Генетика микроорганизмов Наука изучающая наследственность и изменчивость

Генетика микроорганизмов

Наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов, называется генетикой (от греч. genos— рождение). Ее задача-изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, выявление механизмов, обеспечивающих наследование.

Первым объектом генетических исследований была кишечная палочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культуральные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бак терии, а также вирусы.

Исследования генетики микроорганизмов показали, что у них роль носителя генетической информации играет ДНК (у некоторых вирусов РНК). Молекула ДНК в бактериях состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки нитчатая спираль удваивается— каждая из нитей служит как бы шаблоном или матрицей, на которой строится новая нить. При этом каждая нить, возникшая в процессе деления клеток, содержит вновь образовавшуюся двунитчатую молекулу ДНК.

В состав ДНК входят четыре азотистых основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин, порядок расположения в цепи у разных организмов определяет их наследственную информацию, закодированную в ДНК. Функциональной единицей наследственности является ген, который представляет собой участок нити ДНК. В генах записана вся информация, касающаяся свойств клетки.

Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям. Изменения морфологических, культуральных, биохимических и других свойств микроорганизмов, возникающие под действием внешних факторов, взаимосвязаны. Например, изменения морфологических свойств сопровождаются обычно изменениями физиологических особенностей клетки.

В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости — диссоциация. Этот вид изменчивости был описан П. де Крюи и Дж. Аркрайтом и выражается в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделение колоний на два типа: гладкие, круглые, блестящие колонии с ровными краями — S-форма (от англ. smooth — гладкий), и плоские, непрозрачные колонии неправильной формы, с неровными краями — R-форма (от англ. rough— шероховатый). Существуют также переходные формы: М-формы (слизистые) и g-формы (карликовые). небольшие, слегка уплощенные (Rформа) или влажные выпуклые (S-форма) колоний.

Характеристика S- и R-форм колоний 1. • • S форма Колонии гладкие, блестящие, правильной выпуклой "формы При росте в бульоне — равномерная муть У подвижных бактерий имеются жгутики У капсульных бактерий имеется капсула Биохимически активны Болезнетворны Выделяются чаще в остром периоде заболевания 2. • • R форма Колонии неправильной формы, мутные, шероховатые Растут в бульоне в виде осадка У подвижных бактерий жгутики могут отсутствовать Капсулы отсутствуют Биохимические свойства выражены слабо Большинство бактерий менее болезнетворны Выделяются обычно при хронической форме заболевания

Наследственность и изменчивость Способность живых организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений называется наследственностью. В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое после дующее поколение под влиянием различных факторов может приобре тать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется изменчивостью. Таким образом, наследственность и изменчивость тесно связаны между собой. Изучение наследственности и изменчивости у высших организмов связано с большими трудностями из-за большой продолжительности их жизни и немногочисленности потомства. Удобным объектом для этого изучения являются микроорганизмы, для которых характерен короткий жизненный цикл, быстрое размножение и способность давать многочисленное потомство. Кроме того, они обладают выраженной морфологией, которую можно изучать визуально при помощи светового микроскопа. Микроорганизмы биохимически активны, что легко учи тывать при использовании специальных питательных сред.

У бактерий различают фенотипическую, генотипическую и рекомбинационную изменчивости.

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ (МОДИФИКАЦИЯ) Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у микроорганизмов называется фенотипом. Сходные по генотипу микроорганизмы могут отличаться существенно по фенотипу, то есть по способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами одинаковыми по генотипу, называются модификациями. Модификация микроорганизмов возникает как ответ клетки на неблагоприятные условия ее существования. Это адаптивная реакция на внешние раздражители. Модификация может касаться разных свойств микроорганизмов — морфологических, культуральных, биохимических, биологических и др. 1. Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. 2. Культуральная модификация состоит в измене нии культуральных свойств бактерий при изменении соста ва питательной среды.

3. Биохимическая (ферментативная) модифи кация. Каждый вид бактерий имеет определенный набор ферментов, благодаря которым они усваивают питательные вещества. Эти ферменты вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены генотипом. В процессе жизнедеятельности бактерий обычно функционируют не все гены, ответственные за синтез соответствующих ферментов. В геноме бактерий всегда имеются запасные возможности, т. е. гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. 4. Изменения биологических свойств. Пастер в 1880 г показал что патогенная культура возбудителя холеры кур после длительного термостатирования теряла патогенные свойства, но обладала иммуногенными свойствами. Он получил вакцину против сибирской язвы коров. Примеров можно привести много.

ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ (НАСЛЕДУЕМАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций. Мутации (от лат. mutatio — изменять) — это передаваемые по наследству структурные изменения генов. • Крупные мутации (геномные перестройки) сопровождаются выпадением или изменением относительно крупных участков генома — такие мутации, как правило, необратимы. • Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать). • Биологические мутации у ряда микроорганизмов под влиянием факторов внешней среды может изменяться степень их патогенности.

4. • Бактериальные мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т. е. без вмешательства экспериментатора. • Индуцированные (направленные) мутации появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими веществами, излучением, температурой и др. )

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганиз мов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

РЕКОМБИНАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Это изменчивость при которой в результате генетического обмена между двумя клетками, различающимися между собой по ряду признаков образуются рекомбинанты бактерии обладающие свойствами обоих родителей или смешанное потомство. Рекомбинационная изменчивость отличается от полового процесса эукариотов тем, что истинного смешения не происходит, а осуществляется либо перенос фрагментов ДНК, либо всей молекулы. У бактерий рекомбинация происходит тремя способами: 1. Трансформация – преобразование, перестройка. Изменение генома бактерии реципиента путем поглощения из среды свободного фрагмента ДНК клетки донора. Впервые это явление наблюдал Гриффитс у культуры пневмококков. При посеве на питательные среды патогенные пневмококки дают колонии трех типов: S гладкие – патогенные с капсулой R шероховатые – не патогенные без капсулы М слизистые – среднепатогенные капсульные Такая изменчивость микроорганизмов при которой происходит расщепление признаков называется диссоциацией.

Гриффитс ввел одновременно мышам две культуры бактерий – пневмококков S форму – патогенную с капсулой и R форму – не патогенную без капсулы. Из крови погибших мышей были выделены патогенные с капсулой бактерии нового типа. Это означало, что убитые нагреванием клетки передали наследственную информацию к образованию капсул непатогенному безкапсульному. Сократившийся участок ДНК, отвечающий за образования капсулы и патогенность покоя из погибшей клетки в среду 1) Адсорбировался на поверхности другой живой клетки пневмококк R формы. 2) Проник в клетку донор 3) Произошло спаривание внедрившегося участка ДНК 4) Изменение нуклеотида в последующее деление клетки Путем трансформации могут предаваться такие признаки, как: • синтез капсульного полисахарида • Устойчивость к антипатогенам • Синтез различных ферментов

2. Трансдукция – процесс передачи фрагмента ДНК от клетки донора к клетке реципиенту при помощи умеренных бактериофагов. Размножаясь в бактериальной клетке бактериофаг включает в состав своей ДНК часть молекулы ДНК хозеина, а затем передает ее клетке реципиенту, которая преобритает новое свойство. Различают общую, специфическую и абортивную трансдукцию. При общей трансдукции фаг пассивно захватывает в свою головку фрагмент бактериальной ДНК приносит в клетку реципиент, при этом последующая получает признаки – один или сразу несколько. При специфической трансдукции происходит перенос только одного гена – одного признака, при этом бактериофаг соединяется только с определенным участком ДНК бактериальной клетки, имеет определенную точку прикосновения на хромосоме. При абортивной трансдукции в результате переноса участка ДНК донора бактериофагом в клетку реципиент включения в геном последней не происходит, а значит и не проявляется нового признака.

3. Коньюгация – передача генетического материала донорской клеткой к клетке реципиенту при непосредственном контакте, которое происходит в определенном направлении и совершается с определенной частотой. К – это промежуток времени, непосредственного контакта двух клеток, в результате которого происходит односторонний перенос генетического материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Дж. Ледерберг и Э. Тейтум показали, что при культивировании двух штаммов, отличающихся рядом признаков, например, синтезом определенных аминокислот, обозначенными буквами ABCD и символами + да, способны синтезировать, - нет, не способны синтезировать. При этом I штамм - A+ B+ C- DII штамм - A- B- C+ D+ Способность к коньюгации связана с наличием у бактериальной клетки полового фактора F внехромосомной автономной детерминанты. Коньюгирующие клетки соединяются через коньюгированный мостик, образованный половой ворсинкой F пили донорской клетки. Перенос осуществляется от донорской F+ мужской к реципиентной F- женской. Коньюгация совершается в определенной последовательности в течении 30 -90 минут и может происходить между клетками не только одного вида, но и разных в результате этого получаются рекомбинанты межвидовые.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ Еще Пастер искусственным путем получил необратимые изменения у возбудителей бешенства, сибирской язвы и приготовил вакцины, предохраняющие от этих заболеваний. В дальнейшем исследования в области генетики и изменчивости микроорганизмов позволили получить большое число бактериальных и вирусных штаммов, используемых для получения вакцин. Результаты исследования генетики микроорганизмов с успехом были использованы для выяснения закономерностей наследственности высших организмов. Большое научное и практическое значение имеет также новый раздел генетики — генная инженерия. Методы генной инженерии позволяют изменять структуру генов и включать в хромосому бактерий гены других организмов, ответственных за синтез важных и нужных веществ.

Знаменитый эксперимент Гриффитса Знаменитый эксперимент Гриффита был выполнен с целью разработки вакцины от пневмонии — обычного осложнения во время пандемии испанки, унесшей больше жизней, чем мировая война. Гриффит работал с двумя штаммами бактерии Streptococcus pneumoniae. Штамм, колонии которого на чашках с агаром были гладкими (S штамм), имел полисахаридную капсулу и был вирулентным, вызывая у подопытных мышей пневмонию, убивавшую их за 1 2 дня. Капсула предохраняла бактерии от воздействия иммунной системы больного. Колонии второго штамма имели неровную поверхность (R штамм) и не вызывали пневмонию, поскольку не имели капсулы, и после введении в кровоток мыши бактерии погибали. Бактерии S штамма, убитые кипячением, также не вызывали заболевания. Но когда Гриффит смешивал убитый S штамм с живым R штаммом и вводил смесь мышам, животные погибали.

Когда Гриффит выделил болезнетворные бактерии из погибших мышей, он обнаружил, что R штамм приобрел капсулу, т. е. превратился в вирулентный S штамм и сохранял новоприобретенный фенотип во многих поколениях, т. е. передавал его по наследству. Гриффит предположил, что превращение осуществил некий «трансформирующий фактор» , который R штамм получил от убитых бактерий S штамма.

Спасибо за внимание!