Трансдукция - это перенос генетического материала из одной бактериальной клетки в другую бактериофагом. Трансдукция была открыта в 1952 г. Н. Циндером и Е. Ледербергом на двух ауксотрофных мутантах Salmonella typhimurium. Опыт проводился в {/-образной трубке, разделенной стеклянным ультратонким пористым фильтром. В одну часть ее помещали гистидин - зависимый штамм 2А, в другую - триптофан - зависимый штамм 22А. Спустя некоторое время в культуре штамма 22А появлялись прототрофы, синтезирующие триптофан. Было установлено, что штамм 22А содержал фаг (Р22), способный лизировать клетки штамма 2А. Проникая через стеклянный фильтр, фаг Р22 лизировал клетки штамма 2А. При этом высвобождался неизвестный агент, названный фильтрующимся. Этот агент проходил через фильтр и сообщал некоторым клеткам штамма 22А способность к синтезу триптофана. Поэтому при высеве культуры 22А на среду, не содержащую триптофан, появлялся рост этой культуры.
Изучение величины (по размерам пор фильтра), скорости седиментации, чувствительности к нагреванию этого фильтрующегося агента показало, что он идентичен таковыми фага Р22. На основании этого было сделано заключение, что содержащийся в культуре 22А фаг проходил через фильтр, инфицировал чувствительные к нему клетки штамма 2А и в процессе репродукции в состав своего генома включал фрагмент хромосомы бактерий этого штамма. Высвободившись из лизированных клеток, фаг проходил обратно в колено трубки, где были клетки штамма 22А. При инфицировании этих клеток фаг передавал им унесенный фрагмент хромосомы клеток штамма 2А, которые были независимы по триптофану. В результате интеграции этого фрагмента в хромосому клеток штамма 22А образовывались прототрофные рекомбинанты. В культуре штамма 2А прототрофы не появлялись, так как клетки лизировались.
Фаг может переносить гены, ответственные за различные свойства клетки: устойчивость к антибиотикам, токсинообразова- ние, прототрофность. При трансдукции, как и при трансформации, переносятся только небольшие фрагменты ДНК - не более 1/100 длины бактериальной хромосомы.
Трансдуцирующими свойствами обладают только некоторые умеренные фаги, а именно: фаги, которые несут в составе своего генома фрагмент бактериальной хромосомы. Эти фаги дефектны: они не содержат полный набор собственных генов. Часть их генов остается в хромосоме бактерий (вместо взятых генов хромосомы).
Различают три типа трансдукции: общую, или неспецифическую, специфическую и абортивную.
Тип трансдукции определяется условиями формирования трансдуцирующих фагов.
Общая трансдукция осуществляется фагами, которые образуются в ходе литического цикла. При внутриклеточном размножении фага происходит разрушение бактериальной хромосомы и отдельные случайные фрагменты ее включаются в созревающие частицы фага. Размер включенного фрагмента определяется емкостью головки фага. Например, трансдуцирующий фаг Р1 включает 2,3 % хромосомы Е. coli, фаг Р22, геном которого в 2,3 раза меньше, чем у Р1 (следовательно, и емкость головки также меньше), включает 1 % хромосомы сальмонелл. У отдельных трансдуцирующих фагов вся их ДНК может быть заменена на бактериальную. Поэтому такие фаги могут переносить любые хромосомные гены и включаться в любой участок хромосомы реципиента. Фаги, обеспечивающие такую трансдукцию, могут переносить гены, контролирующие пищевые потребности бактерий, ферментативные свойства, устойчивость к лекарственным препаратам, серологические и вирулентные свойства, т. е. любые свойства донорной клетки.
Специфическая трансдукция осуществляется фагами, образовавшимися в результате индукции лизогенных бактерий (например, облучением их УФ), либо при спонтанном освобождении профага из хромосомы. В общих случаях формирующийся фаг при исключении из хромосомы может включать в свой геном только рядом расположенный сегмент хромосомы, оставив часть своего генома в хромосоме. В отличие от фагов, осуществляющих общую трансдукцию, в геноме которых преобладает бактериальная ДНК, у фагов специфической трансдукции основную часть генома составляет фаговая ДНК. При лизогенизации чувствительных бактерий геном фага специфической трансдукции соединяется только с определенными участками i хромосомы бактерий, т. е. фаг имеет определенную точку прикрепления на хромосоме. Поэтому при освобождении такой фаг захватывает только рядом расположенную строго определенную область хромосомы бактерий и передает ее реципиентной клетке. Эта способность к специфической трансдукции была установлена у фага X Е. coli, который при лизогенизации клеток всегда фиксируется на бактериальной хромосоме рядом с генами, контролирующими ферментацию галактозы (галактокиназы и галактозилтрансферазы), и трансдуцирует их в клетку реципиента gal-. При специфической трансдукции клетка- реципиент получает строго определенные гены.
Абортивная трансдукция происходит так же, как и неспецифическая, но фрагмент хромосомы донора, привнесенный фагом в реципиентную клетку, не включается в хромосому и не реплицируется, а располагается в цитоплазме клетки. Этот фрагмент при делении клетки передается только одной дочерней клетке, и только эта клетка несет новое свойство, контролируемое привнесенным геном донорной клетки.
Трансдукцию необходимо отличать от фаговой конверсии. При трансдукции любого типа изменения происходят лишь в тех инфицированных фагом клетках, в которые была внесена ДНК бактерий-доноров, т. е. которые были инфицированы трансдуци- рующими фагами. Это весьма небольшое количество бактериальной популяции. Изменения, вызванные трансдуцирующими фагами, очень стойкие, передаются потомству и сохраняются даже тогда, когда клетка теряет фаг.
Фаговая, гаи лизогенная, конверсия - это изменения фенотипа (свойства клетки), обусловленные заражением клетки умеренным фагом. Изменения здесь вызывают гены фага. Они могут непосредственно контролировать синтез отдельного фрагмента или, взаимодействуя с бактериальными, приводить к изменению фенотипа клетки. Чаще всего фаговая конверсия затрагивает синтез или активность ферментов, контролирующих образование клеточных компонентов, что сопровождается изменениями морфологии колоний. Так, лизогенизация шероховатых штаммов микобактерий приводит к образованию гладких колоний. Изменение испытывают все инфицированные фагом клетки (при трансдукции - одиночные). При фаговой конверсии изменения фенотипа бактерий сохраняются до тех пор, пока в клетке присутствует фаг.