Plasmid: självreplikerande DNA som sprider gener hos bakterier

En plasmid är en DNA-molekyl som är skild från det kromosomala DNA:t och som kan replikera (kopiera sig själv) självständigt. Plasmider kan förekomma som cirkulära eller ibland linjära molekyler och varierar i storlek och kopieantal beroende på sin typ och värd. De innehåller oftast en origin of replication (ori) som styr när och hur ofta replikation sker, samt gener som kontrollerar kopieantalet och stabiliteten i cellen.

Termen plasmid introducerades för första gången av den amerikanske molekylärbiologen Joshua Lederberg 1952. Lederbergs arbete på bakteriegenetik bidrog till förståelsen av hur genetiskt material kan överföras mellan bakterier, och hur extrakromosomala element påverkar ärftlighet och anpassning.

Plasmider är dubbelsträngade och i många fall cirkulära. Plasmider förekommer vanligen naturligt i bakterier, men finns ibland i eukaryota organismer (t.ex. 2-mikrometerringen i Saccharomyces cerevisiae). De varierar i storlek från några kb till stora megaplasmider och i antal per cell — från enstaka kopior (low-copy) till hundratals kopior (high-copy).

Plasmidstorleken varierar från 1 till över 1 000 kilobaspar (kbp). Antalet identiska plasmider i en enskild cell kan variera från en till tusentals. Plasmider är ofta förknippade med konjugering, en mekanism för horisontell genöverföring. Vissa plasmider är konjugativa — de bär gener (t.ex. tra‑gener) som bygger en sexpilus och möjliggör direkt överföring till en annan cell — medan andra är mobiliserbara eller inte kan överföras av sig själva.

Plasmider är överförbara genetiska element, eller "replikoner", som kan kopiera sig själva oberoende av varandra i en lämplig värd. Plasmider finns i alla tre stora områden, Archaea, Bacteria och Eukarya. I likhet med virus betraktas plasmider inte som en form av "liv" enligt den nuvarande definitionen. Till skillnad från virus är plasmider "naket" DNA och kodar inte för de gener som krävs för att hölja det genetiska materialet för överföring till en ny värd.

Plasmidöverföring från värd till värd kräver direkt mekanisk överföring genom konjugering eller förändringar i värdets genuttryck som gör det möjligt att avsiktligt ta upp det genetiska elementet genom transformation. I laboratoriemiljö används också tekniker som kemisk kompetent behandling (t.ex. CaCl2) och elektroporering för att introducera plasmider i bakterie- eller jästceller.

Mikrobiell transformation med plasmid-DNA är varken parasitär eller symbiotisk till sin natur, eftersom båda innebär att det finns en oberoende art som lever i ett kommensalt eller skadligt tillstånd tillsammans med värdorganismen. Plasmider är snarare en mekanism för horisontell genöverföring inom en population av mikrober och kan ge en selektiv fördel i en viss miljö.

Plasmider kan bära gener som ger resistens mot naturligt förekommande antibiotika i en konkurrensutsatt miljö nisch, eller så kan de producerade proteinerna fungera som toxiner under liknande omständigheter. Plasmider kan också ge bakterier en förmåga att fixera elementärt kväve eller att bryta ned svåra organiska föreningar. Detta kan ge en fördel vid näringsbrist.

Funktionella och molekylära egenskaper
- Replicon och ori: Plasmiders replikation styrs av en origin (ori) och ofta specifika rep‑proteiner.
- Kopieantal: Regleras av kontrollsystem som RNA-medierad hämning eller proteinsignaler; påverkar plasmidens stabilitet och uttrycksnivåer.
- Stabilitetssystem: Vissa plasmider har partitioneringssystem (par) som fördelar kopior till dotterceller och toxin‑antitoxin‑system (s.k. "addiction systems") som gör att celler som förlorar plasmiden dör eller växer dåligt, vilket upprätthåller plasmiden i populationen.
- Inkompatibilitetsgrupper: Plasmider som använder samma kontrollmekanismer kan inte samexistera stabilt i samma cell och klassificeras i inkompatibilitetsgrupper (Inc-grupper).

Typer av plasmider
- Konjugativa plasmider: Bär tra‑gener för byggande av pilus och överföring.
- Mobiliserbara plasmider: Kräver hjälp av konjugativa plasmider för överföring.
- R-plasmider: Bär gener för antibiotikaresistens och är centrala för spridningen av resistens i kliniska miljöer.
- Virulensplasmider: Bär gener som ökar värdorganismens förmåga att orsaka sjukdom.
- Konstruktionsplasmider för laboratoriebruk: Designade för kloning, proteinuttryck och genmodifiering (t.ex. plasmider som pBR322, pUC‑serien i historiskt sammanhang).

Betydelse för hälsa, miljö och bioteknik
- Antibiotikaresistens: Plasmider är en huvudväg för spridning av antibiotikaresistens mellan bakterier, vilket är ett allvarligt folkhälsoproblem globalt.
- Bioremediering och metabolism: Plasmider kan bära gener för nedbrytning av föroreningar eller för alternativa metaboliska vägar som hjälper bakterier att överleva i extrema nischer.
- Bioteknik och forskning: Plasmider är grundläggande verktyg inom molekylärbiologi för kloning, uttryck av proteiner, konstruktion av genetiska kretsar och leverans av genetiskt material i experiment och industriell produktion. De används även som vektorer i utvecklingen av DNA‑vacciner och i CRISPR‑baserade system.

Kontroll och övervakning
I medicinska och jordbruks-sammanhang övervakas plasmidmedierad resistens och virulens noggrant. Metoder för att "bota" bakterier från plasmider (plasmid curing) kan inkludera behandlingar med ämnen som påverkar replikationen eller upprepad odling utan selektion. Förebyggande strategier mot spridning innefattar god antibiotikapraxis, desinfektion, screening och övervakningsprogram.

Sammanfattningsvis är plasmider små, självständigt replikande DNA‑molekyler med stor betydelse för bakteriell evolution, spridning av funktionella gener och moderna biotekniska metoder. Deras förmåga att snabbt överföra gener inom och mellan arter gör dem både till ett kraftfullt verktyg i laboratoriet och till en nyckelfaktor i frågor om antibiotikaresistens och mikrobiell anpassning i naturen.