Формы изменчивости микроорганизмов.

Изменения и их форма в мире микроорганизмов могут быть разными и зависят от многих причин. Фенотипические изменения связаны с условиями среды, не наследуются, хотя и могут сохраняться длительное время. Генотипические изменения наследуются.

Фенотипические изменения.

К фенотипическим изменениям относят адаптацию и модификацию.

Адаптация — приспособление микроорганизмов к условиям среды.

В настоящее время это явление объясняется не изменением в микробной клетке, а развитием ранее измененных особей и гибелью неприспособленных, что установлено при действии на микробы антибиотиков. Приспособленные клетки размножаются, а остальные — погибают, т. е. происходит естественный отбор.

Модификация — изменение микроорганизмов под влиянием условий среды. Изменяются только фенотипические (внешние) признаки (форма, размеры, цвет колоний). Так, добавление в среду хлорида кальция приводит к укорочению клеток кишечной палочки. Если из среды удалить это вещество, они вновь принимают исходную форму. Добавление в среду глицерина и аланина вызывает полиморфизм у холерного вибриона. Модификация наблюдается в нормальных условиях жизни, это реакция на внешние раздражения, не связанные с нарушением физиологических процессов в организме. При длительных и сильных воздействиях на микробную клетку могут быть и более глубокие изменения: палочки принимают округлую форму и даже проходят через пористые фильтры.

Генотипические изменения.

Мутации - наследуемые изменения в последовательности отдельных нуклеотидов, которые приводят к появлению микробов с новыми свойствами. Такой ген кодирует белок, отличающийся от исходного по свойствам и функциям.

Термин мутация введен голландским ученым Хуго де Фризом, 1901) свойственны всем живым существам, в том числе и микроорганизмам.

Спонтанные мутации (без направленного воздействия) очень редки: примерно одна на 100 тыс. Они характеризуются изменением какого-нибудь одного признака и обычно стабильны.

Индуцированные, или мутагенные, мутации возникают вследствие воздействия факторов среды. Они встречаются сравнительно часто. Мутагены подразделяются на физические, химические и биологические. К физическим относят различного рода излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские, радиоактивные. Они вызывают повреждение генетического аппарата, изменение признаков, свойств микробов; к химическим — сильнодействующие вещества: отравляющие (иприт), лекарственные (йод, пероксид водорода), кислоты (азотистая) и др. Примером биологических мутагенов может быть ДНК. Так, при введении в клетки эмбриона дрозофилы некоторых видов онковирусов взрослые особи приобретают новые признаки: на голове возникают необычные выросты или углубления, иногда исчезают глаза. Отрезок вирусной ДНК, который встраивается в одну из хромосом дрозофилы, вызывает дифференцирование клеток, и, как результат, появляются морфологические и другие изменения.

Существуют крупные и мелкие (точечные) мутации. К крупным относятся мутации, которые характеризуются выпадением большого участка гена. Точечная мутация происходит внутри гена и представляет собой замену, вставку (дупликация), выпадение (деления) одной пары азотистых оснований ДНК. В результате точечных мутаций происходит наследственное изменение каких-либо свойств микробной клетки, которая, как правило, остается жизнеспособной.

Доказано мутагенное действие вирусов и живых вирусных вакцин на млекопитающих. Они повреждают наследственный аппарат не только соматических, но и половых клеток. Мутагенное действие вирусов особенно активно проявляется во время эпизоотии и эпидемий. Численность мутаций возрастает также при нарушении метаболизма и старении организма.

Для получения полезных признаков у микроорганизмов применяют самые различные мутагены. Таким методом выделены высокоактивные штаммы продуцентов антибиотиков и других веществ. После облучения продуцента пенициллина получены штаммы, которые по своей активности в десятки - сотни раз превосходят исходные. В сочетании с другими факторами и при создании оптимальных условий роста биосинтез повышался: пенициллина в 10 тыс. раз, витамина В2 (рибофлавина) в 20 тыс., витамина Bi₂ (цианкобаламина) в 50 тыс. раз.

Необходимо отметить, что после мутагенеза появляются не только полезные, но и вредные признаки. Микробов с полезными признаками бывает очень мало, а самое главное — для их определения приходится проделывать огромную работу: не только выделять тысячи штаммов в чистую культуру, но и изучать их свойства. Так, длительным и кропотливым трудом удалось во много раз повысить выход незаменимых аминокислот (лизин, глутаминовая). Действие радиоактивных веществ вызывает глубокие изменения в генетическом аппарате, но среди микробов появляются расы, устойчивые к ним.

Комбинативные изменения.

Комбинативные изменения появляются в результате трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация — это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, от клетки-донора к клетке-реципиенту. Впервые это явление установлено в 1928 г. английским микробиологом Ф Гриффитом.

Процесс трансформации может самопроизвольно происходить в природе у некоторых видов бактерий, чаще грамположительных, когда ДНК из погибших клеток захватывается реципиентными клетками.

Опыт Ф.Гриффита.

Мышам одновременно были введены две культуры пневмококков: непатогенная, лишенная капсулы (R-штамм) и патогенная культура с капсулой (S-штамм), убитая нагреванием. Все мыши погибли от пневмонии (воспаления легких). Из органов павших животных была выделена капсульная, вирулентная культура пневмококка. Почему так произошло, ни автор, ни другие исследователи в то время не могли объяснить. Культура убитого нагреванием капсульного пневмококка вызывала в организме трансформацию живых бескапсульных микробов, в результате чего у них появилась способность к образованию капсулы, что и обусловило патогенность.

В процессе трансформации различают пять стадий: первая - адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки; вторая — проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья — спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки; четвертая — включение участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры клетки-реципиента; пятая — дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

Трансформироваться могут устойчивость и чувствительность к антибиотикам, способность к синтезу ферментов и т. д. Трансформация признаков ДНК происходит только при определенных условиях и физиологических состояниях клетки, получивших название «состояние готовности». Оптимальная температура трансформации 29—32 °С. Высокая температура (80—100 °С), химические вещества (азотистая кислота), ультрафиолетовые излучения, фермент ДНК-аза приостанавливают трансформирующее действие ДНК. Таким образом, нуклеиновые кислоты — носители наследственной информации.

В настоящее время трансформация является основным методическим приемом в генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинантных штаммов с заданным геномом.

Конъюгация - передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент при непосредственном половом контакте клеток. Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной F-плазмиды (фертильности, плодовитости). Эта плазмида способна передаваться от донора к реципиенту, она кодирует синтез половых пилей, образующих конъюгационный мостик между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, по которому происходит передача плазмидной и клеточной ДНК. В результате такого переноса клетка-реципиент получает донорские свойства.

Трансдукция - передача бактериальной ДНК посредством бактериофага. В процессе репликации фага внутри бактерий фраг-_мент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в бактерию-реципиент во время фаговой инфекции.

Существуют два типа трансдукции: общая и специфическая. Общая трансдукция (неспецифическая} - перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. Специфическая трансдукция - перенос в клетку-реципиент строго определенного участка бактериальной ДНК донора.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое генетика? Каково ее определение как науки?

2. Дайте определение наследственности и изменчивости.

3. Что такое «ген», «генотип», «фенотип»?

4. Какую роль в клетке выполняют структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы?

5. Чем характеризуются мутации? Какими они бывают?

6. Какова роль комбинативных (рекомбинантных) изменений в передаче наследственных признаков?

7. Что такое «адаптация», «модификация»?

8. Чем отличаются мутанты от рекомбинантов?

9. Что такое генная инженерия?

10. Каково практическое значение учения о наследственности и изменчивости?

 

Литература

1.Гусев М.В., Минаева Л.А. Микробиология — М.: Издательский центр «Академия», 2010.

2.Емцев В.Т. Микробиология. Москва, Изд. «Дрофа», 2007.

3.Мармузова Л.В. Основы микробиологии, санитарии и гигиены в пищевой промышленности. – М.: ПрофОбрИздат, 2007.