Изменчивость микроорганизмов

Тема: Изменчивость и наследственность микроорганизмов

Как и весь мир живых организмов, микробы в процессе эволюции постоянно изменяют свои свойства.

Простота строения, быстро протекающие жизненные процессы и быстрая сменяемость поколений являются причинами высокой приспособляемости (адаптации) и изменчивости микроорганизмов.

Приспособление к различным факторам у микроорганизмов протекает неодинаково. Адаптация, например, к изменениям температуры, особенно повышенной, происходит медленнее, чем к использованию новых источников питания.

Способность микроорганизмов сравнительно легко приобретать новые свойства используется в практике для получения особо ценных, высокопродуктивных их разновидностей (штаммов), применяемых в пищевой промышленности, производстве медицинских препаратов и для других целей.

Путем селекции, т. е. многократного отбора, получены штаммы спиртоустойчивых дрожжей и кисло-устойчивых уксусно-кислых бактерий.

В результате неоднократно повторенного отбора выделены улучшенные расы дрожжей, применяемые в производстве шампанских вин. Путем направленного изменения свойств получены авирулентные (неспособные вызывать заболевание) расы многих болезнетворных бактерий — сибиреязвенных бацилл, чумной палочки, бруцеллеза и др. Такие штаммы используются для производства вакцин.

Согласно теории, объясняющей механизм наследования признаков, сформулированной в середине прошлого века И. Г. Менделем, в клетках живых организмов находятся особые наследственные задатки, или факторы. С ними новым поколениям передается вся наследственная информация о программе развития от родительского организма.

Установлено, что первичная наследственная информация сосредоточена в особых структурных элементах ядра клетки — хромосомах.

Главной составной частью хромосом является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК всех организмов содержит всего четыре нуклеотида, образованных соответствующими азотистыми основаниями — аденином (А), гуанином (Г), тимином (Т) и цитозином (Ц). Нуклеотиды, помимо азотистого основания, содержат дезоксирибозу (сахар) и остатки фосфорной кислоты. Повторяясь множество раз и в разной последователь­ности, они образуют бессчетное количество различных сочетаний в молекуле ДНК. Эти особенности структуры ДНК и являются шифром, с помощью которого закодированы свойства и признаки каждого организма.

ДНК построена в виде двух цепочек нуклеотидов, спирально закрученных навстречу одна другой и соединенных через пары нуклеотидов. Строение ДНК принято сравнивать со спиральной лестницей. Молекулы ДНК очень велики, в их состав входят тысячи и даже миллионы нуклеотидов. Молекулярный вес ДНК бактерий достигает 5000000-8000000. Отдельные участки цепочки ДНК, или так называемые гены, ответственны за то или иное конкретное свойство, признак организма.

В процессе размножения организмов двойная спираль ДНК расщепляется, и на каждой половинке «лестницы» достраивается точная копия отщепившейся части. Так удваивается набор ДНК. Половина набора, т. е. уже целая молекула ДНК, попадает во вновь образовавшуюся клетку и обеспечивает ее соответствующее развитие, строение, свойства.

Помимо селекции, возникновение измененных форм микроорганизмов может происходить путем мутации, адаптации и диссоциации.

Мутация — это изменение в химической структуре того или иного участка хромосом (гена) и возникшие в связи с этим изменения свойств организма, наступающие внезапно. Иногда под мутацией понимают любое изменение в наследственном механизме клетки.

Мутации микроорганизмов могут происходить естественным путем и вызываться искусственно, с помощью, например, химических воздействий, ультрафиолетового и рентгеновского облучений, действия хлористого марганца, перекисей, минеральных масел. В результате таких воздействий на клетки у некоторых из них возникают повреждения, перестановки отдельных нуклеотидов в цепочке ДНК и др.

При одном и том же воздействии мутанты, т. е. клетки с измененной наследственностью, могут оказаться с совершенно различными свойствами. В большинстве случаев приобретенные мутантами свойства невыгодны для самих микробов и не нужны человеку. Но среди множества мутантов могут находиться особи с более полезными в хозяйственном отношении свойствами, чем у исходных форм.

Наиболее перспективным методом для получения мутантов и последующего выделения полезных форм является радиационная и химическая обработка. Так, облучением гриба пенициллиум удалось получить полезные мутанты, которые в 50-100 раз активнее образуют пенициллин по сравнению с исходными формами.

В сотни раз более активные мутанты, чем исходные формы, используются в производстве глутаминовой кислоты. С помощью мутантных микроорганизмов в значительных количествах получают также аминокислоту лизин.

Адаптация — это приспособление микроорганизмов к новым условиям во внешней среде, к появлению в ней иных источников питания, антибиотиков и т. д.

Среди множества клеток, обитающих в том или ином субстрате, в результате неожиданных, постоянно происходящих мутаций могут оказаться отдельные клетки с повышенной способностью воспринять эти новые условия. Частота их появления оценивается как 1:10⁷. Размножаясь в благоприятных для них условиях быстрее остальных, они со временем становятся преобладающими, составляя основную массу по численности, или даже полностью замещают исходную культуру.

Таким образом, адаптация представляет собой сочетание мутаций с последующим отбором.

Диссоциация заключается в расщеплении культур микроорганизмов при выращивании в лабораториях на несколько типов, отличающихся внешними особенностями колоний.

С внешними отличиями связаны и некоторые отличительные физиологические свойства.

Большой интерес представляет изучение механизма изменчивости и наследования приобретенных признаков, последовательности расположения в молекуле ДНК участков, ответственных за те или иные признаки, свойства. Знания в этой области имеют большое теоретическое значение, а в перспективе могут дать возможность целенаправленного формирования новых разновидностей и форм микроорганизмов с необходимыми свойствами.

Изменчивость микроорганизмов

Изменчивость свойственна всем микроорганизмам.

Исследованиями в области генетики была установлена генетическая роль ДНК, расшифрованы структура гена и генетического кода, механизм репликации ДНК и регуляции синтеза белка у прокариотов, выяснены закономерности мутагенеза и репликаций поврежденных участков ДНК.

Изучение наследственности и изменчивости микроорганизмов показало, что изменяться могут любые свойства микробной клетки: резистентность к различным факторам, морфологические, культуральные, биохимические, вирулентные, антигенные, токсигенные и др. (примером тому могут служить вакцины).

Факторы, вызывающие эту изменчивость, разнообразны. К ним относятся состав питательной среды, рН окружающей среды, концентрация минеральных солей, температура, ультрафиолетовые лучи, действие фагов, лекарственных и дезинфицирующих препаратов, различные химические соединения, ультразвук, ионизирующая радиация и многое другое.

Успехи в развитии генетики микроорганизмов показали, что основные законы наследственности и изменчивости одинаковы по своей сути для всех живых организмов и имеют единую материальную основу. Микроорганизмы в силу скорости размножения и гаплоидности являются удобной моделью для изучения закономерностей изменчивости.

Генетические исследования, проводимые в медицинской микробиологии, направлены на разработку методов управления жизнедеятельностью микроорганизмов и получении мутантов, полезных для человека (получение вакцин, продуцентов антибиотиков, аминокислот, кормового белка и пр.).

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий, вирусов, простейших, дейтеромицетов и пр., является ДНК. Исключение составляют только РНК – содержащие вирусы, у которых генетическая информация записана в РНК.