Генетика микроорганизмов

Генетика — наука об изменчивости и наследственнос­ти организмов. Основателем учения об изменчивости и наслед­ственности является Ч. Дарвин, доказавший в 1859 году, что все существующие виды растений и животных произошли из немно­гих исходных форм в результате изменчивости.

В 1906-1907 годах М. Нейссер и Р. Манссини описали появ­ление «дочерних» колоний кишечной палочки, в отличие от мате­ринской не ферментировавших лактозу. В настоящее время цен­тральное место в генетике микроорганизмов по-прежнему занимает интенсивное изучение кишечной палочки (Еscherihiа соli) и ее многочисленных вирусов-паразитов. Новым направлением в ге­нетике микроорганизмов является генная инженерия, с помощью которой можно в определенной степени управлять наследствен­ностью микроорганизмов.

Явление наследственности связано со спецификой молекул ДНК, которые программируют процессы индивидуального разви­тия особей бактерий. У высших растительных и животных организмов

вся генетическая информация заложена в ядре, содержащем полный набор хромосом. Аналог ядра у бактерий представлен нуклеоидом, состоящим из одной уложенной или развернутой молекулыДНК. Генетический материал бактерий представлен ДНК, в молекулах которой закодирована информация о структуре клеточных белков. Двунитевая молекула ДНК-хромосомы бактерии кишечной палочки состоит из 1,7×10⁷ нуклеотидных пар. Ее молекулярная масса составляет примерно 3 % сухой массы клетки бактерий. Единицей наследственности является ген, представляющий собой участокДНК, в котором зашифрована последовательность аминокислот в полипептидной цепи, харак­теризующий отдельный признак особи. В отличие от растений и животных бактерии преимущественно являются гаплоидными — содержат одинарный набор генов и совмещают функции гаметы и особи. Синтез каждого фермента, или более точно полипептидной цепи контролируется отдельным геном генома. Если в геноме бактерии отсутствует ген данного фермента, этот фермент не может быть синтезирован. ДНК представляет собой длинный полимер-полинуклеотид. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания — аденина, гуанина; цитозина или тимина и остатка сахара дезоксирибозы и фосфатной группы, с помощью которых нуклеотиды соединяются между собой.

Генетический код составляет особая последовательность нук-

леотидов на определенном участке ДНК. Последовательность ос- нований в ДНК характеризует собой структурную единицу — кодон, который кодирует каждую из 20 аминокислот, входящих в состав белков.

Генотип — это комплекс генов, наследственно переданный особи материнской клеткой. Комплекс внешних и внутренних при­знаков бактерий, таких как форма, размеры, окраска, химический состав, биохимические и микроскопические особенности соот­ветствуют фенотипу, то есть внешнему проявлению генотипа. Про­цесс синтеза белка, закодированный в молекулах ДНК, осущес­твляется в несколько этапов и требует участия трех типов РНК:

информационной (матричной) — и-РНК; транспортной — т-РНК;

рибосомальной — р-РНК. Информационная РНК образуется при помощи специфического фермента РНК-полимеразы на матри­це молекулы ДНК. При этом генетическая информация, опреде­ляемая типом последовательности чередования нуклеотидов, ко­пируется в молекуле и-РНК. Этот этап передачи информации называется транскрипцией.

Информационная РНК направляется к рибосомам, находящим­ся в цитоплазме. У всех живых организмов рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиды, содержащие 63 % РНК и 37 % белка. Лучше других рибосомы изучены у кишечной палочки. Метабо­лически активные рибосомы Е. соli имеют константу седимента-

ции 70S. В среде, содержащей двухвалентные ионы, они обрати­мо диссоциируют на составляющие 50S и 30S субъединиц. Рибосомы бактерий содержат три типа собственной рибосомальной РНК: 5S; 16S; 26S. Кроме РНК субъединицы рибосом имеют ин­дивидуальные белки. Предполагают, что белки выполняют функ­ции формирования структуры рибосом и центров связывания ак­тивизированных аминокислот, а также обеспечивают правильность считывания матрицы.

Перевод четырехбуквенного (А, Т, Г, Ц) языка нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) на язык протеинов называется трансляцией.

Реализация наследственной информации происходит в опре­деленных условиях внешней среды. Различия в условиях среды накладывают свой отпечаток на развитие особей бактерий. Поэ­тому развитие бактерий необходимо рассматривать как следствие действия двух важнейших факторов — действия генотипа; влия­ния на особь факторов среды. Под влиянием физических, хими­ческих и биологических воздействий некоторые микроорганиз­мы могут изменять свои морфологические признаки, принимая форму больших шаров, утолщенных нитей, колбовидных обра­зований, ветвлений и т. д. Явление морфологических изменений у микробов Н. Ф. Гамалея назвал гетероморфизмом. Гетеромор­физм легко возникает под влиянием солей лития, а также фага, кофеина, сульфаниламидов, антибиотиков, различных излучений, действия магнитных полей и других факторов. Любое изменение морфологических признаков, как правило, сопровождается изме­нением и физических свойств. Например, при посеве на плотную питательную среду чистой культуры образуются колонии двух ос­новных типов: гладкие — S-формы (от англ. smoth — гладкий); шероховатые — R-формы (от англ. rough — шероховатый). Такого рода изменчивость получила название диссоциации.

Изменчивость бактерий затрагивает и их потребности в мета­болитах. Под влиянием антибиотиков, химических веществ, ульт­рафиолетового облучения у некоторых микробов появляется пот­ребность в витаминах, аминокислотах, факторах роста, в которых не нуждались исходные штаммы. Таким образом, в отличие от исходных прототрофов эти микроорганизмы превращаются в ауксотрофов.

Под действием некоторых веществ могут изменяться фер­ментативные свойства бактерий. Индукцию биосинтеза фермента -галактозидазы у Е.соП можно воспроизвести культивировани­ем этой бактерии в присутствии лактозы.

Очень важным моментом является то, что под влиянием раз­личных факторов изменяется степень патогенности у болезнетвор­ных микробов.

В 1881 году Л. Пастер разработал метод получения живой вакцины против сибирской язвы. В течение 12—24 дней культи-

вирования сибиреязвенной бациллы при повышенной темпера­туре (42—43 °С) микробы потеряли способность вызывать забо­левание у животных при подкожном введении, сохранив при этом иммуногенные свойства. Используя этот пастеровский принцип, в 1883 году Л. С. Ценковский создал живую противосибиреязвенную вакцину, состоящую из взвеси спор ослабленных сиби­реязвенных бактерий.

В 1885 году Л. Пастер изменил свойства возбудителя бешен­ства путем проведения 133 последовательных пассажей через мозг кроликов. При подкожном введении вирус оказался безвредным и в то же время способным предупреждать возникновение заболе­вания у людей, укушенных бешеными животными.

Ослабленный штамм микобактерий туберкулеза бычьего вида был получен во Франции в 1919 году А. Кальметтом, Ш. Гереном путем длительного пассирования на картофельной среде с желчью и глицерином при температуре 38°С в течение 13 лет через каждые 14 дней. Полученный штамм был назван вакциной БЦЖ (ВСG — от фр. Васilе Са1mеtte-Guеrin), которую применяют для прививок против туберкулеза.

Изменчивость микроорганизмов, возникающая под действи­ем факторов внешней или внутренней среды, которая не сопро­вождается изменением структуры генотипа называется ненаслед­ственной фенотипической изменчивостью. Например, культура кишечной палочки на среде с рициноолеатом натрия растет в виде длинных нитей, а при добавлении хлорида кальция клетки стано­вятся очень короткими. Глицерин и аланин обусловливают поли­морфизм у холерных вибрионов.

В процессе снижения степени патогенности микроорганиз­мов — аттенуации происходят наследственные генотипические изменения химического состава бактерий. У микобактерий тубер­кулеза уменьшается содержание липидов, у возбудителя чумы — белка, у туляремийных бактерий и бруцелл — снижение способ­ности липидов к комплексообразованию.

При воздействии пенициллином, химическими веществами или иммунными сыворотками на стафилококки, микобактерии тубер­кулеза и многие другие бактерии возникают L-формы бактерий, у которых нарушается синтез клеточной стенки. Микробная клетка превращается в большой шар с вакуолями, гранулами, зернистостью.