5.4.1. Prokaryotik mikroorganizmalar

Çeşitli mekanizmalar, prokaryotlar içinde DNA transferi için tipiktir ve kalıtımsal özelliklerin transferiyle sonuçlanabilir.

DNA transferinin bu mekanizmaları, bakterilere olumsuz seçici baskıyı sürdürmek için etkin bir araç sağlayabilen yeni genetik bilgilerin benimsenmesi ile çevresel değişikliklere tepki olarak bir avantaj sağlamaktadır. Bu tür bir olay; antimikrobiyal maddelerin tarım, sağlık, veterinerlik ve tıp alanlarına girmesi nedeniyle, antimikrobiyal direnç genlerinin mikroorganizmaların bütününe yayılmasıdır. Prokaryotik sistemler içinde yaygın bir gen transferi mekanizması, donör hücrelerinde bir plazmidin ya da kromozomda konjugatif transpozonların varlığına dayanan konjugasyondur. Hücreler arası doğrudan iletişim, bu genetik unsurlara, plazmidin ya da transpozonun (lerin) kopyasını (larını) alıcı hücrelere aktarmalarını sağlar. Bakterilerde, birçok plazmid tanımlanmıştır ve bazıları, kendi transfer imkânlarından yoksundur. Bu durumda, bu, diğer plazmidler tarafından kolaylaştırılmaktadır.

Bakteri hücreleri içinde mevcut olan plazmid sayısı, farklı olabilir ve bu özellik, farklı nişlerde yaşayan bakteriyel popülasyonlarda yaygındır. Hareketli olan bu genetik unsurlar - plazmidler ve transpozonlar- genellikle hücrelere yeni özellikler kazandırabilmektedir. Doğadaki benzersiz bir olay da (aynı zamanda deneysel koşullarda da) bakterilerden ökaryotik hücrelere (mayalar, ipliksi mantar, bitki ve hayvan hücreleri) konjugatif gen transferidir.

Bakterilerin, hücre dışı DNA'yı sitoplazmaları içine aktif alımlarını temel alan başka bir gen transfer süreci de doğal dönüşümdür. Bu durumun, büyük trofik ve taksonomik gruplarda meydana gelen sınırlı sayıdaki bakterilerin bir özelliği olduğu bulunmuştur. Bu sürecin (transferin), "kompetans" olarak adlandırılan nüfus artışının belirli bir büyüme fazında etkili bir şekilde gerçekleşebileceği tespit edilmiştir. Dönüşüm, kromozomal DNA parçaları ya da plazmidleriyle gerçekleştirilebilir. Bu süreç, yabancı DNA’ların bakteri hücrelerine girebileceği kompetans fazını karakterize eden belirli fiziksel ya da kimyasal koşullarda gerçekleşebilir. Bu tür bir dönüşüm, genellikle gen teknolojisinin gerçekleştirilmesinde kullanılmaktadır.

Gen transferinin üçüncü türü – transdüksiyon- da mikrobiyal nüfuslarda ve topluluklarda meydana gelmektedir. Buraya kadar, buna, son konakçı hücrenin DNA’sını, tesadüfi bir şekilde dolduran ve o hücreyi donör yapan ve sonrasında da alıcı bir hücreye aktaran bakteriyel virüsler aracılık etmiştir.

Yukarıda açıklanan üç mekanizmanın özgünlüğü, donör/alıcı hücrelerin genetik ilişkisine bağlıdır. Gen transferi, bu mekanizmalar kullanılarak bir türün üyeleri arasında olduğu gibi farklı cins ve türlerin üyeleri arasında da gerçekleşebilir. Bu mekanizmalar tarafından gerçekleştirilen "yatay gen transferi" geniş çaplı çalışılmakta ve bakteri türlerinin genomik yapısı için çok önemli olarak kabul edilmektedir. Bu olguya dair yapılan araştırmalar, ayrıca tüm genom sekans analizini de kapsamaktadır.

Doğal gen transferi alanındaki araştırmalar, çeşitli transfer olaylarının; toprak, rizosfer, yaprak yüzeyi, sediment, nehir epitopları, gıda maddeleri, bağırsak yolu ve memeli ağız boşluğu dâhil olmak üzere bakterilerin doğal habitatlarında meydana gelebileceğini işaret etmiştir.

Yabancı DNA'nın, alıcı hücreye verimli transferinden sonra, bu DNA, genomik entegrasyon yoluyla (örn; homolog rekombinasyon) ya da plasmid oluşumu ile (replikasyon kaynağının varlığı durumunda) genoma yerleştirilebilir. Bu işlem, farklı sebeplerle (nükleotid dizi homolojisi eksikliği ya da restriksiyon endonükleazlarının varlığı gibi) askıya alınabilir. Yeni genetik bilginin, alıcıya bir avantaj sağlaması ve doğal ekosistemdeki değişiklikler boyunca canlı kalmasını sağlaması durumunda, selektif basıncın dayanılabilir olduğu nüfus düzeyinde muhafaza edilme eğilimi gösterdiği açıktır. Bu nedenle, gen transferi, prokaryotik mikroorganizmaların doğasının tipik bir olgusu olarak kabul edilebilir. Bu, birkaç gen takımı üretiminin yanı sıra, bir gen ya da gen kombinasyonunun dolaşımının, mikrobiyal nüfusların yaşayabilmesinde iyi fırsatlar sağladığı ortamın seçici basıncındaki değişikliklere doğal bir tepkidir.

Rekombinant yapıların büyük çapta yayılmasını sağlayabilecek olan bakteriyel topluluk içindeki gen transferinin doğal karakterini göz önünde bulundurarak genetik değişiklik uygulama süreci boyunca bir kromozomal entegrasyon yaklaşımı kullanmak daha iyidir. Belirli koşullar altında seçici avantajlar sağlayabilecek olan genlerin, hedef yapıyı taşıyan yapıların içine dâhil edilmesinden de kaçınılmalıdır (örn, antibiyotik direnci belirleyicileri). İstenen bir konstraktın hazırlanması sürecinde, diğer genomların içine rastgele entegrasyonu teşvik edebilen her gen dizisinin elenme süreci uygulanmalıdır.