Av /Shutterstock.

Artikkelstart

Plasmider er små ringformede DNA-molekyler som finnes hos bakterier i tillegg til det vanlige arvematerialet bakteriene har. Plasmider inneholder få gener og er som regel ikke nødvendig for overlevelse. Plasmidene inneholder gener for egenskaper som kan være nyttige for bakterier i visse miljøer, for eksempel motstand mot antibiotika (antibiotikaresistens) og evnen til å overføre arvestoff mellom bakterier. Antallet plasmider i en celle kan variere og ikke alle bakterier har plasmider. De formerer seg inne i bakteriecellen uavhengig av bakteriens kopiering av resten av arvematerialet. Noen gjær og arkebakterier har også plasmider.

Faktaboks

Uttale
plasmˈid
Etymologi
av plasma

Plasmider brukes mye i forskning til å klone, overføre og endre gener, og da kalles de vektorer. Bioteknologi og legemiddelindustrien bruker slike plasmidvektorer til å produsere proteiner som hormonet insulin eller til å spleise gener mellom organismer.

Arvematerialet hos bakterier

Arvematerialet hos bakterier er vanligvis organisert i ett ringformet kromosom. Kromosomet inneholder de genene som bakteriene må ha for å vokse og formere seg, såkalte «husholdningsgener». I tillegg til kromosomet inneholder mange bakterier, arkebakterier og noen gjør, små ringformete DNA-molekyler som kalles plasmider.

Plasmidene inneholder gener som ikke er livsnødvendige for bakteriene, men som under visse forhold kan spille en rolle for at bakterien overlever, for eksempel gener for:

Det er kjent tusenvis av ulike plasmider, og bare fra E. coli – en bakterie som er vanlig i tarmen hos mennesker – er det isolert 300 ulike. De fleste er sirkulære, men noen lineære er også kjent, og størrelsen varierer fra 1000 basepar til en million basepar. Noen bakterier kan ha flere ulike plasmider i cellen samtidig.

Plasmidenes egenskaper og formering

Plasmidene har et startpunkt som setter i gang kopieringen av plasmidet og formerer seg derfor uavhengig av bakteriekromosomet, men de benytter seg av de samme enzymene som brukes for å kopiere kromosomet. I en enkelt bakterie kan det være fra noen få til hundrevis av kopier av et og samme plasmid. Antallet avhenger av typen plasmid og betegnes som enten høy-kopi eller lav-kopi plasmider. Plasmidene er ikke festet til noen fast struktur i cellene slik at når bakterien deler seg, fordeles de tilfeldig på de to dattercellene. Derfor kan en bakterie nå og da miste plasmidene sine.

Plasmidene overføres fra en celle til en annen ved ulike mekanismer for horisontal genoverføring, som er overføring av gener mellom celler uavhengig av formering (reproduksjon). Noen plasmider blir tatt opp direkte fra omgivelsene ved transformasjon, mens andre overføres ved konjugasjon mellom bakterier som har direkte kontakt med hverandre.

Plasmider kan gi bakteriene fordeler

Resistensbestemmelse gjøres for å undersøke hvilke antibiotika som effektivt bekjemper en gitt bakterie. Bakterien dyrkes i en petriskål hvor det legges brikker med ulike typer antibiotika.
Jo større sonen rundt brikken er, jo mer følsom er bakterien for det gjeldende antibiotikumet. Bakterier kan erverve resistens mot antibiotika blant annet ved å ta opp plasmider som koder for resistens fra omgivelsene eller andre bakterier.
.

R-plasmider (R=resistance som er engelsk og betyr motstand) inneholder gener som gjør bakteriene resistente mot antibiotika. Antibiotika er naturlige stoffer som blir produsert av noen mikroorganismer, og som dreper andre mikroorganismer. I dag er det vanlig å inkludere også syntetiske forbindelser som sulfonamider under denne betegnelsen. Penicillin, kloramfenikol og tetrasyklin er eksempler på antibiotika som produseres av sopp, mens streptomycin produseres av bakterier.

Genene på plasmidene koder for proteiner (blant annet enzymer) som inaktiverer antibiotika på ulike måter. For eksempel finnes et gen som koder for enzymet penicillinase som bryter ned penicillin i bakterien. Andre enzymer kan for eksempel forårsake endringer hos bakteriene slik at de ikke lenger tar opp antibiotika fra omgivelsene.

Flere ulike resistensgener kan også være lokalisert på ett og samme plasmid. Et kjent plasmid, R100, har for eksempel resistensgener mot sulfonamider, streptomycin, spektinomycin, kloramfenikol, tetrasyklin samt resistens mot giftig kvikksølv.

Plasmider kan gjøre at bakteriene forårsaker sykdom

Noen bakterier forårsaker sykdom fordi de inneholder plasmider med gener som koder for giftstoffer (toksiner). Evnen til å feste seg på overflaten av vertscellens vev og celler og produsere enzymer og andre skadelige molekyler, er ofte kodet av gener som ligger på plasmider.

Andre bakterier produserer bacterociner, som er forbindelser som dreper deres nære slektninger. Genene som koder for bacterociner ligger på plasmider.

Eksempel: plantesykdommer

En plantesvulst (galle) på en gullbusk (Forsythia). Denne svulsten forårsakes av bakterien Agrobacterium tumefaciens.
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Jordbakterien Agrobacterium tumefaciens kan forårsake store svulster (gallesyke) på planter dersom den inneholder et plasmid, Ti-plasmidet. Dette plasmidet er relativt stort (mer enn 1 millioner basepar) og inneholder mange gener. Når bakterien har kommet inn i planten ved hjelp av gener på plasmidet, blir et stykke av plasmidet, T-DNA, klippet ut og satt inn i et av plantekromosomene. T-DNA inneholder gener som stimulerer produksjon av plantehormoner som i sin tur forårsaker dannelse av svulster på planten. Andre deler av T-DNA inneholder gener for aminosyreliknende forbindelser (opiner) som planten produserer og som gir næring til bakterien. En plante som inneholder fremmed DNA på denne måten kalles for en transgen plante.

Den grampositive, sporedannende bakterien Bacillus thuringiensis produserer et protein, Bt-toksin, som dreper insektslarver. Produksjon og bruk av toksinet (giftstoffet) i forbindelse med landbruk er stor industri på verdensbasis. Genet for dette proteinet, cry-genet, ligger på et plasmid i bakterien.

Plasmider kan påvirke leveviset til noen bakterier

Plasmider bærer gener som kan gi bakteriene egenskaper som er viktige for bakteriens levevis. Et eksempel er arter av slekten Rhizobium som fikserer molekylært nitrogen (N2) bare når den lever inne i knoller på røttene hos belgplanter. Noen av de genene som er nødvendige for knolldannelse ligger på et plasmid i Rhizobium. Når Rhizobium lever fritt i jorda, bruker den bundet nitrogen i form av NH4+ som nitrogenkilde.

Evnen som noen bakterier har til å bryte ned hydrokarboner eller giftstoffer i omgivelsene er ofte kodet av gener som ligger på plasmider.

F-plasmidet gir bakterier «kjønn»

Av .
Lisens: CC BY SA 4.0

I 1946 oppdaget de to genetikerne J. Lederberg og E. L. Tatum at celler fra ulike stammer av bakterien Escherichia coli var i stand til å ha direkte kontakt med hverandre og utveksle gener. Den ene cellen var giver og ble kalt F+, mens mottakeren ble kalt F- (F=fertilitet). Bakteriene hadde altså kjønn. Fenomenet ble kalt konjugering, og Lederberg og Tatum ble tildelt Nobelprisen i medisin eller fysiologi.

Senere ble det oppdaget at F+ cellene inneholder et plasmid, F plasmid, som inneholder de genene som koder for såkalte F pili (sex pili) som er nødvendige for at konjugering kan finne sted. F pili er tråder av proteinet pilin og stikker ut på overflaten av F+ cellene og sørger for kontakt med F-.

Under konjugering blir F plasmidet overført til F- cellen som derved blir en F+ celle. Samtidig med at dette skjer blir F plasmidet kopiert slik at F+ cellen ikke mister F plasmidet. Prosessen er rask og effektiv (omtrent fem minutter), og derfor kan F plasmidet spre seg uhyre raskt i en populasjon av bakterier.

Under visse forhold, blir F plasmidet innlemmet i kromosomet hos F+ celler. En slik celle kalles en Hfr celle (High frequency of recombination). Plasmidet kan sette seg inn på ett av flere steder på kromosomet, og hvis det senere finner sted konjugering og F plasmidet overføres til en F- celle, kan plasmidet samtidig også ta med seg noen av genene på kromosomet. Dette er gener som ligger ved siden av stedet der F plasmidet satt i kromosomet. På den måten får F- cellene overført nye gener ved horisontal genoverføring.

Plasmider brukes som vektorer i forskning

Ved å bruke restriksjonsenzymer og andre enzymer kan man klippe ut et ønsket gen og lime det inn i et plasmid. Plasmidet kan deretter tas opp av bakterier i kultur som i sin tur vil uttrykke genet som er satt inn i plasmidet og begynne å produsere genproduktet, proteinet. Dette kan for eksempel være hormonet insulin.
Restriksjonsenzymenes virkning
Av .

Plasmider er og har vært et uvurderlig verktøy i forbindelse med genteknikk, molekylærbiologi og bioteknologi. En årsak er at det er forholdsvis enkelt å isolere store mengder plasmider i ren form fra en kultur av bakterier.

Ved hjelp av restriksjonsenzymer kan man åpne plasmidene. Et restriksjonsenzym kjenner igjen en spesiell rekkefølge av baser på DNA-et og kutter over begge trådene i DNA-et slik at man får DNA-biter med enkelttrådige ender (klebrige ender). De klebrige endene har tendens til å gå sammen med andre klebrige ender som passer (de er komplementære).

Bruker man det samme restriksjonsenzymet når man kutter DNA fra ulike kilder, får alle stykkene de samme klebrige endene. Dette utnyttes til å lage rekombinant-DNA. Da tar man DNA fra to ulike kilder, for eksempel fra menneske og fra et plasmid, kutter med restriksjonsenzym, blander bitene og spleiser dem sammen ved hjelp av et enzym som kalles ligase. På den måten kan man få et plasmid med et stykke fremmed DNA satt inn.

Blander man bakterier og plasmider i løsning, vil bakteriene ta opp plasmidene. Bakterien tar opp rekombinante plasmider like lett som de tar opp normale plasmider, og de rekombinante plasmidene formerer seg på samme måte i bakterien som de normale plasmidene.

Når man produserer mange kopier av et gen på denne måten, kalles det å klone genet, og plasmidet er kloningsvektor. På denne måten er det lett skaffe seg store mengder av et bestemt gen, som kan brukes til ulike formål. Det er også mulig å kutte ut genet fra plasmidet ved hjelp av restriksjonsenzymer, isolere det, rense det og deretter spleise det inn i en annen organisme. En slik organisme vil være transgen.

Det er konstruert hundrevis av kloningsvektorer til bruk for ulike formål. Et kjent eksempel er plasmidet pUC19 som er modifisert og manipulert for ulikt bruk. Et annet eksempel er Ti plasmidet fra Agrobacterium tumefaciens (se ovenfor) som er den mest brukte kloningsvektoren i forbindelse med transgene planter.

Ved å bruke Ti-plasmidet fra bakterien Agrobacterium tumefaciens som kloningsvektor kan man avle frem transgene planter med nye gener som koder for nye, ønskede egenskaper hos planten.
Agrobacterium-mediert rekombinasjon
Av .

Plasmider brukes i produksjon av proteiner

Når en bakterie har tatt opp et plasmid som har fått spleiset inn et gen fra en annen organisme, produserer bakterien ofte også det fremmede genproduktet, proteinet. Det fremmede proteinet blir skilt ut i næringsmediet hvor bakterien vokser, og kan lett isoleres.

Plasmider som egner seg til å uttrykke fremmede proteiner i bakterier omtales som ekspresjonsplasmider.

Denne kunnskapen blir i dag utnyttet av farmasøytisk industri. Hormonet insulin og ulike koagulasjonsfaktorer er eksempler på proteiner fra menneske som blir produsert av bakterier med plasmider som har fått satt inn gener fra menneske. Et annet eksempel er veksthormon som brukes til å behandle kortvokste personer.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg