Методы создания компетентных клеток

План:
Определение компетентности
Химические методы
Физические методы

Определение
Компетентностью при генетической трансформации обычно называется способность бактериальных клеток адсорбировать и поглощать чужеродную ДНК.
У многих видов бактерий компетентность возникает лишь на определенном этапе роста культуры.
Например, культуры стафилококков находятся в стадии компетентности в ранней логарифмической фазе роста.
Культуры бактерий Bacillus subtilis находятся в стадии компетентности
на более поздних этапах экспоненциального роста,
гемофильные бактерии – в стационарной фазе роста.
У некоторых бактерий клетки компетентны в любой фазе роста (например, у гонококков и менингококков).
Установлено, что в компетентных культурах стрептококков, гемофильных бактерий к трансформации способна почти каждая клетка. В то же время у B. subtilis в этих же условиях ДНК могут поглощать только 10–15 % клеток популяции, у Aspergillus niger – 0,1–0,2 %, у Rhizobium japonicum – до 0,1 % клеток всей популяции.

Определение
В ряде научных лабораторий было показано, что состояние компетентности можно
передать от компетентных клеток некомпетентным посредством фильтратов суспензий бактериальных культур, следовательно существует какой-то
внеклеточный фактор, обеспечивающий состояние компетентности.
Хотя естественная трансформация описана более чем у 50 видов бактерий, факторы компетентности известны лишь у стрептококков и бацилл. Возможно, что у некоторых видов они еще просто не обнаружены;
однако можно считать установленным, что трансформация у таких хорошо изученных микроорганизмов, как гонококки и менингококки, осуществляется без факторов. Это вполне объяснимо, так как клетки гонококков и менингококков способны к трансформации в любой стадии роста культуры: компетентность является их постоянным свойством.

Определение
Компетентные клетки у различных видов бактерий отличаются от некомпетентных не только способностью к поглощению ДНК, но и другими свойствами:
• обладают сниженным уровнем метаболизма;
• более устойчивы к пенициллину, чем остальные клетки в популяции;
• сниженным темпом репликации ДНК или вообще ее отсутствием;
• меньшими размерами, чем некомпетентные;
• изменением наружных слоев, наличием обнаженных участков цитоплазматической мембраны;
• повышенной чувствительностью к осмотическому шоку, тепловой
обработке;
• сниженным поверхностным зарядом.
Однако существует много видов бактерий, у которых отсутствует естественная компетентность. Примером таких бактерий являются E. coli,
бактерии рода Erwinia и другие, но несмотря на это, они также могут
быть трансформированы.

Химические методы
Клетки Е. соli не обладают природной компетентностью. Однако ввиду важности этого организма для молекулярной генетики, были разработаны методы, позволяющие придавать им искусственную компетентность, выращивая клетки в специальных минимальных питательных средах, содержащих глюкозу в качестве источника углерода. Наибольшую известность приобрел метод индукции компетентности с помощью ионов кальция – кальциевый метод. Клетки бактерий выдерживают в присутствии ионов Са2+ (50 мМ) при 0 ºС с последующим кратковременным тепловым воздействием при 37 ºС или 42 ºС. Эффективность трансформации повышается при совместном действии ионов Са2+ с ионами Mg2+, Mn2+ или Rb+. Кроме того, эффективность трансформации повышается при увеличении времени инкубирования с
ионами Ca2+, а также при добавлении диметилсульфоксида. Ионы Mg2+ необходимы для активации специфических нуклеаз, участвующих в захвате экзогенной ДНК.

Физические методы
Широко используется также способ индукции компетентности за
счет глубокого замораживания с последующим оттаиванием клеток. При этом осуществляется трансформация как хромосомной, так и плазмидной ДНК. Такой способ трансформации получил название криотрансформации. Чтобы получить трансформанты с помощью этого метода, смесь реципиентных клеток и ДНК донора в присутствии криопротектора
(0,5 % раствора твина-80) замораживают (до –196 ºС), а затем отогревают при +42 ºС и высевают на селективные среды, позволяющие отобрать трансформанты.

Физические методы
Механизмы индукции компетентности изучены недостаточно. Показано, что высокие концентрации ионов кальция и других щелочно-земельных металлов вызывают структурную реорганизацию клеточных мембран, а также плазмолиз. В мембранах обнаруживаются полиморфные структурные изменения, образуются участки соединения и слияния
мембран. При этом усиливается мембранная проницаемость, увеличиваются размеры периплазматического пространства. В связи с этим предполагается, что ДНК поступает в цитоплазму за счет дефектов в мембранах, а также в участках их слияния.
Возможно, что аналогичные изменения возникают в клетках и под влиянием других воздействий, индуцирующих компетентность. Высказывается предположение, что в процессе замораживания-оттаивания молекулы ДНК поступают в цитоплазму путем диффузии через временные быстро репарируемые дефекты мембран.