Metodi di trasmissione orizzontale: la trasduzione

Introduzione

Nei precedenti articoli sulla trasformazione e coniugazione batterica abbiamo esaminato due diversi metodi di trasmissione genica orizzontale, ovvero la trasmissione di geni che avviene da un microrganismo all’altro per via non ereditaria. In entrambi i casi ci siamo soffermati sui batteri e abbiamo visto come questo passaggio possa avvenire sia in modo diretto che in modo indiretto. Questa volta esamineremo un caso ancora più particolare che non solo prevede un passaggio indiretto del genoma ma che si serve anche dei batteriofagi o fagi. Stiamo parlando della trasduzione.

Cenni storici e caratteristiche generali

La scoperta della trasduzione batterica è stata l’ultimo tassello necessario per affermare la molecola di DNA come molecola detentrice dell’informazione genica. Sebbene infatti altri studi avessero messo in evidenza questa ipotesi, l’opinione comune continuava a vertere sul fatto che fossero le proteine a contenere le istruzioni necessarie per la vita.
Nel 1952, a seguito della scoperta del processo di trasduzione, gli scienziati appartenenti al gruppo del fago poterono mettere a punto un esperimento incontrovertibile che metteva fine a questa disputa: l’esperimento del frullatore.

Esperimento del frullatore

Chiamato scherzosamente in questo modo, l’esperimento del frullatore si basava proprio sul processo di trasduzione e si avvaleva dell’utilizzo di un frullatore, oltre che di cellule batteriche e di virus. A idearlo furono due dei membri del gruppo, Marta Chase (1927-2003) e Alfred Hershey (1908-1997), entrambi studiosi dei fagi, ossia i virus capaci di infettare i batteri. Il test consisteva nel marcare con isotopi radioattivi il DNA e le proteine virali. Successivamente i batteri venivano fatti infettare dai virus e messi in un convenzionale frullatore al fine di far staccare il capside dalla superficie del batterio. Si osservava dunque che solo con l’utilizzo dei campioni contenenti DNA marcato si potevano rilevare gli isotopi radioattivi all’interno del batterio. Le proteine dovevano quindi restare all’esterno durante l’intero processo di infezione e non potevano quindi essere in nessun modo il materiale genetico.

Esperimento del frullatore. A sinistra i campioni sono marcati con fosforo radioattivo al fine di identificare le proteine, a destra con zolfo radioattivo al fine di identificare il DNA. In conclusione, solo il DNA riesce ad entrare all’interno delle cellule.
Figura 1 – Esperimento del frullatore. A sinistra i campioni sono marcati con fosforo radioattivo al fine di identificare le proteine, a destra con zolfo radioattivo al fine di identificare il DNA. In conclusione, solo il DNA riesce ad entrare all’interno delle cellule. [Crediti: https://biolearnspot.blogspot.com/]

La trasduzione

Arriviamo dunque a capire come avviene il meccanismo che ha permesso di scoprire la reale funzione del DNA. Al fine di comprendere meglio il processo, la trasduzione si può convenzionalmente dividere in trasduzione generalizzata e trasduzione specializzata. Nonostante questi due processi si avvalgono ugualmente dei fagi vengono differenziati in base ai geni che possono essere trasferiti: in un caso possono essere passati tutti i geni, nell’altro solo alcuni.

Nella figura viene schematizzata la classica struttura di un batteriofago. A destra è possibile distinguere la parte proteina dagli acidi nucleici, a sinistra possono essere visualizzate le varie componenti di un fago
Figura 2 – Nella figura viene schematizzata la classica struttura di un batteriofago. A destra è possibile distinguere la parte proteina dagli acidi nucleici, a sinistra possono essere visualizzate le varie componenti di un fago. [Crediti: https://it.sawakinome.com/articles/science/difference-between-retrovirus-and-bacteriophage.html]

Trasduzione generalizzata

È il primo tipo di trasduzione ad essere stata scoperta e si basa sulla possibilità dei virus di attuare un ciclo litico. Nel ciclo litico il genoma internalizzato sfrutta i meccanismi molecolari della cellula stessa al fine di replicarsi e produrre le proteine necessarie per formare i virioni. Le molte copie formate provocano dunque la lisi della cellula e vanno ad infettare altri batteri iniettando il proprio genoma. Ma in che modo trasferiscono anche il DNA batterico? In realtà i batteriofagi non si limitano a produrre materiale utile al loro assemblaggio, ma possono anche degradare il genoma dell’ospite. Accade quindi che per errore pezzi del genoma batterico finiscono all’interno del capside di un virus che si sta formando portando alla formazione di un cosiddetto fago trasducente. Questo fago sarà l’unico in grado di rilasciare in una cellula ospite i nuovi geni che potranno essere, successivamente, integrarti nel genoma batterico.

La figura mostra gli steps necessari per un processo di trasduzione generalizzata.
Figura 3 – La figura mostra gli steps necessari per un processo di trasduzione generalizzata. [Crediti: https://bioforfun.jimdofree.com/]

Trasduzione specializzata

A differenza della trasduzione generalizzata i batteriofagi coinvolti in questo processo effettuano quello che viene chiamato ciclo lisogeno e prendono il nome di “fagi temperati”.
Un ciclo lisogeno prevede che sia il DNA virale ad integrarsi nel DNA batterico formando un profago. A questo punto il genoma virale può rimanere quiescente oppure, in particolari situazioni di stress, escidersi e dare luogo ad un ciclo litico. Nel processo di trasduzione questa escissione è imprecisa: non vengono prelevati solo i geni virali ma anche quelli batterici adiacenti al sito di integrazione. Il ciclo litico porta quindi alla formazione di fagi trasducenti che contengono anche DNA batterico e che sono pronti ad infettare i prossimi ospiti.
Si capisce quindi che, mentre nella trasduzione generalizzata qualsiasi pezzo del genoma poteva essere trasportato, in questo caso solo delle sequenze specifiche, quelle adiacenti al genoma virale, vengono prelevate.

Fonti

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