МИКРООРГАНИЗМДЕР ГЕНЕТИКАСЫ

 

Микроорганизмдер класы алуан түрлі, соның   ішінде  бактерия мен вирустар ген инженериясында елеулі    рөл атқарады. Бактерия мен вирустың генетикалық объект ретінде артықшылығы генерация  (көбею) – уақытының ұзақ еместігінен, бір ұрпақтың өзі көптеген дарақтардан құралғандығынан және олардың культурасын оңай көбейту мүмкіндігінен туады. Бұдан басқа микроорганизмдер геномы барынша қарапайым бактериялардың гендерінің саны 5-мыңдай болса, ал вируста бірнеше жүзден аспайды,сондықтан да олардың    генетикалық аппараты    барлық басқа тірі организм формаларына қарағанда жете    зерттелген. Осыған орай геннің нәзік құрылымын зерттеуде вирус пен бактериялар таптырмайтын объект. Генетикалық зерттеулердің классикалық объектісіне    бактериялар арасынан ішек таяқшасы (Е. Соlі), салмонелла және нейроспора   бактериялары,   ал  вирустардан – осы  бактерияларды зақымдайтын бактериофагтар және темекі    мозаикасының вирусы жатады.

 

Бактериялар және олардың геномы

 

Бактерия — торша кұрылысы бар, өте ұсақ организм. Бактериялық клетканың орташа диаметрі 1 мкм тең. Бактерия бірклеткалы организм оны тек микроскоппен ғана көруге болады. Сондықтан да ол микроорганизм деп аталады. Бактерия клетка қабығымен қоршалған, оның ішінде цитоплазма, ядролық аппарат, риборомалар, ферменттер, плазмидалар және т. б. бактериялық элементтер бар. Эукариот клеткасынан айырмашылығы бактерия клеткасында митохондриялар, Гольджи комплексі және эндоплазмалық тор жоқ. Бактерияның ядролық аппараты цитоплазмадан мембрана арқылы айқын окшауланбаған (прокариоттық    организм), осы себептен олар  нуклеоид териялық хромосомамен байланыса алады, осы тұрғыдан ол  Ғ — эписома деп те аталады.

2. R   (ағыл.     «resistance»— төзімділік,    тұрақтылық) плазмида табиғатта кеңінен таралған. Оларды    1959 ж. Жапон ғалымдары    тапты. R — плазмидада    орналасқан гендер  бактериялық клетканың антибиотиктерге, химиотерапевтік заттарға,  ауыр металдардың   (кальций, сынап, қорғасын, сурьма және висмуттың) иондарына және УК— сәулелерге резистенттілігін (төзімділігін) коделейді. R — плазмвда 50-ден астам бактериялар түрлерінде табылды, оның табиғатта кең    таралуы өздеріне tra — генді    оңай қоса алатындығына байланысты, осыған орай, R — плазмидалардың басым көпшілігі конъюгациялық   плазмида болып саналады. Осындай жалғыз R — плазмида өздерінің жалғыз ДНҚ молекуласында бірнеше антибнотиктерге, тіпті барлық антибиотиктерге және клиникалық практикада қолданылатын химиотерапевтік заттарға тұрақтылықтың генетикалық детерминанттарын таси алады  (Ватанабе,    Фукасава, 1964). Мысалы,  R 724—плазмидасы тетрациклинге, стрептомицинге, хлорамфениколға,    канамицинге және бірқатар аминоглюкозид пен сульфонамидтерге төзімділікті коделейді. Жалпы плазмидаларда    10-нан астам әр түрлі негізгі антибиотиктерге төзімділіктің гендері табылды. R — плазмида коделейтін төзімділік әр түрлі молекулалық механизмдердің көмегімен іске асады. Принципінде бұл механизмдер ерекше ферменттер    синтезделуінен тұрады. Ферменттер антибиотиктерді не ыдыратады,  не  оларды модификациялайды   (аденилдеу,  ацетилдеу т.  б.), нәтижесінде антибиотиктер өздерінің    активтілігін  жоғалтады.  Бактерия қабығының    модификациялануы арқылы дәрінің клеткаға енуін    қиындататыны альтернативті механизм сульфонамид пен    тетрациклиндерге төзімділік те байқалады   (Митсухаши,    Хашимото, 1976).

3. Col — факторлар (колициногенді плазмидалар) бактериялардың бірнеше түрлерінде кездеседі. Бұл плазмидадағы гендер ерекше белок – колицин (бактериоцин) синтезделуін коделейді. Колицин – ішек таяқшасы, шигелла немесе сальмонелла бактерияларында түзілетін және басқа бактерияларды жоюға қабілетті, уытты белок. Әр қилы бактериоциндердің әсерінің биохимиялық (молекулалық) механизмі әр түрлі: олардың көптеген түрлері плазмалық мембранадағы энергетикалық алмасуды бұзып немесе электростатикалық потенциалды азайтып, сезімтал бактерияларды қырып жібереді, кейбір колициндер ДНҚ-ны деполимерлейді және денатурациялайды, басқалары 16S рРНҚ-ны ажыратуға немесе бактериялы клетка қабығын ерітіп жіберуге қабілеті бар. Мысалы. СоlЕ1 және СоlК колицині цитоплазмалық мембранаға әсер етіп, бактерия тіршілігі үшін кажетті процестерге түсетін энергия көзін азайтады. Со1Е2 колицинінің әсері ДНҚ-ның деградациясына (ыдырауына) әкеледі. Ал, СоlЕЗ колицині болса белок синтезін тоқтатады: алдымен 16S рРНҚ-ның 3′– ұшын үзіп тастайды, мұның нәтижесінде рРНҚ иРНҚ-ны тану қабілеттілігінен айыралады.

Col — факторлар (немесе плазмидалар) R — плазмида сияқты екі топқа бөлінеді. Олардың бір тобының мөлшері үлкен (60 және одан астам мегадальтон), конъюгацияға қабілетті және клеткадағы копиясы аз, ал екінші топка кішігірім (шамамен 5 мегадальтон), конъюгацияланбайтын және аз көшірмелі колициногендер жатады. Генетикалық зерттеулер колициннің түзілуі бактериялық хромосомалардың бақылауында болмайтындығын көрсетті. Демек, конъюгацияланатын Col плазмидалар екі бөліктен құралған: бір бөлігінде колицин синтезделуі үшін қажет гендер орналасса, екіншісінде плазмаданы басқа бактерияга тасымалдауға мүмкін ету гендері орналасқан.

Жалғыз бактериялық клеткада плазмидалар саны едәуір езгереді Ғ және R плазмидалар бактериялық хромосомаға әдетте біреуден немесе бірнешеден келеді, алайда кіші плазмидалар көптеп кездесуі де мүмкін. Клеткада СоlЕ1 плазмидасының 18-ге дейін, ал стафилококтың ұсақ плазмидалары 20 – 30 және одан астам рет кездесетінін тәжірибелер дәлелдеді.

Жалпы бактериялық плазмидаларды хромосомадан тыс тұқым қуалаушылықтың элементтері ретінде қарау керек (эукариоттарда — цитоплазмалық тұқым қуалаушылық, оған негізінен митохондриямен пластидтердің гендері кіреді). Мұнда менделдік емес тұқым қуалау байқалады, өйткені цитоплазмалық (бактерияларда — плазмидалық) гендердің ажырауы және рекомбинациялануы хромосомалык (ядролық) гендердікінен бірқатар өзгешелігі бар. Бактерияның плазмидалық гендері митоздық бөлінуі нәтижесінде ұрпаққа беріле алады. Бұл арада. плазмида тәрізді системалардың кейбір қарапайым эукариоттарда кездесетінін атау керек. Мысалы, ашытқылардың вентурицидин және триэтилолга төзімділігі митохондриядан тыс бөлікте орналасқан сақина тәрізді ДНҚ ның мутациясы нәтижесінде пайда болатыны анықталды және де    төзімділік менделдік ажырауға сәйкес келмеді.

Бактериялық    плазмидаларды жеке    талдауымыздың басты себебі — олар ген инженериясының негізі қаруларының бірі. Біз қарастырған плазмидалардың үш типінің  бірқатары— (ColE1, pBR322—ColE1   плазмидасының туындысы,    ColE2,   RK2, RP4   және т. б.)    биотехнологиялық мақсатпен бөлінген «бөтен» генді бактериялық клеткаға таси алатын таптырмайтын генетикалық элемент болып саналады. Бактериялық плазмиданың осы қасиетімен ген инженериясын оқығанда толығырақ танысамыз.

Сонымен, екі генетикалық жүйенің — бактерия мен плазмиданың – әрекеттесуі ерекше. Шынында да, плазмиданың ДНҚ-сы бактериялық хромосомаға енгенде екі жүйе біртұтас бірігіп кетеді. Дегенмен, бактериялық, жүйе тәуелсіз тіршілік ете алатын болса (өйткені онда гендердің барлық жиынтығы бар), плазмида жүйесі толық тәуелсіз бола алмайды. Онда автономды белок синтезін қамтамасыз ететін элементтер — рибосомалық белок, рРНҚ, тРНҚ т. б. – жоқ. Көптеген басты процестерде, мысалы, плазмида ДНҚ-сының репликациясының өтуі бактериялық хромосоманың гендер жүйесіне жоғары дәрежеде тәуелді болады. Плазмида өз жағынан, эндосимбионттар ретінде қаралуы мүмкін: өз иесімен тұрақты тіршілік етіп.  белгілі жағдайда, оның тіршілігі үшін аса қажетті генетикалық функцияларын іске асырады, нәтижесінде осындай плазмидасы бар бактерия селекциялық артықшылыққа ие бола алады.

Кейінгі кездерде плазмида вируспен бір қатарда    қаралып жүр. Алайда плазмиданың құрылысы тым    карапайым және оның тіршілік циклі вирусты төмен деңгейде. Осыған байланысты,    эволюциялық тұрғыдан    плазмида тіршілік дамуының бастапқы кезеңіне – тірі мен өлі табиғаттың тікелеп шекарасына қолданылуда. Алайда, кейбір вирустардың генетикалық    элементін плазмиданың    қос ДНҚ-сымен салыстырғанда мұндай жорамалдан біржақты жүйелік түсінік табу қиынға соғады.

Бактерияның генетикалық    ұйымдастырылуының тұрақтылығы туралы алғашқы көзқарастар   1970 жылдары МГЭ ашылуымен өзгерді. Бактериялық МГЭ екі түрлі болуы мүмкін: IS. (ағыл. «insertion sequens»— инсерциялық тізбек) және Тn – элементтер (транспозондар). Екі элементте бактериялык геномда орын ауыстыруға қабілетті, нәтижесінде әр түрлі мутациялардың шығу көзі болып саналады. Бұл мутациялар    геннің әсерін толық тежеп тастайды. Инсерциялық тізбектер салыстырмалы ұзын емес және ол өзінің транспозициясын ғана коделейді. IS – элементтердің ұштары инверсиялы қабылданатын тізбектерден құралған. Транспозондар болса, өзінің транспозиясын коделейтін гендерден басқа бактерияның қосымша қасиеттерін сипаттайтын гендері бар. Транспозондар және инсерциялық элементтер бактериялық плазмидалардан жиі табылды, олардың басым көпшілігі төзімділік R – факторымен байланысқан және де бактериялық клетканың антибиотиктерге, ауыр металдардың иондарына төзімділігін анықтауға қатынасады. Сонымен IS – және Тn – элементтерінің орын ауыстыра алу қабілеттілігі генетикалық инженерия үшін белгілі маңызы бар.

 

Вирустар, олардың геномының құрылысы және көбеюі

 

1892 ж. орыс ботанигі Д. И. Ивановскив мозаикалы ауруға шалдықдан темекілерден инфекциялық экстракты бөліп, оларды бактериялар өте алмайтын сүзгіден өткізгенде экстракт өзінің инфекциялық күшін сақтап қалатынын тапты. 1898 ж. голландия ғалымы Бейеринк сүзгіден өтіп кететін инфекциялық бастамаға «вирус» (латын сөзі – «у» дегенді білдіреді) жаңа атауын ойлап шығарды. Барлық вирустар өзінің иелерінде паразиттік тіршілік етеді. Осыған байланысты оларды үш топқа бөлуге болады: бактериялар (бактериофагтар), өсімдіктвр (фитопатогенді) және жануарлар (патогенді) вирустары. Вирустар клеткаға енуге қабілетті және сонда ғана көбейетін, ұйымдастырылу деңгейі клеткаға дейінгі тірі элементтер ретінде қарастырылады. Демек, вирустар облигатты клетка ішілік паразиттерге жатады. Алайда вирустар басқа клетка ішілік паразиттерге (мысалы, бактерияларға) қарағанда. олар генетикалық деңгейде ғана паразит болып саналады.

Вирустар — өте ұсақ тірі организмдер, олардың мөлшері 20 – 30 нм. аралығында өзгереді. Оларды жарық микроскопы көмегімен көру мүмкін емес. Вирустар кристалдана алуы мүмкін жәке өзінің метаболизмін іске асыра алмаса да, олар тірі организмдер қатарына енеді, өйткені бөтен клеткада көбеюге қабілеттілігі бар.

Вирустардың құрылысы бактериялардан да қарапайым. 1935 ж. В. Стенли вирустардың құрамына нуклеин қышқылдары және белоктар кіретінін көрсетті, яғни вирустар жоғары организидердің (прокариоттар мен эукариоттардың) хромосомасын құрайтын заттардан құралған.

Кейбір вирустарда  (негізінен өсімдік) рибонуклеин қышқылы  (РНҚ), ал баскаларында  (оның ішіңде жануарлар  мен бактериялардың  көптеген вирустары)     дезоксирибонуклеин қышқылы  (ДНҚ) бар. Вирустардың    нуклеин қышқылдары жалғыз немесе қос тізбекті, түзу немесе сақиналы болуы мүмкін. Вирустың нуклеин қышқылдарының молекулалық, массасы үлкен ауқымда ауытқиды: ДНҚ – 1,5∙10⁶ – 1,6∙10⁸,   РНҚ – 1,6∙10⁶ – 9∙10⁶ Д.   ДНҚ немесе  РНҚ вирустың    өзекшесін  құрайды,  ал    өзекше капсид деп аталатын белокты қабықпен қапталған. Толық қалыптасқан инфекциялық бөлік вирион деп аталады. Көптеген вирус топтарында капсид иесінің плазмалық   мембранасынан түзілетін    липидті қабықпен қоршалған. Басқа барлық тірі организмдермен салыстырғанда вирустардың клеткалык құрылысы жоқ.

Генетикалық    зерттеулерде  бактериофаг немесе    фаг , деп аталатын бактерия вирустары жиі қолданылады. Бактериофагтардың тез    көбеюі тәулігінде бірінің    артынан бірі екі ұрпаққа будандастыру жүргізуге мүмкіндік    береді. Дрозофилада мұндай будандастыру 3,5 аптаны, жүгеріде — ең аз дегенде бір жыдды керек етеді. Бұдан басқа бірнеше    ғана миллилитр    культура сұйықтығындағы фаг популяциясының қисапсыз саны өте сирек генетикалық құбылыстарды бақылауға мүмкіндік туғызады. Көптеген бактериофагтардың бактериялармен салыстырғандағы геномының аз мөлшері фагтың барлық гендерін немесе олардың басым көпшілігін анықтауға және геномның жалпы генетикалык ұйымдастырылуы мен реттелуін    толық зерттеуге мүмкіндік береді. Лямбда   (γ)  фагтың   геномы 60-тан аз, фаг—φХ 174 геномы 9 гененн ғана құралған  болса, ал Е. Соli геномы бірнеше мың гендерден тұрады. Ірі    бактериофагтар – Т2,    Т4 – қос    тізбекті     ДНҚ-дан кұралған және онда 100 мыңдай гендер орналасады. Лямбда фагтың ДНҚ молекуласы 49 мың . ж., ал Т — жұп фаг ДНҚ-сы 182 мың н.ж. құралған.

Әдеттегі фаг бас бөлігі мен құйрық өсіндісінен тұрады. Фагтың басында ДНҚ  (немесе РНҚ)  жиналады.    Басты және құйрық өсінділерін белокты қабық қоршайды. Құйрық өсінділерінің ұшында фагтың бактерия қабығына бекінуін оңайлататын ерекше жіпшелері бар, олар базальды пластинкадан  шығады.

Бактериялармен  өзара    әрекеттесу сипатына  байланысты  бактериофагтар вирулентті  және  орташа    болып екіге  бөлінеді. Вирулентті фагтар әр уақытта бактерияларды лизиске (ерітіп жіберуге) апарады. Вирулентті бактериофагтардың әдеттегі иесі — Escherichia coli, оның – клеткалары фагтың жеті штаммасымен Т₁ – Т₇ лизиске ұшырайды. Алдымен, фаг бактерияға жақындап, құйрық жіпшелерінің рецепторлы бөлігімен бактерия клеткасының бетімен байланысады. Онан соң базальды пластинкадан бөлінетін фермент лизоцимнің әсерінен бактерия қабығы ериді. Ары қарай құйрық өсінділерінің жиырылуының арқасында фагтың нуклеин қьшқылы бактериялық клетканың ішіне енеді. Фагтың ДНҚ-сы иесінің белок синтездеу аппаратын (рибосомалар т. б.) пайдаланып ферменттер (фаг ДНҚ-сы синтездблуі қажет) синтезін коделейді. Фаг әр түрлі әдістер арқылы иесінің ДНҚ-сын инактивациялайды, ал фагтың ферменттері оны түгелімен ыдыратып жібереді, сөйтіп фагтың ДНҚ-сы клеткалың аппаратты өз бақылауына алады. Бұдан кейін фаг ДНҚ-сы репликацияланып (синтезделіп). белокты қабықтың және лизоцимнің синтезделуін коделейді. Вирудентті фагтың тіршілік циклінің соңғы сатысында жетілген фагтардың қалыптасуы өтеді: фаг ДНҚ-сы мен белокты капсид бір жақты бірігеді. Мұнан кейін бактериялық клетка лизоцимінің әсерінен жарылады. Лизис нәтижесінде бактерия клеткасынан 200—1000 жаңа фагтар босап шығып, басқа бактериялық клеткалардың инфекциясы қайтадан басталады. Бактериофагтың клеткаға бекініп, оны лизиске ұшырауына дейінгі уақыт латентты кезең деп аталады. Ол шамамен жарты сағат уақытқа созылады.

Кейбір фагтар иесінің клеткасы ішіне енгеннен кейін репликацияланбайды, оның орнына олардың нуклеин қышқылы иесінің ДНҚ-сымен байланысады. Осында фаг ДНҚ-сы бірнеше ұрпақтар кезеңінде иесінің ДНҚ-сымен бірге репликацияланады, бірақ клетканы лизиске түсірмейді. Осындай фагтар орташа фаг деп аталады, ал мұндай фагтары бар бактериялар лигогенді деп саналады. Бактерия лизиске ұшырауы мүмкін, бірақ ол фагтың активтілігі басталғанша іске аспайды деп түсіну керек. Активтілігі жоқ фаг профаг немесе провирус деп аталады. Бактерия ДНҚ-сы мен профагтың бірігіп тіршілік ету ироцесі лизогения деп аталады.

Лямбда фаг орташа фаг қатарына жатады. Оның геномы қос тізбекті ДНҚ-дан құралған. Фаг ДНҚ молекуласның формасы түзу, оның ұштары комплементарлы. Бактерия клеткасына енген λ фагтың ДНҚ-сы тұйықталады да, өз көшірмелерін синтездейді. Лямбда фагтың геномын екі типке бөлуге болады: маңызды және маңызды емес. Біріншісіне фагтың лизистік дамуын және көбеюін коделейтін құрылымдық, гендер жатса, екіншісіне реттеуші, интеграциялық және т. б. гендер жатады. Лямбда фагтың осы ерекшеліктеріген инженериясында рекомбинантты молекулалар — векторларды құрастыруда қолданылады. Бұл фагтың негізінде бірнеше ген — тасығыш құрылымдар құрастырылған.

ДНҚ және РНҚ-сы бар вирустар тіршілік циклдері бойынша соншалықты айырмашылығы болмайды. Ең бастысы екіншісінде ДНҚ-ның транскрипция сатысы өтпейді. яғни онда РНҚ молекуласы синтезделмейді. РНҚ-сы бар вирустардың генетикалық информациясы РНҚ-да коделенген, РНҚ бір немесе екі тізбекті болуы мүмкін, ал оның иесі — клетка–прокариоттық (бактерия) немесе – эукариоттық (жануар не өсімдік). Бактерияларға тек жалғыз тізбекті фагтар ғана енеді. Ал, жануарлар мен өсімдіктердің вирустары жалғыз — не қос тізбекті болуы мүмкін.

Жалғыз тізбекті РНҚ-лы вирустар екі типке бөлінеді: «оң» тізбекті және «теріс» тізбекті. «Оң» тізбекті вирустар иесінің клеткасында кәдімгі иРНҚ сияқты қызметін жүргізеді, ал «теріс» тізбекті вирустар, алдымен клетканың РНҚ-полимеразасының көмегімен «оң» тізбек түзуі қажет.

РНҚ-сы бар вирустардың бір тобы ретровирустар деп аталады, олардың генетикалық материалының құрылысы мен қызметінің өзіндік ерекшелігі бар. Ретровирустар табиғатта кең тараған, бұларға тауық пен тышқанда лейкозды және адамда ҚИЖС (орыс. СПИД — қабылданған иммуножетімсіздік синдромы) ауруын қоздыратын вирустар жатады. Ретровирустар тек жануарлар клеткасына ғана жұға алады. Олардың құрылысының басқа РНҚ-лы вирустардан айырмашылығы мынада: қос «оң» тізбектерден құралған диплоидты геномы бар.

1970 ж. АБШ ғалымдары Г. Темин және Д. Балтомир бір-біріне тәуелсіз таң қаларлык жаңалық — кері транскрипция процесін ашты: ретровирустардан бөлінген ерекше ферменттің әсері арқылы матрицалық РНҚ-ның негізінде ДНҚ молекуласы спнтезделе алуы мүмкін. Фермент кері транскриптаза (кейде ревертаза) деп аталды. Бұл ферменттің әсерінен клеткаға енген «оң» тізбекті РНҚ-дан «теріс» тізбекті синтезделеді, ары карай РНҚ /ДНК — гибридтік тізбек ыдырап, «теріс» ДНҚ матрицасынан ДНҚ-ның «оң» тізбегі түзіледі. Пайда болған қостізбекті ДНҚ клетканың ДНҚ-сымен байланысқа түседі (14-сурет)..

Бірнеше белоктарды коделейтін гені бар ретровирус  ДНҚ-сының ұштары ұқсас, олардың ұзындығы бірнеше жүз жұп нуклеотидтерге тең. Бұл бөліктер ұзын ұштық қайталанулар (қысқаша LТК = ағыл. Long terminal re­peats) деп аталады. LTR екі ұшта да инверсиялы қайталанған.

 

 

Бактериялар мен вирустардың генетикалык, рекомбинация типтері

 

1942 жылдан бастап 1952 жыл аралығында бактериялар мен фагтарда генетикалык, материалдың рекомбинациясына әкелетін үш негізгі процестер шешімін    тапты: трансформация, коньюгация және трансдукция.

Трансформация молекулалық генетиканың    қалыптасуында үлкен рөл атқарды, ол туралы I тарауда    толық айтылды. Трансформацияда ДНҚ молекулалы бір штамманың   (донордың)  клеткасынан  басқа штамманың   (реципиенттің)   клеткасына  ауысады.  Генетикалық маркерлердің көмегімен реципиент  фенотипі  езгеретіні туралы қортынды жасауға   болады. Трансформацияның механизміне    тоқталатын болсақ, онда алдымен донор клеткасының ортаға ДНҚ молекуласы немесе оның фрагменті бөлінеді  (донор реципиентпен жанаспайды). ДНҚ молекуласы рентген    клеткасының қабығына жиналып    болғаннан соң, ДНҚ ерекше белок көмегідіен клетканың ішіне енеді. Молекулалық массасы 5∙10⁵ аз ДНҚ клеткаға ене алмайды. Бактерия енген қос тізбекті ДНҚ бір    тізбекті ДНҚ-ға айналады: ДНҚ-ның бір тізбегі деградацияланады. Соңғы стадияда жалғыз тізбекті фрагменттің рентген клеткасы ДНҚ-сымен байланысуы өтеді. Мұнда репликацияның кажеті болмайды, енген бір тізбекті фрагмент реципиент ДНҚ-сымен физикалық тұрғыдан байланысады. Трансформация барлық процесі 10 — 30 мин. ішінде аякталады. Трансформация жиілігі әр түрлі бактерияларда шамамен  1%-ке тең.

Кейбір бактерияларда трансформация табиғи жағдайда да өтетіні дәлелденді яғни трансформация кұбылысы — генетикалық талдаудың экзотикалық әдісі емес, табиғи биологиялық процесс.

Реципиент бактериялардың трансформацияға қабілеттілігі олардың физиологиялық жағдайына байланысты. Осындай физиологиялық дайындық компетенттілік деп аталады. Реципиенттік клетканың трансформацияға компетенттілігі белоктық табиғи факторларына байланысты.

В. subtilis бактериясы шамамен 10⁷ н. ж. кұралған деп есептелінеді. Егер бір геннің ұзындыгы 1000 – 2000 н. ж. тең болса, онда хромосомаға 5 – 10 мың ген сыйғызуы мүмкін. ДНҚ-ны бөлгенде хромосома 200-дей фрагменттерге ажырайтынын есептесек, онда трансформация кезінде ДНҚ фрагментіндегі 25 – 50 ген реципиентке тасымалдана алады деп жорамалдауға болады.

Соңғы кездері ген инженериясының қарқындап дамуына байланысты плазмидалық немесе векторлық трансформация кең қолдана бастады.

Трансдукция деп геннің бір бактериялық штамнан (донордан) басқаға (реципиентке)бактериофагтың көмегімен тасымалдануын түсінеді. Трансдукцияны орташа фагтар ғана іске асыра алады. Бұл құбылыс   1951 ж.

Дж. Ледерберг және оның шәкірті Н. Циндер ашты. Олар тәжірибеге сальмонелла бактериясының екі штамын алды: 22А – ауксотрофты яғни триптофанамин қышқылын синтездей алмайды, олардың қалыпты тіршілігі үшін осы амин кышқылын өсу ортасына қосу қажет және 2А – триптофанды синтездеуге қабілетті. Екі штамм U – тәрізді түтікшеге жеке егілді, олар бактериялық фильтр (сүзгі) арқылы бөлінгендіктену бір-бірімен қосыла алмайды (трансформация не коньюгация етуі мүмкін емес). Оларды триптофансыз ортада өсіргенде 22А – штамы жойылып кетуін күту керек еді, алайда олай болмай шықты: бактериялардың триптофан синтезіне қабілеттілігі байқалды. Бұның себебін қалай түсіндіруге болады. Келесі жете зерттеулер 22А штамының фаг арқылы лизогенді екендігі анықталды. Фаг 22А — штамынан босағаннан кейін, бактериялық фильтрден өтіп кетеді де, 2А — штамына еніп, оның генетикалық материалын өзінің ДНҚ-сына жалғайды. Фаг бактериялық фильтрден кері өтіп, 22А — штамына (реципиентке) 2А — штамының (донордық) генетикалық фрагментін (триптофанның синтезін коделейтін) береді, нәтижесінде 22А — штамы жаңа генетикалың қасиетке ие болды, енді ол ауксотрофты емес, яғни триптофан амин қышқылын өзі синтездей алады.

Сальмонелла бактериясында аталған фаг —Р22 деп аталады, ал шигелла бактериясында трансдукцияны Р1 фагы, ал Е. Соlі бактериясында лямбда (λ) фаг пен Р1 фагы іске асырады. Бактерияның генетикалық материалын таситын фаг трансдукциялаушы фаг деп аталады. Трансдукциялаушы фагтар  бацилдерде,  актиномицеттерде және т. б. бактерияларда табылды.

Трансдукцияның үш түрін ажыратады: жалпы, ерекше және абортивті. Жалпы трансдукцияда фаг бактериялық хромосоманың кез келген фрагментін үзіп, тасымалдайды. Мысалы, P1, P22 фагтары осындай. Кейбір профагтар донордан реципиентке бактериялық хромосоманың белгілі белігін ғана тасымалдайды. Мұны ерекше трансдукция деп атайды. Ерекше трансдукцияны іске асыратын фагтар әдетте, бірнеше генді, ал жалпы трансдукциялық фагтар бактерия геномының 1 — 2% бөлігін тасиды. Клеткаға енген донор фрагменті реципнент хромосомасымен байланыспай қалуы да мүмкін, сондықтан олар репликациялана алмайды. Бактериялар бөлінгенде мұндай фрагменттер бір ғана ұрпаққа беріледі. Мұны абортивті трансдукция деп атайды.

Трансдукция құбылысының принцптері ген инженериясында маңызды рөл атқарады.

Трансформация және трансдукция процестері бактериялардың жыныстық процесі деп аталатын коньюгация құбылысынан айқын айырмашылығы бар, себебі онда генетикалық материалдың ұсақ фрагментері тасымалданады. Трансформация мен трансдукцияның осы ерекшелігі бактериялық геномның жалпы ұйымдастырылуы туралы мәліметтерді жинауға қиындық туғызады. Бұл қиындық бактерияларда жыныстың процестің ашылуымен оңай шешілді, өйткені коньюгация кезеңінде бір клеткадан екіншіге хромосоманың біршама бөлігі немесе түгелімен өте алады және де зигота түзілуі мүмкін.

Конъюгация дегеніміз бактерия клеткаларының тікелей жанасуы арқылы генетикалық материалдың донор клеткасынан реценент клеткасына тасымалдануы. Бактериялардың коньюгация процесін Е. Соlі бактериясында 1946 ж. Дж. Ледерберг және Э. Татум ашты. Олар Е. Сoli бактернясының әр түрлі мутациялар бойынша ауксотрофты екі штамын таңдап алады:

                                I.        thr.      Leu.       tin.        +           +

                                II.       +          +           +         Bio       Met

Бірінші штамм өсуі үшін треонин, лейцин және тиаминді, екінші штама – биотин мен метионинді қажет етеді. Ауксотрофты мутациялардың ревресиясы яғни прототрофты (қажетті қосылысты өзі синтездейтін) штамаларға айналу  жиілігі  10^-7 тең.  Ал олардың барлық белгілер бойынша толык протрофты, яғни жабайы типке ревресиясы одан да сирек – 10^-14 – 10^-21 жиілікпен өтеді. Сондықтан тәжірибеде штамалардың ревресиясы жүрмейді десе де болады. Тәжірибеде екі штамм араластырылып, толық ортада 24 caғ. ішінде бірге өсірілді. Бұдан кейін олар минимальды ортаға себілді, мұндай ортаға зерттеліп отырған штамға қажет амин қышқылдары немесе қосылыстар қосылмайды. Мұндай жағдайда штамдардың өсуінің тоқталуын күту керек, алайда егілген 10⁷ клеткалардың шамамен 1-еуі прототрофты болып шықты. Яғни, thr., Leu., thi., Bio⁺, мet⁺ х thr⁺, Leu⁺,thi⁺, віо, met шағылыстырудан thr⁺, Leu⁺, thi⁺, віо⁺, met⁺ генотипті клеткалар пайда болды. Сонымен прототрофты штамдар пайда болды, бірақ олардың пайда болу жиілігі спонтанды реверсиямен салыстырғанда 7 – 14 есе жиі кездесті. Мұны қалай түсінуге    болады? Мүмкін бактерия штамдары арасында трансформация құбылысы өтті ме? Зерттеулер, бактерия штамдары қасиетінің өзгеруі коньюгация процесіне байланысты екендігін дәлелдеді. Микросуреттер бактерия клеткаларының бір-бірімен жақындасып, цитоплазмалық көпір құрып және сол арқылы генетикалық материалдың бір бактериядан екіншіге өтетінін дәлелдеді.

Бактерияларда коньюгация процесін плазмидалар бақылайды. Бұл процестің трансформация мен трансдукция сияқты бір жақты екендігін 1952 ж. У. Хейс Ғ-жыныстық факторды зерттегенде дәлелдеді. Осындай плазмидалары бар бактериялар донор (Ғ⁺) болып, ал жоқ бактериялар реципиент (Ғ^-) болып саналады. Бактериялардың екі Ғ^- штамдарын бірге өсіргенде ешқандай рекомбинанттар түзілмейді, ал Ғ⁺ және Ғ^- шағылыстыруда Ғ^-  клеткаларының 90%-і 1 сағ. ішінде Ғ⁺ клеткаларында айналатыны дәлелденді. Тіпті қоспада Ғ⁺ клеткалары аз, Ғ^- клеткалары көп болғанның өзінде реципиенттердің Ғ⁺ клеткаға айналуы бактериялардьың  көбеюінен тез жүрді.

Жоғарыда біз Ғ плазмиданың tra – гендері арқылы коделенетін жыныстық қылшықтар бактериялардың бір-біріне бекінуі үшін қажет екендігін атап өттік. Донор – Ғ⁺ бактериялық клеткалардың жыныстық қылшығының ұзындығы 20 мкм. жетеді. Егер бактерияны қылшықтарынан айырса, онда плазмидалық ДНҚ-ның тасымалдануы өтпейді.

Е, Соlі бактериясының генетикалық материалының коньюгация процесі арқылы тасымалдануы жақын тіркескен traA, traB, traC т. б. топ гендермен анықталады. Бұл гендер жыныстық қылшықтардың дамуына қажет, егер tra – гендер мутациялық өзгеріске душар болса, онда Ғ – фактор клеткаға тасымалдана алмайды. Жыныстық Ғ – пилин белоктары Ғ^- клеткаларда синтезделмейді.

Ғ – жыныстың фактор бактерияның геномымен байланыса алады, ол үшін хромосомалық, және плазмидалық ДНҚ белгілі нүктеде ажырайды, одан соң плазмиданың ДНҚ-сы геномға түзақ тәрізді кроссинговер арқылы жалғасады. Сөйтіп, Ғ⁺ фактор цитоплазмалық құрылымнан хромосоманың бөлігіне айналады. Осындай бактериялық клеткалар Hfr – штамын (ағыл. «High frequency recom­bination»— рекомбинацияның жоғары жиілігі) тузеді Hfr және F⁺ штамдары айырмашылығы мынада: реципиент клеткаға Hfr штамалы бактерияның хромосомасы өте жоғары жиілікпен тасымалданады, ал Ғ – фактордың өзі Ғ^- клеткаға өтпейді, яғни олар Ғ⁺ клеткаға айналмайды.