所有細菌都含有質粒嗎？

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簡介

在 20 世紀 40 年代，當科學家發現負責抗體抗性的非染色體 DNA 時，他們用幾個名稱來稱呼它。附加體、胞質基因、質基因和生物胚是科學家們用來稱呼它們的一些術語。

1952 年，諾貝爾獎獲得者約書亞·萊德伯格首次創造了“質粒”一詞，它是將細胞質和“id”組合而成。質粒主要存在於細菌和一些真核生物（多細胞生物）中。

什麼是質粒？

質粒是存在於細菌中、能夠在不受染色體 DNA 影響的情況下自我複製的小型環狀 DNA 片段。基因組包含數百萬甚至數十億個 DNA 鹼基對，而質粒僅包含幾千個。質粒體積小，與其他 DNA 相比相對穩定，並且易於複製。

質粒的存在使細菌能夠抵抗抗生素和其他毒物，並幫助它們在惡劣環境中生存。質粒在許多方面幫助生命科學工程師和生物技術學家。實驗室製造的質粒稱為構建體或載體。

質粒的組成部分

複製起點告訴質粒從哪裡開始複製過程。

• 抗生素抗性基因天然存在於質粒中，透過提供對抗生素的抗性，對細菌有利。在實驗室研究中，該基因幫助科學家識別含有該基因的細菌與不含該基因的其他細胞。

• 藉助可選擇標記，可以透過將外源 DNA 引入質粒序列來輕鬆地對 DNA 進行工程改造。

• 啟動子位點是 RNA 聚合酶附著到基因上並透過轉錄產生 mRNA 的位置。

• 限制性位點是質粒中用途廣泛的區域，允許根據科學家的需要對任何基因進行工程改造。

基因是如何表達的？

多克隆位點位於 DNA 中的限制性位點，以短片段的形式存在，具有靈活性，可以允許克隆過程。

限制性位點處的酶允許使用分子剪刀切割該特定區域的基因。科學家可以去除原始基因，並用他們選擇的基因替換它，並在啟動子位點的幫助下，透過轉錄表達基因序列以產生 mRNA。現在，基因序列可以被剪下以用於其他地方。

因此，在實驗室中產生的基因可以以多種方式使用。這種剪下的基因可以插入其他細菌中以研究它們的特性。以這種方式產生的基因可用於追蹤群體中特定的一組細菌。

水平基因轉移

遺傳密碼從一個生物體轉移到另一個生物體的過程稱為水平基因轉移 (HGT)。該過程自然發生，並且也決定了細菌對抗生素的毒力和抗性程度。有四種不同的方法可以將不同的 DNA 或 RNA 插入細菌細胞或真核生物細胞中，即轉化、轉導、接合和轉染。

雖然前三種類型的 DNA 引入細菌細胞的方式是透過自然界使用 HGT 進行的，但後一種（轉染）只能在實驗室中進行。

轉化

當細菌的細胞質（外部）膜受到外部條件的破壞或影響時，質粒往往會從細胞壁洩漏出來，使其在裂解的細菌外部很容易獲得。當鄰近的細菌從環境中攝取質粒時，稱為轉化。特定物質的存在或細胞生長的不同階段會自然地誘導細菌中的轉化過程。

並非所有細菌的細胞壁都具有足夠的通透性以發生轉化；因此，它們沒有足夠的潛能來攝取遊離質粒。為了使細胞壁具有足夠的通透性，科學家使用氯化鈣來幫助細菌吞噬質粒。其他方法，如施加電荷和電穿孔，用於增加細胞壁的通透性，從而提高轉化的效率。

轉導

使用病毒或病毒載體，將外源 DNA/RNA 引入細菌時，稱為轉導。

那些只能在細菌內部複製的病毒稱為噬菌體或噬菌體。此類噬菌體粘附在細菌膜上並將遺傳物質注入其中。一旦遺傳物質被注入，它就可以在細菌內部執行以下任何一個生命週期——溶源性或裂解性。

在裂解週期中，病毒基因組控制細菌的宿主系統併產生自身副本。細菌細胞裂解釋放病毒物質的副本以影響其他細菌。

在溶源性週期中，病毒基因組使用特定的整合位點附著到細菌的基因組上。現在，噬菌體必須等到裂解週期被觸發才能執行該過程。

這兩個生命週期都為細菌 DNA 在新產生的噬菌體（病毒）中無意中轉移鋪平了道路。當這種複製的 DNA 轉移到其他細胞時，稱為轉導。在受感染的細菌內部，這種轉移的 DNA 可以以質粒的形式存在（在染色體外部），或者可以作為同源或定點重組以整合形式存在於細菌宿主基因組中。

科學家使用同時具有噬菌體和質粒特性的噬菌粒來執行轉導，以將 DNA 序列引入細菌。

接合

當遺傳密碼從供體直接接觸轉移到受體細菌時，稱為接合。生育因子 (F 因子) 是供體細菌中存在的 DNA 序列。附加體是長的 DNA 序列片段，只要母系菌株保持存在，它就可以附著到細菌染色體上並與之同步複製自身。

存在於附加體中的 F 因子會形成一個稱為性菌毛的小橋狀結構，以將受體細菌拉近。一旦接觸，質粒就會轉移到受體。

轉染

與其他三個過程不同，轉染只能在實驗室中進行，並且只能在真核細胞上進行，使用物理和化學方法。透過非病毒方法，轉染是透過將外源 DNA 引入真核細胞來進行的。使用磷酸鈣和二乙氨乙基 (DEAE) 等化學物質使 DNA 分子中和或賦予正電荷，以使其能夠穿過帶負電的細胞壁。請參閱圖 1.6。電穿孔涉及使用細胞膜中的電脈衝產生瞬時孔，以讓 DNA 透過。當遺傳物質被注射到細胞膜中時，使用細針稱為顯微注射。

由於質粒的多功能性、成本效益、靈活性以及安全性，它被廣泛用於操縱基因。細菌可以更快地繁殖，並且其中的質粒可以很容易地生長、修飾並用於各種目的。

常見問題

問題 1. 什麼是水平基因轉移 (HGT)？

回答。遺傳密碼從一個生物體轉移到另一個生物體的過程稱為水平基因轉移 (HGT)。該過程自然發生，並且也決定了細菌對抗生素的毒力和抗性程度。

問題 2. 什麼是轉化？

回答。當細菌的細胞質（外部）膜受到外部條件的破壞或影響時，質粒往往會從細胞壁洩漏出來，使其在裂解的細菌外部很容易獲得。當鄰近的細菌從環境中攝取質粒時，稱為轉化。

問題 3. 什麼是轉導？

回答。使用病毒或病毒載體，將外源 DNA/RNA 引入細菌時，稱為轉導。

問題 4. 什麼是接合？

回答。當遺傳物質從供體直接接觸轉移到受體細菌時，稱為接合。

問題 5. 什麼是轉染，它可以在哪裡進行？

答：透過非病毒方法，轉染是將外源 DNA 匯入真核細胞的過程。轉染只能在實驗室進行，並且只能在真核細胞上進行。

問 6. 電穿孔和顯微注射是什麼意思？

答：DNA 分子被中和或透過使用磷酸鈣和二乙氨乙基（DEAE）-葡聚糖等化學物質賦予正電荷，使它們能夠穿過帶負電荷的細胞壁。電穿孔涉及使用電脈衝在細胞膜上產生瞬時孔隙，以讓 DNA 透過。使用細針將遺傳物質注入細胞膜，稱為顯微注射。