وهو نقل الـ DNA من الواهب إلى المستلم بواسطة الاتصال الفيزيائي المباشر بين الخلايا. في البكتريا هنالك نوعان من الجماع بين الواهب (الذكر) والمستلم (الأنثى)، كما أن اتجاه نقل المادة الوراثية هو اتجاه واحد فقط، وهو نقل الـ DNA من الواهب إلى المستلم. يختلف الاقتران عن التكاثر الجنسي في اعتبارين أساسيين: أولهما المساهمة الوراثية من الآباء هي غير متساوية. ولهذا يشار إلى الآباء بالخلايا الواهبة donor cells والمستلمة recipient cells. أما الاعتبار الثاني فهو أن النسل الناتج يشبه الخلية المستلمة فقط وليس الخلية الواهبة في معظم الصفات.

لقد أجابت التجربة المثيرة التي قام بها كل من Joshua Lederberg و Edward Tatum في عام 1946 على التساؤل الذي يثار بين الفينة والأخرى في مصداقية احتواء البكتريا أي عملية تشبه التكاثر الجنسي من عدمه، حيث أكتشفا في بكتريا القولون عملية مشابهة للعملية الجنسية التقليدية. تتلخص التجربة ببساطة باستخدام سلالتين من بكتريا القولون يمتلك كل منهما طفرة غذائية (auxotrophic mutation) تختلف عن الأخرى. حيث يمكن للسلالة A أن تنمو فقط اذا كان الوسط مجهزاً بالمثيونين والبايوتين، بينما تنمو السلالة B فقط عندما يكون الوسط مجهزا بالثريونين والليوسين والثايمين. وعليه، تم تسمية السلالة A بـ (met- bio-thr+ leu+ thi+) والسلالة B بـ ( -met bio+thr-leu-thi). يوضح الشكل (1) تفاصيل تلك التجربة.

شكل (1) مخطط يوضح تجربة Lederberg و Tatum والتي استنتجوا فيها حدوث اعادة الارتباط الوراثي بين الخلايا البكتيرية . والتي فيها لا يمكن لخلايا النوع A أو B أن تنمو في وسط متطلبات النمو الدنيا، لأن كل من السلالة A و B تحمل طفرات تسبب عدم المقدرة في تخليق العناصر الضرورية لنمو الخلية. وعندما تخلط السلالة A و B لمدة ساعتين ثم تزرع بعد ذلك، لوحظ ظهور عدة مستعمرات على طبق الأكار .اشتقت هذه المستعمرات من خلية واحدة والتي حدث فيها تبادل في المادة الوراثية، وهي لهذا السبب قادرة على تخليق كل العناصر الضرورية للأيض (تصميم المؤلف).

تتلخص التجربة بخلط السلالة A والسلالة B مع بعضها البعض، ثم تحضن لفترة معينة، ثم تزرع على وسط ذو متطلبات نمو دنیا (minimum medium)، والذي لا تنمو فيه أي من السلالتين الطافرتين. لاحظ Lederberg و Tatum قدرة نسبة صغيرة (خلية من أصل عشرة ملايين من تلك الخلايا) على النمو، وتسمى تلك الخلايا بالـ prototrophs ، وهذا يدل على استعادتها للنوع البري الغير طافر من دون اضافة المغذيات المطلوبة. هذا ولم يلاحظ أي نمو يذكر سواء للسلالة A أو للسلالة B عند تنميتها بدون خلط مسبق مع بعضها البعض استنتج Lederberg و Tatum الى حدوث شكل معين من اعادة الارتباط بين جينات السلالتين لتنتج خلايا الـ prototrophs.

ثم لوحظ Bernard Davis ان السلالتين لاتتبادل الجينات مع بعضها البعض بالشكل الغير مباشر الذي تصوره Leaderberg و Tatum ،ولكن، بدلا من ذلك، لا حظ وجود مواد معينة ترتبط بها الخلايا هي التي تقوم بذلك. وقد أثبت ذلك بتصميمه انبوبا يشبه الحرف U وفيه ينفصل ذراعيه بواسطة مرشح دقيق. وتكون ثقوب ذلك المرشح صغيرة جدا ولا تسمح للبكتريا بالمرور خلالها، ولكنها كبيرة بما يكفي لتسمح بمرور أي مواد مذابة أصغر (شكل 2) تم وضع السلالة A في جهة، والسلالة B في جهة أخرى. وبعد حضن السلالتين لفترة معينة، قاس Davis محتويات كل ذراع ليرى ان كان هنالك أي خلايا من نوع الـ prototrophs ، ولكن لم يجد أيا منها. وهذا يعني ضرورة وجود اتصال فيزيائي بين السلالتين لتكوين خلايا الـ prototrophs. هذا وتم تأكيد هذا الاتحاد الفيزيائي المباشر في المجهر الالكتروني. أما الآن، تطور هذا المفهوم على المستوى الجزيئي، وأصبحت تسمى تلك العملية بالاقتران .

شكل (2) تجربة Davis في اثبات ضرورة الاتصال الفيزيائي المباشر بين الخلايا البكتيرية لحدوث اعادة الارتباط الوراثي .السلالة البكتيرية A في أحد ذراعي أنبوب U ، بينما السلالة البكتيرية B في ذراع أنبوب U الآخر. يمكن أن يعبر السائل بين ذراعي الأنبوب عند تليط ضغط أو بالمص بينما لا يمكن للبكتريا أن تقوم بذلك من خلال هذا المرشح. وبعد الحضن والزرع، لم يتم الحصول على خلايا الـ prototrophs البرية على وسط متطلبات النمو الدنيا (تصميم المؤلف).

تتم عملية الاقتران البكتيري من قبل بلازميدات الخصوبة F plasmids، والتي هي مثال تقليدي للـ episomes ، العنصر الذي ربما يوجد كبلازميد دائري حر، أو ذلك الذي ينحشر بالكروموسوم البكتيري كتسلسل خطي (كما في العاثي لامدا التحلحلي lysogenic bacteriophage). يمكن أن ينحشر العامل F في عدة مواقع في كروموسوم بكتريا القولون، وعندما يكون العامل (البلازميد) حراً، يتم المحافظة عليه بمستوى نسخة واحدة لكل كروموسوم بكتيري. وعندما يكون منحشراً، بالكروموسوم البكتيري، تتعرض جينات البلازميد إلى الكبح ، ويتضاعف DNA العامل (F DNA) كجزء من الكروموسوم.

عند وجود بلازميد الخصوبة ( plasmid F) سواء كان حراً أو منحشراً، يمتلك عواقب مهمة لبكتريا العائل، إن البكتريا الحاوية على عامل الخصوبة F⁺ تكون قادرة على أن تقترن (أو تتزاوج) مع البكتريا الفاقدة لهذا العامل ^-F يتضمن الاقتران حدوث اتصال مباشر بين البكتريا المانحة (F⁺) والبكتريا المستقبلة (F^-)، يتبع الاتصال انتقال العامل F. وإذا وجد العامل F كبلازميد حر في البكتريا الواهبة حينها ينتقل كبلازميد، وتحول هذه العملية الخلية المستقبلة الغير حاوية على عامل الخصوبة bacteriumF^- إلى خلية مستقبلة حاوية على عامل الخصوبة F⁺ bacterium .

هنالك منطقة كبيرة من بلازميد الخصوبة، والتي تدعى منطقة النقل transfer region وتختصر بـ tra region والتي هي ضرورية لعملية الاقتران تحتوي منطقة النقل هذه على 40 جين ضرورية لنقل الـ DNA تمتلك البكتريا الحاوية على عامل الخصوبة لوازم سطحية تدعى بالأهلاب pili والتي هي مشفرة من قبل العامل F .وهنالك 12 جين من منطقة tra تتدخل في تحوير وتراكب الأهلاب التي تشبه الشعر بتركيبها. تبدأ عملية الاقتران بقمة تركيب الـ pilus والذي يلتصق بقمة سطح الخلية المستقبلة (شكل 3)

شكل (3) : مخطط لعملية الاقتران البكتيري حسب معطيات المجهر الالكتروني (تصميم المؤلف)

إن قابلية البكتريا على أن تكون واهب هو نتيجة لوجود قطعة DNA إضافية في الخلية تدعى بعامل الخصوبة أو F factor أو عامل الجنس sex factor .إن عامل الخصوبة هو قطعة دائرية من الـ DNA والتي يمكن أن تتضاعف بشكل ذاتي في الخلية، ولهذا تعتبر متضاعف مستقل independent replicon. يمتلك عامل الخصوبة عدة جينات والتي تكون ضرورية لتضاعفه ولقابليته على نقل الـ DNA إلى المستلم .أحد جينات عامل الخصوبة تشفر لقابليته على إنتاج الهلب الجنسي sex pilus أو هلب الخصوبة F pilus على سطح البكتريا .إن هذا الهلب مهم في عملية الاقتران .إن عامل الخصوبة هو ليس البلازميد الوحيد الذي يتوسط عملية الاقتران ولكنه يستخدم بشكل عام كنموذج لتوضيح هذه العملية. إن قابلية المستلم على أن يعمل كمستقبل للمعلومة الوراثية هو نتيجة لفقدانه لعامل الخصوبة.

هنالك ثلاث حالات فسلجية يمكن أن توجد فيها الخلية الواهبة، والتي لابد من التطرق لها لفهم تلك العملية من آلياتها المختلفة، وهي:

1- عامل الخصوبة المستقل (autonomous (F⁺ في هذه الحالة يحمل عامل الخصوبة فقط تلك الجينات الضرورية لتضاعفه ولنقل الـ DNA .لا يوجد هنالك جينات كروموسومية مرتبطة مع عامل الخصوبة في سلالات ⁺F . وفي التضريب F⁺ X F^- يتحول F^- إلى F⁺ بينما ⁺F تبقى ⁺F . وهكذا، يوصف عامل الخصوبة بالمعدي. بالإضافة إلى ذلك، هنالك فقط مستوى واطئ من النقل بين الجينات الكروموسومية.

2- عامل الخصوبة المندمج (integrated (Hfr في هذه الحالة انحشر عامل الخصوبة في الكروموسوم البكتيري عبر عملية إعادة الارتباط. وفي التضريب Hfr X F^- نادراً ما يتحول عامل الخصوبة إلى Hfr بينما يبقى Hfr على حاله. بالإضافة إلى ذلك، هنالك تردد عالي من النقل لجينات الكروموسومات الواهبة.

3 - عامل الخصوبة المستقل مع الجينات الكروموسومية autonomous fertility factor with chromosomal genes (F') : يوصف عامل الخصوبة في هذه الحالة بالمستقل ولكنه يحمل بعض الجينات الكروموسومية. تنتج عوامل F' عن طريق قص عامل الخصوبة F factor من بكتريا الـ Hfr كما هو موضح في الشكل (4). أحيانا، عندما يقص عامل الخصوبة من كروموسوم Hfr يمكن قص الجينات الواهبة الواقعة على كلا جانبي عامل الخصوبة مع عامل الخصوبة مولدة عامل الخصوبة المستقل مع الجينات الكروموسومية والمعروف بـ F'. وفي التضريب من نوع F' X F^- يتحول F^- إلى F' بينما يبقى F' على حاله .بالإضافة إلى ذلك، هنالك تردد عالي لنقل الجينات الكروموسومية الواهبة الأخرى.

شكل (4): الحالات الفسيولوجية الثلاث لعوامل الخصوبة F ، وهي (A) حالة ⁺F الذاتي و (B) حالة Hfr المنحشر في الكروموسوم و (C) حالة F' الذاتي الذي يحمل بعض الجينات الكروموسومية (تصميم المؤلف).

مواضيع ذات صلة

آليات الاقتران mechanisms of conjugation

البلازميدات plasmids

اليات انتقال الجينات في البكتريا

تبادل المعلومات الوراثية واليات التنظيم الوراثي في البكتيريا

Putting DNA Back into Cells

Vectors for Higher Cells

GENE TRANSFER

The Bacterial Genome

A Phage Vector for Bacteria

دور الفطريات في الدراسات الوراثيةRole of Fungi in Genetic Studies

الحوامض النوويـــة

تنظيم جينوم الاحيـــاء