libero rilasciato da una cellula batterica morta attraverso un complesso sulla membrana cellulare. Gli enzimi scompongono un filamento in nucleotidi; (b) L’altro filamento può integrarsi nel cromosoma del batterio. [Crediti: R. V. Miller, “Bacterial Gene Swapping in Nature.”]

Tecniche per aumentare la competenza

La trasformazione ad oggi è un processo che viene utilizzato anche nei laboratori per operare tecniche di ingegneria genetica. A tale scopo gli studiosi hanno sviluppavo tecniche per aumentare la competenza al fine di accrescere la probabilità di far integrare il DNA.
Questo tipo di competenza si chiama competenza indotta e viene effettuata attraverso agenti chimici e fisici.
Tra gli agenti chimici abbiamo il cloruro di calcio (CaCl2), utilizzato per la presenza del catione Ca2+ che aumenta la permeabilità della membrana (Fig. 4), mentre tra gli agenti fisici troviamo l’elettroporazione.
L’elettroporazione è una tecnica che utilizza un impulso elettrico per rendere le cellule difficili da trasformare competenti. In particolare, l’apparecchio per l’elettroporazione consiste in una cuvetta dove è presente una camera centrale e due lastre di alluminio. Nella camera centrale vengono messe le cellule e il DNA mentre le due piastre di alluminio vengono collegate a due elettrodi. All’aumentare del voltaggio la corrente passa e ciò permette l’entrata del DNA.

Le interazioni sfavorevoli tra il DNA e i canali situati sulla membrana cellulare vengono neutralizzata dalla presenza di cationi monovalenti o bivalenti.
Figura 4 – Le interazioni sfavorevoli tra il DNA e i canali situati sulla membrana cellulare vengono neutralizzata dalla presenza di cationi monovalenti o bivalenti. [Fonti: Brock]

Fonti

  • F. Amaldi, Biologia molecolare, Terza edizione
  • B. A. Pierce, Genetica, Seconda edizione
  • Brock, Biologia dei microrganismi, Quattordicesima edizione
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