Генетика мікроорганізмів - мікробіологія з технікою мікробіологічних досліджень
Відео: Костянтин Северинов. Від Ламарка до Дарвіна і назад: генетична мінливість у бактерій
Наука про спадковість і мінливість мікроорганізмів - є один з найцікавіших і практично важливих розділів мікробіології.
Проблема мінливості мікробів не нова. Вона займала розуми основоположників медичної мікробіології Л. Пастера, Р. Коха, І. І. Мечникова та ін. В той час як генетика мікроорганізмів почала розвиватися тільки в 40-х роках нашого століття. Цьому сприяли великі досягнення у вивченні хімії нуклеїнових кислот та їх ролі як носіїв спадкової інформації. На моделі мікроорганізмів і були вивчені такі важливі питання загальної біології як визначення біохімічної природи носіїв спадковості і структура генів.
Мінливість і спадковість нерозривно пов`язані між собою і разом з селекцією (відбором) є рушійною силою еволюційного процесу.
Спадковість мікроорганізмів. У розділі «Будова бактерій» вказувалося, що ядра у бактерій (нуклеоїди або хромосоми) за хімічним складом і функціональними властивостями нагадують ядра тварин і рослинних клітин. Генетичну організацію бактеріальної хромосоми встановили, вивчивши механізми обміну генетичним матеріалом між двома бактеріальними клітинами.
Розрізняють такі механізми обміну генетичним матеріалом: трансформацію, трансдукцію і кон`югацію.
Трансформація (перетворення) -це зміна властивостей одного мікроорганізму під дією ДНК іншого. У трансформації приймай ^ участь: бактерія-донор, як джерело ДНК, і бактерія - реципієнт, що сприймає ДНК донора. При трансформації відбувається передача невеликих відрізків ДНК від бактерії - донора до бактерії - реципієнту.
Це явище вперше описав Гріффітс в 1928 р Він заражав мишей невеликими дозами авірулентние і позбавленого капсули пневмокока II типу спільно з убитої нагріванням культурою патогенного, капсульного пневмокока III типу. Миші гинули, і з їх органів виділявся з глибокими змінами пневмокок II типу: він придбав вірулентність і капсулу, властиві пневмококи III типу.
У 1944 р Евері, Мак Леод і Мак Карта отримали з культури пневмокока III типу шляхом спеціальної хімічної обробки, особлива речовина з високою, в`язкістю, яке в дуже невеликій кількості обумовлює перехід культури пневмокока будь-якого типу в пневмокок III типу. Цією речовиною виявилася дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Потім билоустановлено, що ДНК має трансформує дію не тільки відносно передачі тіпоспеціфічності, а й інших ознак мікробів (морфологічних, резистентності і т. Д.). За допомогою трансформує ДНК була отримана мінливість і у менінгококу, палички інфлюенци, дизентерійної палички Флекснера і інших бактерій. Явище трансформації настає тільки за певних умов і особливих фізіологічних станах клітини (стан компетентності).
Тому трансформація виходить у невеликого числа клітин. У пневмококів вона виявляється в 2-5% у палички інфлюенци -в 0,01-0,5% випадків, Феномен трансформації дає можливість більш глибоко вивчати роль ДНК, як носія спадковості.
Трансдукція. При трансдукції бактеріофаги передають бактерії - реципієнту нові ознаки, переносячи їх від бактерії донора, т. Е. Фаг є переносником генетичних властивостей від однієї клітини іншої. Фаг може передавати здатність розкладати цукру, особливості обміну речовин, рухливість і інші властивості. Розрізняють специфічну трансдукцію, при якій передається одна ознака (генетично зчеплений t фагом) і неспецифічну, при якій має місце передача декількох зчеплених ознак. До трансдукції зазвичай здатний помірний фаг.
Вивчення процесу трансдукції показало, що хромосома складається з окремих одиниць спадковості, лінійно розташованих по довжині хромосоми.
Кон`югація - це статевий процес, який вперше спостерігали в 1946 р Д. Ледербергом і Е. Л. Татум у кишкової палички. Перенесення генетичного матеріалу при крн`югаціі від клітини донора в клітку-реципієнт відбувається через спеціальні Статеві ворсинки (F), які виявляються у клітин-донорів, які охоплюють F + (fertility - плодючість). При цьому клітина-реципієнт отримує нові властивості.
Усе. три явища (трансформація, трансдукція та кон`югація) дають можливість вивчати спадкову основу бактеріальної клітини-її генотип і поведінку клітини в зовнішньому середовищі - фенотипічні прояви генотипу.
Мінливість. Мінливість, як і спадковість, є біологічною особливістю всіх живих організмів. Притаманна вона і мікроорганізмам. Питання про характер цієї мінливості і про її граніцах- поставлений ще на зорі розвитку вчення про мікроорганізмах, в даний час не може вважатися цілком дозволеним.
За ступенем і глибині мінливість бактерій підрозділяється на мутационную і модификационную, фенотипічну, ненаследственную мінливість. Модифікаціями називають фенотипические неспадкові зміни, що виникають в результаті нерізких змін умов існування мікроорганізмів, які не впливають істотно на їх розвиток. Модифікаційних мінливість наростає поступово і повільно в міру впливу зовнішніх факторів. Вона нестійка, що проходить і у спадок не передається. Така форма мінливості зустрічається нерідко. Так, збудник чуми на звичайному агарі ростуть у вигляді невеликих паличок, а на агарі з підвищеною концентрацією повареної солі утворює великі кулясті форми, дуже довгі і товсті палички, мікробні «тіні» і т. Д.
Додавання до живильного середовища солей літію змінює морфологію холерного вібріона. У бактерій туберкульозу, збудника черевного тифу та інших мікробів описані так звані фільтрівні (авізуальние) форми, т. Е. Невидимі в звичайному мікроскопі і проходять через дрібнопористі бактеріальні фільтри. Спеціальними методами культивування на поживних середовищах або пасажем на лабораторних тваринах вдається з фільтруються форм отримати видимі форми відповідних бактерій.
Мутационная спадкова мінливість. Це така мінливість, яка передається у спадок, але не виходить за межі виду. Вона пов`язана зі змінами спадкової системи клітини, її генотипу.
Прикладом мутаційної мінливості можуть служити:
- ауксотрофності мікроорганізми (різновид прототрофов), втратили здатність самостійно синтезувати ряд життєво важливих речовин (амінокислоти, вітаміни та ін.) - 2) живі вакцини - ослаблені в своїй вірулентності штами туберкульозної палички, збудника чуми, бруцельозу, туляремії, вірусу віспи, сказу, поліомієліту та інших мікроорганізмів-3) лекарственноустойчівим форми мікроорганізмів.
Відео: Генетика # 2
Відповідно до теорії генних мутацій мінливість мікроорганізмів пояснюється як результат перекомбінації генів і генних мутацій (стрибкоподібних змін).
Мутації (від лат. Mutatio - зміни, зміна) носять випадковий, невизначений характер і не залежать від впливу зовнішнього середовища (спонтанні мутації). При спонтанних мутацій змінюється один будь-якої спадковий ознака, в рідкісних випадках - кілька. Причина спонтанних мутацій поки невідома. Крім спонтанних, зустрічаються і індуковані мутації, які виникають в результаті дії на мікробну клітину несприятливих факторів зовнішнього середовища (мутагенні фактори). До них відносяться ультрафіолетові і рентгенових промені, йод, перекис водню та ін.
Однією з форм мутаційної мінливості є мікробна дисоціація, по якій мінливість мікробів зводиться до зміни в межах виду і характеризується закономірним розщепленням вихідної культури на два типи колоній - гладкий (S) і шорсткий (R), що різко відрізняються один від одного (рис. 59) .
Мал. 59. Гладкі і шорсткі колонії при дисоціації.
Цей процес легко виявляється, якщо чисту культуру бактерій розсіяти по поверхні щільного поживного середовища в чашках- при цьому виростають два основних типи колоній: 1) круглі, вологі, прозорі, з блискучою гладкою поверхнею і рівним краєм, так звані гладкі, або S-форми (від англ. smooth - гладкий), і 2) неправильної форми, непрозорі, сухі колонії з зазубреними краями і зморшкуватою шорсткою поверхнею, так звані шорсткі, або R-форми (від англ. rough - шорсткий).
Мінливість мікробів в межах S- і R-форм є всебічної, починаючи з морфологічних і культуральних і закінчуючи серологічними, антигенними і патогенні властивості і пов`язана з мутаціями в генетичних областях хромосоми бактерій, що детермінують синтез О-антигену.
Перехід від S-форм до R-форм відбувається поступово, через проміжні О-форми, що схематично представляється в такий спосіб: S-О-R.
Крім зазначених типів колоній, в процесі дисоціації з`являються надзвичайно дрібні, так звані карликові колонії (g-колонії) і мукоїдні, або слизові, колонії М-форми.
Своєрідною формою мінливості мікроорганізмів є феномен освіти L-ф о р м бактерій, відкритий в 1935 р Л. Клінебергер і названий нею на честь Інституту імені Д. Лістера, де було зроблено це відкриття. L-форми характеризуються своєрідною морфологією: нормальні клітини під дією ряду факторів (антибіотиків, особливо пеніциліну, підвищених концентрацій солей, фага, антитіл та ін.) Перетворюються в великі кулясті і ниткоподібні структури, іноді розпадаються і перетворюються в зернисті елементи.
Освіта гігантських клітин обумовлено припиненням розмноження клітини при збереженні здатності до зростання. Зміна морфології бактерій супроводжується мінливістю культуральних і серологічних властивостей.
L-форми бактерій виділені з організму хворої людини (при септичному ендокардиті, ревматизмі).
При відповідних умовах культивування виділені L-форми можуть довго зберігати свою морфологію. У деяких випадках вони реверсируют, т. Е. Переходять у вихідну культуру.
Лікарська резистентність (стійкість) у бактерій може бути пов`язана з Епісоми (див. «Будова бактерій» стр. 20). До епісомним факторів належать також статевий фактор (F), бактеріоцини і профаг. Бактеріоцини - речовини, що виділяються деякими бактеріями, різко порушують метаболізм (обмін речовин) у кишкової палички, шигел, сальмонел та інших мікробів. Профаг - генетичні елементи, екзогенні по відношенню до бактеріальної клітці, яка може існувати і без них. Профаг можуть тривалий час зберігатися в клітинах і переходити з покоління в покоління мікробів. Під впливом профагов у бактерій змінюються морфологічні, культуральні, ферментативні і патогенні властивості. Така мінливість називається фагової конверсією.
Вивчення явищ мінливості уможливлює отримання нових видів мікроорганізмів, які з успіхом застосовуються в сільському господарстві, промисловості та медицині. Наприклад, отримані і впроваджені в практику нові удобрювати землю варіанти азотфіксуючих і інших мікробів, спеціальні культури дріжджів, що застосовуються в виноробстві, молочному виробництві та промисловості. Знання процесів мінливості дозволяє удосконалювати методи лабораторної діагностики, що має велике значення в практичній роботі мікробіолога.
