پلاسمید:ساختار،انواع وکاربردها
پلاسمید چیست
پلاسمیدها مولکول‌های کوچک، دایره‌ای و اغلب با DNA دو رشته‌ای هستند که در باکتری‌ها و برخی ارکی باکتر ها یافت می‌شوند. آنها برای بقای سلول میزبان ضروری نیستند، اما می توانند مزایای خاصی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی یا توانایی تولید آنزیم هایی که مولکول های پیچیده را تجزیه می کنند، به دارندهانها بدهند.
پلاسمیدها دارای چندین ویژگی مهم هستند که آنها را در تحقیقات آزمایشگاهی مفید می کند. اندازه آنها نسبتاً کوچک است و معمولاً حاوی حدود 1000 تا 100000 جفت باز DNA هستند. این باعث می شود آنها به راحتی در آزمایشگاه دستکاری و مطالعه شوند. پلاسمیدها همچنین دارای عناصر ژنتیکی هستند که به آنها امکان تکثیر مستقل از DNA کروموزومی سلول میزبان را می دهد. این بدان معنی است که می توان آنها را به راحتی کپی کرد و بین سلول ها منتقل کرد.
پلاسمیدها به ابزارهای ارزشمندی برای مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی تبدیل شده‌اند و به طور گسترده در تحقیقات، پزشکی، کشاورزی و صنعت استفاده می‌شوند.
ساختار پلاسمیدها
اندازه پلاسمیدها معمولاً از چند کیلو باز تا صدها کیلو باز متغیر است. آنها از نظر ساختاری شبیه کروموزوم ها هستند، اما بسیار کوچکتر و ساده تر هستند. پلاسمیدها از چند بخش ضروری تشکیل شده‌اند: منشا همانندسازی، نشانگر قابل انتخاب و محل همانندسازی .
منشا همانندسازی دنباله‌ای از DNA است که در آن دستگاه تکثیر، سنتز DNA را آغاز می‌کند. پلاسمیدها می‌توانند مستقل از کروموزوم میزبان تکثیر شوند تا زمانی که منشأ همانندسازی عملکردی داشته باشند.
نشانگر انتخابی ژنی است که فنوتیپ قابل انتخابی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی یا بیان پروتئین فلورسنت را به سلول میزبان می دهد. این به محققان اجازه می‌دهد تا سلول‌هایی را که پلاسمید را گرفته‌اند، از جمعیتی از سلول‌هایی که پلاسمید ندارند، شناسایی و انتخاب کنند.
محل شبیه سازی ناحیه ای از DNA است که در آن می توان قطعات DNA خارجی را وارد و در پلاسمید نگهداری کرد. به طور معمول، سایت‌های شبیه‌سازی دارای یک مکان منحصربه‌فرد برای شناسایی آنزیم محدودالاثر هستند که اجازه می‌دهد قطعه DNA خارجی در یک مکان خاص وارد شود.
علاوه بر این عناصر ضروری، برخی از پلاسمیدها دارای ویژگی‌های اضافی هستند، مانند مکان‌های شبیه‌سازی متعدد، پروموترها، تقویت‌کننده‌ها، گزارش‌گران، سیستم‌های بیان القایی و نشانگرهای قابل انتخاب برای آنتی‌بیوتیک‌های مختلف.
انواع پلاسمیدها
پلاسمیدها را می توان بر اساس خواص ژنتیکی و عملکرد آنها طبقه بندی کرد. برخی از انواع رایج عبارتند از:
- پلاسمیدهای F: این پلاسمیدها ژن های لازم برای فرآیند کونژوگاسیون را کد می کنند که مکانیزمی برای انتقال پلاسمیدها از یک سلول به سلول دیگر است. پلاسمیدهای F در گسترش ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی در بین جمعیت های باکتریایی نقش دارند.
- پلاسمیدهای R: این پلاسمیدها حامل چندین ژن مقاومت آنتی بیوتیکی هستند و مسئول ظهور باکتری های مقاوم به چند دارو هستند. پلاسمیدهای R می توانند به صورت افقی از طریق کونژوگاسیون، انتقال یا تبدیل منتقل شوند.
- پلاسمیدهای Col: این پلاسمیدها باکتریوسین تولید می کنند که پروتئین های سمی هستند که باعث از بین رفتن یا مهار رشد سایر باکتری ها می شوند. پلاسمیدهای کول به عنوان آنتی بیوتیک های جایگزین برای درمان عفونت های باکتریایی استفاده می شوند.
- پلاسمیدهای Ti: این پلاسمیدها در باکتری های بیماری زا گیاهی یافت می شوند و مسئول ایجاد بیماری کیسه تاج در گیاهان هستند. پلاسمیدهای Ti را می توان برای رساندن ژن های خارجی به گیاهان مهندسی کرد که منجر به توسعه محصولات اصلاح شده ژنتیکی با ویژگی های مطلوب مانند مقاومت به آفات، تحمل به خشکی یا عملکرد بیشتر می شود.
تکثیر پلاسمیدها
پلاسمیدها بسته به نوع و اندازه آنها با مکانیسم های مختلفی تکثیر می شوند. رایج ترین مکانیسم ها عبارتند از:
- تکثیر دو طرفه: این مکانیسم توسط پلاسمیدهای کوچک مانند پلاسمید pBR322 استفاده می شود که منشأ تکثیر دارد و می تواند در هر دو جهت در دایره همانندسازی کند.
- تکثیر دایره نورد: این مکانیسم توسط پلاسمیدهای بزرگتر مانند پلاسمید pUC استفاده می شود که منشا تکثیر دارد و با حالت نیمه محافظه کار تکرار می شود و یک الگوی تک رشته ای ایجاد می کند که برای کپی کردن مکمل استفاده می شود.
- تکثیر تتا: این مکانیسم توسط پلاسمیدهای بزرگ مانند پلاسمید pBR322 استفاده می شود که منشأ تکثیر چندگانه دارد و توسط یک ساختار تتا شکل تکرار می شود و منجر به تشکیل دو دایره به هم پیوسته می شود.
کاربردهای پلاسمیدها
پلاسمیدها کاربردهای متعددی در مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی دارند. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:
- شبیه سازی: پلاسمیدها به طور گسترده ای به عنوان ناقل برای شبیه سازی قطعات DNA در باکتری ها یا مخمرها استفاده می شوند. فرآیند شبیه سازی شامل وارد کردن یک قطعه DNA خارجی در یک ناقل پلاسمید، تبدیل پلاسمید به یک سلول میزبان و انتخاب سلول هایی است که پلاسمید را گرفته اند.
- بیان ژن: پلاسمیدها را می توان برای بیان ژن های خارجی در سلول های میزبان مهندسی کرد که منجر به تولید پروتئین های نوترکیب، آنزیم ها یا متابولیت ها می شود. بیان ژن را می توان با پروموترهای مختلف یا سیستم های القایی، بسته به سطح مورد نظر بیان ژن، تنظیم کرد.
- ویرایش ژن: پلاسمیدها را می توان به عنوان ابزاری برای ویرایش ژن و مهندسی ژنوم استفاده کرد. به عنوان مثال، سیستم CRISPR/Cas از یک ناقل پلاسمید برای رساندن RNA های راهنما و پروتئین های Cas به مکان های ژنومی خاص استفاده می کند و امکان ویرایش هدفمند ژن را فراهم می کند.
- واکسن ها: پلاسمیدها را می توان به عنوان واکسن DNA استفاده کرد، که در آن یک ناقل پلاسمید حامل ژنی که یک پروتئین آنتی ژنی را کد می کند به میزبان تزریق می شود که منجر به تولید آنتی بادی علیه پاتوژن می شود.
- زیست پالایی محیطی: از پلاسمیدها می توان برای معرفی ژن هایی به باکتری ها استفاده کرد که توانایی آنها را در تخریب آلاینده های محیطی مانند نفت، آفت کش ها یا فلزات سنگین افزایش می دهد. این باکتری های مهندسی شده را می توان برای تمیز کردن مکان های آلوده یا تخریب مواد زائد استفاده کرد.
بحث و نتیجه
به طور خلاصه، پلاسمیدها مولکول‌های کوچک و دایره‌ای DNA هستند که در باکتری‌ها و برخی ارکی باکتر هایافت می‌شوند. آنها از نظر ساختاری شبیه کروموزوم ها هستند اما بسیار کوچکتر و ساده تر هستند.
پلاسمیدها می توانند مزایای خاصی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی یا توانایی تولید آنزیم ها را به سلول میزبان بدهند. پلاسمیدها به ابزارهای ارزشمندی برای مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی تبدیل شده‌اند و به طور گسترده در تحقیقات، پزشکی، کشاورزی و صنعت استفاده می‌شوند.
انواع مختلفی از پلاسمیدها با مکانیسم‌های تکثیر متفاوت وجود دارد و می‌توان از آنها برای کاربردهای مختلفی مانند شبیه‌سازی، بیان ژن، ویرایش ژن، واکسن‌ها و پاکسازی زیستی استفاده کرد.
به طور کلی، پلاسمیدها ابزار ارزشمندی در تحقیقات و مهندسی ژنتیک هستند. توانایی آنها برای تکثیر مستقل و حمل ژن‌های خاص باعث می‌شود که همه‌کاره باشند و به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. محققان به کاوش و گسترش عملکرد پلاسمیدها ادامه می دهند و پیشرفت در زمینه هایی مانند پزشکی، کشاورزی و بیوتکنولوژی را ممکن می سازند.
