Генетика микроорганизмов




Скачати 115.19 Kb.
Дата конвертації21.04.2016
Розмір115.19 Kb.
Министерство здравоохранения Р.Б.
Пинский государственный медицинский колледж




Подготовили
студенты 21м.д. группы
Гук Сергей,
Ванюк Анна.


Пинск 2003.

ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

Способность живых организмов сохранять определен­ные признаки на протяжении многих поколений называет­ся наследственностью.

В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое после­дующее поколение под влиянием различных факторов может приобре­тать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется измен­чивостью. Таким образом, наследственность и из­менчи­вость тесно связаны между собой.

Наука, изучающая наследственность и изменчивость живых орга­низмов, называется генетикой (от греч. genos— рождение).

Еще в XIX веке Ч. Дарвин доказал, что все существу­ющие виды жи­вых организмов произошли путем изменчи­вости от немногих форм, а возникшие изменения, переда­ваемые по наследству, являются ос­новой эволюцион­ного процесса. Теория Дарвина получила высшую оценку у классиков марксизма-ленинизма. Ф. Энгельс рас­сматривал ее как одно и а величайших открытий XIX века.

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 учи­тывать при использо­вании специальных питательных сред.

Способность микроорганизмов изменять свои свойства при воздей­ствии различных факторов (температура, уль­трафиолетовое и рент­геновское излучение и др.) позволя­ет широко использовать их в ка­честве модели при изуче­нии наследственности и изменчивости.

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 бак­терии, 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).

Колонии, относящиеся к гладкой S-форме, могут при определенных ус­ловиях переходить в R-форму и обратно, однако переход R-формы в S-форму происходит труднее.

Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.

Характеристика S- и R-форм колоний

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

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
Болезнетворные бактерии чаще бывают в S-форме. Исключением яв­ляются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых бо­лезнетворной является R-форма (рис. 26),

Изменения, возникающие в бактериальных клетках могут быть нена­следуемые — фенотипическая изменчи­вость и наследуемые — генотипи­ческая изменчивость.

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ (МОДИФИКАЦИЯ)

Модификация микроорганизмов возникает как от­вет клетки на не­благоприятные условия ее существования. Это адаптивная реакция на внешние раздражители. Модификация не сопровождается измене­нием генотипа, в связи с чем возникшие в клетке изменения по наслед­ству не передаются. При восстановлении оптимальных ус­ловий воз­никшие изменения утрачиваются. Модификация может касаться раз­ных свойств микроорганизмов — морфологических, культуральных, биохимических и др.

Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недоста­ток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повы­шенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачива­ется и т. д. При дли­тельном росте бактерий в одной и той же среде возникает полимор­физм, обусловленный влияни­ем накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.

Культуральная модификация состоит в измене­нии культуральных свойств бактерий при изменении соста­ва питательной среды. Напри­мер, при недостатке кислоро­да у стафилококка утрачивается способ­ность образовы­вать пигмент. Чудесная палочка при комнатной температу­ре образует ярко-красный пигмент, но при 37 °С способ­ность образовывать этот пигмент утрачивается и т. д.

Биохимическая (ферментативная) модифи­кация. 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. Например, кишечная палочка, растущая на среде, не содержащей углевод лактозу, не вырабатывает фермент лактазу, но если пересеять ее на среду с лактозой, то она начинает вырабатывать этот фермент. Адаптивные ферменты позволяют приспособ­ляться к определенным условиям существования.

Таким образом, модификация — это способ приспособ­ления микроорганизма к условиям внешней среды, обеспе­чивающий им возможность расти и размножаться в измененных условиях. Приобретенные свойства не переда­ются по наследству, поэтому они не играют роли в эволюции, а способствуют в основном выживанию мик­робных популяций.

ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ (НАСЛЕДУЕМАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Генотипическая изменчивость может возникать в резуль­тате мутаций и генетических рекомбинаций.

Мутации (от лат. mutatioизменять) — 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).

Бактерии с измененными признаками называются му­тантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.

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 микроорганиз­мов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.

Генетические рекомбинации. Трансформация. Клет­ки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмиче­ской фазой роста.

Трансдукция — это перенос генетической информа­ции (ДНК) от бактерии донора к бактерии реципиенту при участии бактериофага. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее реци­пиенту. Различают три типа трансдукции: общую, специфи­ческую и абортивную.

1. Общая трансдукция — это передача различных генов, локализованных на разных участках бактериальной хромосомы. При этом бактерии доноры могут передать реципиенту разнообразные признаки и свойства— способность образовывать новые ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

2. Специфическая трансдукция — это передача фагом только некоторых специфических генов, локализо­ванных на специальных участках бактериальной хромосо­мы. В этом случае передаются только определенные •признаки и свойства.

3. Абортивная трансдукция — перенос фагом ка­кого-то одного фрагмента хромосомы донора. Обычно этот фрагмент не включается в хромосому клетки реципи­ента, а циркулирует в цитоплазме. При делении клетки реципиента этот фрагмент передается только одной из двух дочерних клеток, а второй клетке достается неизме­ненная хромосома реципиента.

С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, проду­цировать дополнительные ферменты, устойчивость к ле­карственным препаратам и т. д.

Конъюгация — это передача генетического матери­ала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток. Клетки, передающие генетический мате­риал, называются донорами, воспринимающие его — реципиентами. Этот процесс носит односторонний характер — от клетки донора к клетке реципиента.

Бактерии донора обозначаются F+ (мужской тип), а бактерии реципиента — F — (женский тип). При тесном сближении клеток F+ и F- между ними возникает цитоплазматический мостик. Образование мостика контро­лируется фактором F (от англ.Fertility— плодовитость). Этот фактор содержит гены, ответственные за образова­ние половых ворсинок (sex-pili). Функцию донора могут выполнять только те клетки, которые содержат фактор F. Клетки реципиента лишены этого фактора. При скрещива­нии фактор Р передается клеткой донора реципиенту. Получив фактор F, женская клетка сама становится донором (F+).

Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципи­ент получает неполную информацию, заключенную в ДНК.

Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий.

Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межви­довой.

ПЛАЗМИДЫ

Плазмиды — это сравнительно небольшие внехромо-сомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они распо­ложены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. В плазмидах содержится несколько генов, функционирующих независимо от генов, содержащихся в хромосомной

ДНК.

Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:

Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изме­нений, передающихся по наследству, например способ­ность образовывать токсин (см. трансдукцию).

F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации (см. конъ­югацию).

R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекар­ственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования пока­зали, что К-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.

К-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться при­чиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.

Бактериоциногенные факторы (col-факторы), которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (E.coli), в связи с чем названы колицинами. В дальней­шем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона — вибриоцины, стафилококков — стафилоцины и др.

Соl-фактор — это маленькая автономная плазмида, ко­торая детерминирует синтез белковых веществ, способ­ных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на по­верхности чувствительных клеток и вызывают нарушения метаболизма, что приводит клетку к гибели.

В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обра­ботка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцйрующих клеток увеличивается.

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. В результате микроорганизмы становятся продуцентами таких веществ, получение которых химическим путем представляет очень сложную, а иногда даже невозможную задачу. Этим путем в настоящее время получают такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон и др. При использовании мутагенных факторов и селекции были получены мутанты-продуценты антибиотиков, которые в 100—1000 раз активнее исходных.


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка