پلاسمید

تصویر یک باکتری و پلاسمید در داخل آن.
پلاسمید ، مولکول DNA کوچکی‌است که بطور مجزا از کروموزوم در یاخته وجود دارد. همانند سازی پلاسمیدها در سیتوپلاسم و بطور مستقل از ژنوفور انجام می‌گیرد. پلاسمیدها معمولا به شکل یک مولکول DNA دورشته‌ای حلقوی هستند (هرچند گونه‌های خطی پلاسمید نیز وجود دارند). هر پلاسمید دارای یک محل آغاز همانندسازی (ori) است که همانندسازی پلاسمید از آن نقطه شروع می‌شود.
پلاسمیدها در باکتری‌ها، آرکئا (آرکی باکترها)، مخمر و گیاهان بطور طبیعی دیده می‌شوند اما می‌توان آن‌ها را به شکل مصنوعی تراریختی (ترانسفورماسیون) به سلول‌های جانوری نیز وارد کرد. در طبیعت، پلاسمیدها می‌توانند موجب بهتر زنده‌ماندن ارگانیسم‌ها شوند بطور مثال آن‌ها می‌توانند حامل ژن‌های مقاومت آنتی بیوتیکی باشند. پلاسمیدها از طریق انتقال افقی ژن‌ها از یک باکتری به باکتری دیگر انتقال پیدا می‌کنند. پلاسمیدها معمولا به شکل یک مولکول DNA دورشته‌ای حلقوی هستند (هرچند گونه‌های خطی پلاسمید نیز وجود دارد).
اندازه پلاسمیدها از ۱ تا ۱۰۰۰ کیلو جفت باز متغیر است. از یک تا هزاران پلاسمید می‌تواند در یک سلول وجود داشته باشد. پلاسمیدها بیشتر اوقات از طریق کانژوگاسیون (یکی از مکانیسم‌های انتقال افقی ژن‌ها) از یک ارگانیسم به ارگانیسم دیگر منتقل می‌شوند.
واژه پلاسمید، اولین بار توسط زیست‌شناس آمریکایی جاشوآ لدربرگ در سال ۱۹۵۲ بکار گرفته شد.
وکتورها
اجزای تشکیل دهنده پلاسمید
وکتورها، پلاسمیدهایی هستند که در مهندسی ژنتیک از آن‌ها استفاده می‌شود. از پلاسمیدها در مهندسی ژنتیک برای تکثیر یا بیان ژن یا ژن‌های خاصی استفاده می‌شود. برای این کار، ژن مورد نظر را وارد پلاسمید می‌کنند. این نوع از پلاسمیدها بطور معمول دارای یک ژن مقاومت آنتی بیوتیکی (برای غربالگری) و یک جایگاه کلونینگ چندگانه یا polylinker است. جایگاه کلونینگ چندگانه، قطعه کوچکی از پلاسمید است که دارای چند جایگاه برش برای آنزیم‌های محدودالاثر مختلف است. این کار سبب می‌شود که قطعه یا ژن دلخواه به راحتی وارد پلاسمید شود. در مرحله بعد، پلاسمید از طریق ترانسفورماسیون وارد باکتری می‌شود. سپس باکتری در معرض یک آنتی بیوتیک خاص قرار می‌گیرد. باکتری‌هایی که پلاسمید مورد نظر را داشته باشند، زنده می‌مانند زیرا ژن مقاومت آنتی بیوتیکی را بر روی پلاسمید مورد نظر حمل می‌کنند اما باکتری‌هایی که پلاسمید را نداشته باشند، می‌میرند. با استفاده از این روش (غربالگری با آنتی بیوتیک) می‌توان باکتری‌های دارای پلاسمید را جدا ساخت و آن‌ها را به میزان زیاد تکثیر داد. سپس پلاسمیدها را به میزان زیاد از آن‌ها جدا ساخت.
ظرفیت پذیرش قطعات DNA در پلاسمیدها بین ۱ تا ۱۰ کیلو جفت باز است. برای کلون کردن قطعات یا ژن‌های بزرگتر بایستی از فاژ لامبدا، کاسمیدها ، کروموزوم‌های مصنوعی باکتریایی یا کروموزوم‌های مصنوعی مخمری استفاده کرد.
کاربردها
مدل‌های بیماری
دانشمندان از دیرباز با استفاده از پلاسمیدها، سلوهای بنیادی جنینی موش‌ها را تغییر می‌دادند تا بیماری‌های ژنتیکی را مدل‌سازی کنند. البته این امر با محدودیت‌هایی روبرو بود که کاربرد گسترده‌تر آن در انسان را با چالش روبرو می‌ساخت. با این حال، پیشرفت در زمینه تکنیک‌های نوترکیبی در ویروس‌های مرتبط با آدنو و نوکلئازهای انگشت روی در ایجاد مدل‌های بیماری‌های ژنتیکی انسانی بسیار موثر بوده‌اند.
ژن درمانی
موفقیت ژن درمانی بستگی به داخل‌سازی ژن دلخواه به درون کروموزوم انسان بدون ایجاد آسیب به سلول، ایجاد جهش‌های سرطان زا یا پاسخ ایمنی داشته‌است. استفاده از وکتورهای پلاسمیدی، یکی از روش‌های ژن درمانی است. استفاده از نوکلئازهای انگشت روی موجب نوترکیبی هومولوگ در جایگاه خاصی از کروموزوم می‌شود. از این طریق می‌توان ژن دلخواه را وارد سلول‌های انسانی کرد.
اپی زوم‌ها
اپی زوم‌ها معادل یوکاریوتی پلاسمیدهای باکتریایی هستند. در یوکاریوت‌ها بطور معمول اپی زوم‌ها، DNAهای حلقوی بسته‌ای هستند که داخل هسته تکثیر پیدا می‌کنند مانند آدنوویروس‌ها، هرپس ویروس‌ها و پولیوماویروس‌ها. برخی از اپی زوم‌های ویروسی در سیتوپلاسم تکثیر پیدا می‌کنند مانند پوکس ویروس‌ها. برخی از اپی زوم‌ها مانند هرپس ویروس‌ها از مکانیسم دایره غلتان برای تکثیر خود استفاده می‌کنند مانند آنچه که در مورد فاژهای باکتریایی اتفاق می‌افتد. برخی از آن‌ها از طریق مکانیسم همانندسازی دو جهته تکثیر پیدا می‌کنند (پلاسمیدهای نوع تتا). در هر دو مورد، اپی زوم‌ها بطور فیزیکی مجزا از کروموزوم میزبان هستند.
انواع
مراحل هم یوغی (کانژوگاسیون) در باکتری‌ها
تصویر میکروسکوپ الکترونی از پلاسمید
یکی از روش‌های طبقه‌بندی پلاسمیدها بر اساس انتقال آن‌ها به دیگر باکتری‌هاست. پلاسمیدهای هم یوغی دارای ژن‌های tra می‌باشند که در فرایند هم یوغی (کانژوگاسیون) نقش دارد. در هم یوغی، پلاسمید از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل می‌شود. پلاسمیدهای غیر هم یوغی توانایی آغاز هم یوغی در باکتری‌ها را ندارند اما می‌توانند با کمک پلاسمیدهای هم یوغی منتقل شوند.
انواع مختلفی از پلاسمیدها ممکن است در یک سلول وجود داشته باشد. با این حال، پلاسمیدهای مشابه یا هم خانواده اغلب اوقات ناسازگار هستند به‌طوری‌که فقط یکی از آن‌ها در سلول باقی خواهد ماند. این امر به دلیل تنظیم عملکردهای حیاتی آن‌ها اتفاق می‌افتد. پس بنابراین می‌توان پلاسمیدها را در گروه‌های ناسازگاری مختلف طبقه‌بندی کرد.
روش دیگر طبقه‌بندی پلاسمیدها بر اساس عملکرد آن هاست:
پلاسمیدهای F یا پلاسمیدهای باروری که دارای ژن‌های tra هستند. آن‌ها موجب بیان پیلی جنسی و هم یوغی در باکتری‌ها می‌شوند.
پلاسمیدهای R یا پلاسمیدهای مقاومت که ژن‌های مقاومت نسبت به آنتی بیوتیک‌ها یا ژن‌های توکسین‌ها (سموم) را حمل می‌کنند.
پلاسمیدهای Col که ژن‌های کدکننده باکتریوسین‌ها را حمل می‌کنند. باکتریوسین‌ها، پروتئین‌هایی هستند که می‌توانند سایر باکتری‌ها را از بین ببرند.
پلاسمیدهای تجزیه‌کننده که این توانایی را به باکتری می‌دهند تا ترکیبات غیرمعمول را تجزیه کنند مانند تولوئن و اسید سالیسیلیک.
پلاسمیدهای بیماریزایی که موجب تبدیل یک باکتری غیر بیماریزا به یک باکتری بیماریزا (پاتوژن) می‌شوند.
تفاوت پلاسمید با کروموزوم
پلاسمیدها، عناصری ژنتیکی هستند که ضرورتی چندانی برای سلول ندارند و تنها برخی ویژگی‌ها را به باکتری‌ها می‌دهند که به بقای آن‌ها کمک می‌کند. در صورتی‌که پلاسمیدهای سلول حذف شوند، سلول می‌تواند به زندگی خود ادامه دهد. همچنین همانند سازی پلاسمیدها ارتباطی با چرخه سلولی و تقسیم سلولی ندارد. آن‌ها می‌توانند مستقل از چرخه سلولی به تعداد نامحدود (تعداد را نیاز سلول و شرایط محیطی تعیین می‌کند) تکثیر شوند. در هر سلول ممکن است چندین پلاسمید مشابه وجود داشته باشد. با این وجود، کروموزوم‌ها بسیار برای سلول حیاتی هستند و درصورت حذف هر یک از کروموزوم‌ها، سلول خواهد مرد. تعداد دقیق کروموزوم‌ها، بسیار برای تعادل ژنتیکی سلول ضروری است. حتی اگر یکی از کروموزوم‌های همولوگ حذف شوند، این تعادل بهم خواهد خورد. همانندسازی کروموزوم‌ها دقیقا منطبق با چرخه سلولی است و در هر چرخه سلولی فقط یک بار همانندسازی می‌کنند.
پلاسمید در مخمر
دو نوع وکتور مهم پلاسمیدی در مخمرها عبارتند از YIp و YRp.
YIp، پلاسمید الحاقی مخمری است که برای زنده ماندن و تکثیر وارد کروموزوم مخمر می‌شود. YRp، پلاسمید همانندساز مخمری است که پایداری کمتری دارد و در هنگام جوانه زدن مخمر ممکن است از دست برود.
پلاسمید در گیاهان
پلاسمید Ti، پلاسمیدی از باکتری آگروباکتریوم است که در مهندسی ژنتیک برای تراریخته کردن گیاهان بکار می‌رود
پلاسمید در اثر عفونت با باکتری آگروباکتریوم وارد گیاه می‌شود. امروزه از این‌گونه پلاسمیدها، پس از انجام تغییراتی بر روی آنها، برای انجام مهندسی ژنتیک در گیاهان، استفاده می‌شود.
پلاسمید در باکتری‌ها
بیشتر باکتری‌های دارای پلاسمیدهایی می‌باشند که به آن‌ها ویژگی‌های تازه‌ای مانند مقاومت به یک آنتی‌بیوتیک خاص، مصرف نوعی قند یا اسید آمینه، تولید رنگدانه، بیماریزایی، تجزیه هیدروکربن‌ها یا مولکول‌های پیچیده شیمیایی و غیره می‌دهد.
وکتور