Наследственные факторы микроорганизмов кратко

Обновлено: 04.07.2024

До определенного времени ученые полагали, что у микроорганизмов нет ядерного аппарата. Такое мнение бытовало приблизительно до 30-х 20 века. По этой причине не изучались и вопросы наследственности и изменчивости микроорганизмов.

Изобретение электронного микроскопа стало поворотной точкой в изучении микроорганизмов. А в целом появление этого инструмента позволило увидеть субмикроскопическую структуру клетки.

Начало 40-х годов связано с тем, что ученые-генетики обратили пристальное внимание на микроорганизмы. Полноценными объектами микроскопических исследований стали бактерии, вирусы и микроскопические грибы. Появляется даже целая отрасль микробиологии, которая получила название генетики микроорганизмов.

Генетика микроорганизмов представляет собой раздел общей генетики, предмет изучения которой — разнообразные микроорганизмы, такие как вирусы, бактерии и микроскопические грибы, а также особенности их наследственности и изменчивости.

Отличительная характеристика микроорганизмов — наличие гаплоидного набора хромосом или кольцевая молекула ДНК. За счет этого обеспечивается возможность мутаций уже в первом поколении потомков.

Начало микробиологических генетических исследований

Изучение субмикроскопической структуры клеток микроорганизмов позволило решить множество проблем генетики. Первым доказательством, что молекула ДНК является материальным носителем наследственности, стали результаты опытов американских ученых-генетиков О. Т. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти. Они проводили опыты на пневмококках, а в частности на хлебной плесени. Ученые сформулировали положение, что синтез одной полипептидной цепи (одного белка) программирует один ген.

Новый всплеск изучения микроорганизмов с точки зрения генетики случился после доказательства универсальности закономерностей мутационного процесса на примере кишечной палочки. Этим занимались американские микробиологи С. Лурия и М. Дельброк. Они сделали вывод, что бактерии подчиняются мутационным закономерностям.

Все это поспособствовало появлению нового принципа изучения изменчивости у бактерий.

Это принцип получил название клонального анализа. В его основе лежит тщательное исследование потомства одной клетки, которая становится родоначальницей клона.

Изучение бактерий

Большие исследования провели американские генетики Джошуа и Эстер Ледерберги. Они доказали, что мутации у бактерий возникают вне зависимости от условий их культивирования.

Также учеными был разработан метод отпечатков, позволяющий сильно упростить приемы отбора микроорганизмов с необходимыми свойствами для последующих изучений. В больших популяциях клеток бактерий наблюдаются неупорядоченные (спонтанные) мутации — к такому выводу пришли ученые.

В 1946 году появилось доказательство того, что бактериям свойственен половой процесс. Также были открыты такие явления как конъюгация хромосом и рекомбинация генов, перенос генетической информации от одной бактериальной клетки к другой с помощью бактериофага.

Синтез того или иного белка зависит от того, с какого нуклеотида начался этот процесс считывания.

Изучение фагов

В процессе изучения особенностей взаимоотношений между бактериями и бактериофагами, американским ученым удалось открыть трансдукцию и рекомбинацию у фагов.

Под трансдукцией понимают перенос генов между бактериальными клетками с помощью фагов.

Все перечисленное выше позволило заниматься изучением вопросом наследственности на уровне молекул — т. н. молекулярный уровень организации материи.

Немецкие микробиологи изучали молекулу РНК. Каждая группа микроорганизмов получила свою методику исследования.

Генетика грибов и водорослей

Половой процесс низших грибов и водорослей отличается от полового процесса прочих организмов. Изучение этих групп организмов привело к разработке нового метода — тетрадного анализа.

В ходе исследования этих организмов ученые занимались разработкой методики объединения ядер генетически различных штаммов микроорганизмов.

В дальнейшем с помощью этих методов ученые смогут:

вывести организмы с определенными качествами;
разработать новые поколения антибиотиков и биологически активных веществ;
бороться с многочисленными заболеваниями растений, животных и людей.

Тем не менее генная инженерия требует к себе основательного и осторожного подхода. Пока еще не совсем понятно, какие могут появиться в природе и в человеческом организме генетически модифицированные организмы.

Генетика микроорганизмов как наука, специфика исследований в микробиологии

Найди готовую курсовую работу выполненное домашнее задание решённую задачу готовую лабораторную работу написанный реферат подготовленный доклад готовую ВКР готовую диссертацию готовую НИР готовый отчёт по практике готовые ответы полные лекции полные семинары заполненную рабочую тетрадь подготовленную презентацию переведённый текст написанное изложение написанное сочинение готовую статью

Частица массой находится в одномерном потенциальном поле в стационарном состоянии, описываемом волновой функцией , где и - постоянные ( ). Найдите энергию частицы и вид функции , если .

Квантовый гармонический осциллятор находится в основном состоянии. Найдите вероятность обнаружения частицы в области , где - амплитуда классических колебаний.

Частица находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками, имеющими ширину . В каких точках интервала плотность вероятности обнаружения частицы одинакова для основного и второго возбуждённого состояний?

Частица массой находится в кубической потенциальной яме с абсолютно непроницаемыми стенками. Найдите длину ребра куба, если разность энергий 6-ого и 5-ого уровней равна . Чему равна кратность вырождения 6-ого и 5-ого уровней?

Частица массой находится в основном состоянии в двумерной квадратной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Найдите энергию частицы, если максимальное значение плотности вероятности местонахождения частицы равно .

Частица находится в двумерной квадратной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками во втором возбуждённом состоянии. Сторона ямы равна а. Определите вероятность нахождения частицы в области: а) ; б) ; в) .

Частица находится в двумерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Координаты x и y частицы лежат в пределах 0 50 руб.

Волновая функция основного состояния электрона в атоме водорода имеет вид , где - расстояние электрона до ядра, - первый радиус боровской орбиты. Определите наиболее вероятное расстояние электрона от ядра.

Пользуясь решением задачи о гармоническом осцилляторе, найдите энергетический спектр частицы массой в потенциальной яме вида Здесь , а - собственная частота гармонического осциллятора.

Оцените с помощью соотношения неопределённостей Гейзенберга неопределённость скорости электрона в атоме водорода, полагая размер атома . Сравните полученную величину со скоростью электрона на первой боровской орбите.

Оцените относительную ширину спектральной линии, если известны время жизни атома в возбуждённом состоянии и длина волны излучаемого фотона .

Найти плотность сепарированной нефти 1-го горизонта при температуре 64 оС, если плотность ее при 20 оС равна 854 кг/м3, и нефти 2-го горизонта при 82 оС, если плотность ее при 20 оС равна 886 кг/м3.

При прохождении нефтегазовой смеси через штуцер в сепараторе образуются капли нефти диаметром 65 мкм. Смесь находится под давлением 0,4 МПа при 305 К. Найти скорость осаждения капель нефти и определить пропускную способность вертикального гравитацион

На дожимной насосной станции (ДНС) в сепараторе первой ступени поддерживают давление 0,4 МПа. Длина сборного коллектора, идущего от АГЗУ до ДНС, 12 км и (внутренний) диаметр его 0,3 м, разность геодезических отметок 10 м. Сборный коллектор горизонтал

Рассчитать основные параметры процесса освоения скважины, методом замены жидкости, выбрать промывочную жидкость и необходимое оборудование. Составить схему размещения оборудования при освоении скважины. Скважина заполнена буровым раствором плотностью

1.Наследственные факторы микроорганизмов.

2.Механизмы, вызывающие изменение генетической информации.

3.Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

1. Наследственные факторы микроорганизмов. В клетках эукариот местом нахождения генетического материала являются ядра, а у прокариот – нуклеоиды. Генетический материал представлен ДНК. Бактериальные клетки ДНК имеют форму нитей, замкнутых в виде кольца, - бактериальная хромосома. Хромосома имеет отдельные участки (фрагменты молекулы ДНК), которые называются генами. Ген – основной фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Кроме того, конкретные признаки микроорганизмов обуславливают отдельные ферменты. Гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах – структурные гены.

Микроорганизмы содержат генетический материал не только в хромосоме, но и в плазмидах, расположенных в цитоплазме. Плазмиды представляют собой молекулы ДНК. Клетка микроорганизма составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов называется фенотипом.

Изменения наследственных признаков, возникающие под влиянием внешней среды, - модификации. Модификации существуют до тех пор, пока действует вызывающий их фактор среды, и не наследуются организмами. Изменения генотипа называются мутациями, они происходят случайно и являются наследственно закрепленными признаками.

2. Механизмы, вызывающие изменения генетической информации. Мутации происходят, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид или в ДНК включается лишний нуклеотид. Различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только 1 ген, а хромосомные распространяются на несколько генов.

ГЛАВА 12. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ

Генетика — наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов.

Наследственность — свойство организмов передавать своему потомству присущие им признаки.

Изменчивость — явление, заключающееся в возникновении различий между особями по ряду признаков или свойств. Другими словами — это свойство организмов приобретать новые признаки в процессе индивидуального развития.

Наиболее изучена генетика бактерий — организмов, характеризующихся малыми размерами и большой скоростью размножения, что позволяет проследить генетические изменения на большом числе популяций в течение небольшого промежутка времени. Бактериальная хромосома, содержащая основную генетическую информацию клетки, имеет длину около 1000 мкм, молекулярную массу 1,5—2,0 х 10 9 Д. Она спирализована, замкнута в кольцо, содержит от 3 до 5 тыс. генов. В цитоплазме бактерий располагаются также внехромосомные факторы наследственности: плазмиды, транспозоны и Is-элементы.

Плазмиды — нехромосомные молекулы ДНК небольшого размера, ответственные за какой-либо определенный признак. Так, фактор фертильности — F-фактор (от fertility — плодовитость) является плазмидой и содержит гены, контролирующие процесс конъюгации. R-фактор — фактор резистентности (resistence) несет гены, ответственные за устойчивость бактерий к лекарственным препаратам. Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например, у возбудителей чумы, столбняка, газовой гангрены и др.

Многие бактерии синтезируют белки, подавляющие рост родственных видов или видов, угнетающих их рост. Эти белки специфического действия называются бактериоцинами. Их синтез кодируется особыми плазмидами или бактериоциногенными факторами. Бактериоцины были выделены из клеток Escherichia coli (колицины), Pseudomonas aeruginosa (пиоцины), Lactobacillusacidophilus (лактоцины). Хромосома и плазмиды способны к автономному самокопированию — репликации, поэтому их называют репликонами.

Свойства микроорганизмов определяются генотипом, т. е. совокупностью всех генов, присущих данной особи. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды, т. е. проявление генотипа в конкретных условиях обитания.

В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на воздействие факторов внешней среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. Для прокариот, как и для эукариот, характерны два основных типа изменчивости — генотипическая (наследственная) и фенотипическая (модификационная):

Фенотипическая изменчивость возникает как ответная реакция организма на изменение условий окружающей среды и проявляется у большинства особей в популяции. У ряда бактерий обнаружена уникальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия. Стрессовое воздействие на бактериальную клетку вызывает ингибирование синтеза обычных белков, но индуцирует синтез небольшой группы белков, функция которых заключается в противодействии стрессу.

Модификация — изменение микроорганизмов под влиянием условий среды. Изменяются только фенотипические признаки. Модификации бактерий проявляются лишь временно, в период непосредственного воздействия фактора, и исчезают после его устранения. Роль фенотипической изменчивости сводится к обеспечению выживаемости микробной популяции в изменившихся условиях среды. Модификации проявляются в изменении морфологических, физиологических и других признаков с возвратом к прежнему фенотипу после устранения фактора, вызвавшего их.

Генотипическая изменчивость проявляется в виде мутаций и рекомбинации и осуществляется в результате изменении в первичной структуре генетического аппарата. Генотипические изменения возникают в природе как редкие события в жизни микробной популяции. Они не носят направленного характера и появляются спонтанно.

Мутация (от лат. mutatio — изменение) — стойкое наследственное изменение в структуре генетического аппарата. Механизм мутаций заключается в выпадении, вставке или замене одной пары нуклеотидов или группы нуклеотидов в молекуле ДНК, а также в изменении последовательности их расположений. По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные мутации возникают в популяции микробов без видимого внешнего воздействия и проявляются в самопроизвольном изменении генома клетки. Распространенными типами спонтанных мутаций являются устойчивость бактерий к фагам, ауксотрофность, резистентность к антибиотикам. Частота спонтанных мутаций составляет одну на 10 5 — 10 6 клеток в популяции. В природе спонтанные мутации служат основным источником естественной изменчивости микроорганизмов, и именно они лежат в основе эволюционного процесса у про- и эукариот. Спонтанные мутации характеризуются изменением одного какого-нибудь признака и, как правило, стабильны.

Индуцированные мутации вызывают экспериментально воздействием какого-либо фактора — физического, химического или биологического.

К физическим относят различного рода излучения (рентгеновское, ультрафиолетовое, γ-излучение). Впервые возможность индуцированных мутаций показали в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, воздействуя на дрожжевые клетки рентгеновскими лучами. Частота индуцированных мутаций значительно выше частоты спонтанных (одна на 10 3 —10 4 ) и зависит от природы мутагенного агента и его дозы. Наиболее доступным мутагенным агентом является УФ-облучение с длиной волны около 260 нм. При этом механизм повреждения заключается в образовании димера тимина в молекуле ДНК, что приводит к блокированию нормального процесса репликации. При рентгеновском и у-облучении в ДНК бактерии возникают различные повреждения — разрывы цепей и химические изменения нуклеотидов. Эффект повреждения прямо пропорционален дозе облучения.

Химические мутагены обладают высоким мутагенным эффектом. По механизму действия на ДНК микробных клеток они существенно отличаются друг от друга. Действие одних приводит к изменению структуры ДНК. Так, аналог тимина — 5-бромурацил (5БУ), отличающийся от тимина только наличием атома брома на месте СН₃-группы, спаривается не с аденином, как тимин, а с гуанином, в результате чего происходит замена пары АТ на 5БУГ. При воздействии азотистой кислоты, вызывающей дезаминирование азотистых оснований, цитозин превращается в урацил, а аденин — в гипоксантин. Урацил спаривается с аденином, а не с гуанином, как цитозин, в связи с чем происходит мутация — замена ГЦ на АТ. Акридиновые красители вызывают выпадения или вставки азотистых оснований в ДНК. Нитрозосоединения обладают множественным эффектом, вызывая высокую частоту мутаций, поэтому их называют супермутагенами. Наиболее сильными мутагенами являются нитрозометилмочевина, этиленимин, алкилирующие агенты (серный иприт нитрозогуанидин, этилметансульфат). Относительно безопасным мутагеном считается азотистая кислота (HN0₂).

Биологические факторы — это в первую очередь мигрирующие элементы: транспозоны, Is-элементы и ДНК вирусов. Перенос мигрирующих элементов (транспозиция) осуществляется с частотой от 10 -4 до 10 -6 . В Is-элементах не закодировано никаких признаков, они содержат только информацию, необходимую для их переноса внутри клетки. У более сложно устроенных транспозонов имеются гены, ответственные за устойчивость клетки к антибиотикам, ионам тяжелых металлов и другим ингибиторам.

Умеренные фаги и определенные плазмиды служат переносчиками мигрирующих элементов между клетками. В результате встраивания мигрирующих элементов в бактериальную хромосому появляются мутантные клетки, у которых изменился порядок расположения нуклеотидов в триплете ДНК, вследствие чего нарушается процесс транскрипции. Доказано мутагенное действие вирусов и живых вирусных вакцин на млекопитающих.

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК выделяют генные и хромосомные мутации.

Генные мутации затрагивают только один ген и чаще всего являются толковыми. Последние представляют собой выпадение, вставку или замену одной пары нуклеотидов.

Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Они носят характер крупных перестроек в отдельных фрагментах ДНК и проявляются в виде делеций (выпадения), инверсий (поворота на 180°), дупликаций (повторения какого-нибудь фрагмента ДНК). Один из механизмов образования хромосомных мутаций связан с перемещением Is-элементов и транпозонов из одного участка ДНК в другой или из репликона в репликон.

Комбинационная изменчивость. Ко второму типу наследственной изменчивости относятся изменения, возникающие у прокариот в результате рекомбинации генетического материала за счет частичного объединения геномов двух клеток. Известны три основных способа, приводящих к рекомбинации генетического материала прокариот: трансформация, трнсдукция и конъюгация, различающихся механизмами передачи хромосомной ДНК.

Трансформация (от лат. transformatio — преобразование, превращение) — непосредственная передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента путем проникновения фрагмента чужеродной ДНК. Явление трансформации у бактерий впервые доказал в 1928 г. английский микробиолог Ф. Гриффит.

Сущность эксперимента заключалась в следующем. Мышам одновременно были введены два штамма пневмококков: непатогенный, лишенный капсулы (R-штамм), и патогенный, имеющий капсулу (S-штамм), но убитый нагреванием. Большая часть мышей погибла от пневмонии. Из органов погибших мышей были выделены живые капсульные культуры пневмококков. Выяснилось, что культура убитого нагреванием капсульного пневмококка вызывала в организме животного трансформацию живых бескапсульных микробов, в результате чего у них появилась способность к образованию капсулы, что и обусловило патогенность. В 1944 г. группа ученых (О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. МакКарти) поставили опыт Гриффитса in vitro: к культуре невирулентного бескапсульного штамма пневмококка добавили ДНК, полученную из вирулентного штамма пневмококка. Невирулентный штамм приобрел патогенные свойства. Таким образом ученые доказали, что трансформирующим агентом (в данном случае носителем вирулентных свойств пневмококка) является ДНК.

Трансформация бактерий происходит с частотой 10 -2 — 10 -3 и зависит от вида микроорганизмов, свойств трансформирующей ДНК и состояния клетки реципиента. Способность ДНК проникать в клетку реципиента зависит как от природы самой ДНК, так и от физиологического состояния этой клетки. Клетки, способные воспринимать донорную ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры, чаще всего в конце экспоненциальной фазы. В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК.

В клетку реципиента проникает очень малый фрагмент ДНК (соответствующий 0,3 % бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам). Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: капсулообразование, способность к синтезу ферментов, устойчивость и чувствительность к антибиотикам.

При трансформации рекомбинация происходит лишь в том случае, если ДНК бактерий донора и реципиента родственны друг другу, но имеют разный генотип.

Трансдукция (от лат. transductio — перенос, перемещение) — передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента с участием умеренного бактериофага. Явление трансдукции открыли в 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.

Механизм трансдукции заключается в следующем. В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, содержащий один ген или несколько сцепленных генов, включается в геном фага. Трандуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в другую, чувствительную к фагу клетку.

Различают три типа трансдукции: общую, специфическую и абортивную. При общей трансдукции происходит перенос разных признаков одновременно; специфическая трансдукция предусматривает перенос только определенного признака; при абортивной трансдукции участок чужеродной ДНК, перенесенный бактериофагом в клетку реципиент, не включается в ее геном, поэтому рекомбинации не происходит и новый признак не наблюдается.

В естественных условиях перенос генетического материала с помощью фагов может быть самым распространенным механизмом рекомбинации у прокариот. В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает возможности не только межвидовой гибридизации бактерий, но и возможности получения гибридов среди таксономически отдаленных групп прокариот.

Конъюгация (от лат. conjugation — соединение) — процесс установления клеточного контакта между двумя различающимися в половом отношении бактериями. Это явление было обнаружено в 1946 г. Д. Ледербергом и Э. Татумом у мутантных штаммов Е. coli. При конъюгации у бактерий происходит направленный перенос генетического материала из клетки донора в клетку реципиента.

Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у некоторых из них полового фактора (F-фактор, от англ. fertility — плодовитость). Такие клетки обозначают F + . F-фактор располагается в цитоплазме клетки в виде кольцевой ДНК, т. е. является плазмидой. Клетки, не имеющие F-фактора, являются реципиентами и обозначаются F - .

Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки донора к клетке реципиента. В течение нескольких минут обе клетки сближаются, а затем через конъюгационный мостик менее чем за 5 мин происходит передача полового F-фактора независимо от бактериальной хромосомы из клетки донора (F + ) в клетку реципиента (F - ). При этом клетка донор не теряет своей донорской способности, так как в ней остаются копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками (от англ. high frequency of recombination — высокая частота рекомбинаций). При конъюгации клеток Hfr и клеток F - одна из нитей хромосомы разрывается и передается с определенного участка в клетку F - . Оставшаяся в клетке донора нить ДНК является матрицей для второй нити, а вторая переносимая ДНК донора взаимодействует с ДНК реципиента — происходит гомологичная рекомбинация. Прерывая процесс конъюгации бактерий, можно определять последовательность расположения генов в хромосоме. При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому ее не следует отождествлять с половым процессом у других организмов.

12.1. ЭЛЕМЕНТЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Общеизвестно, что скрещивание или гибридизация среди представителей царства эукариот осуществляется только между близкородственными организмами. У прокариот посредством передачи плазмид гибридизация не ограничивается рамками даже крупных систематических категорий. В связи с этим прокариоты открывают беспредельные возможности нового научного направления — генной инженерии, заключающегося в конструировании гибридов из материала совершенно разного происхождения.

Предпосылками к исследованиям в области генной инженерии послужили два открытия, сделанные в первой половине XX в.: во-первых, это явление трансдукции, а во-вторых — присутствие в резистентных к бактериофагу бактериях специальных ферментов, которые разрезают двойные спирали фаговых ДНК в строго определенных местах. Эти ферменты назвали рестриктазами. В настоящее время получено около 500 рестриктаз из различных бактерий, обладающих специфичностью к определенным участкам (сайтам) ДНК. Обнаружение плазмид в бактериях легло в основу технологии получения рекомбинантных ДНК.

Генная инженерия — это методы получения рекомбинантных ДНК с последующим их включением в реципиентную клетку. В основу генноинженерных методов заложена способность ферментов рестриктаз расщеплять ДНК на отдельные нуклеотидные последовательности, которые могут быть использованы для встраивания их в геномы бактериальных плазмид или фагов с целью получения гибридных или химерных форм, состоящих из собственной ДНК и дополнительных встроенных фрагментов несвойственной им ДНК.

В качестве вектора применяют также космиды, представляющие собой гибрид плазмиды с фагом. Космиды используют для клонирования больших (до 45 тыс. пар нуклеотидов) фрагментов ДНК эукариот.

Генная инженерия имеет огромное прикладное значение. Получены не существующие в природе штаммы микроорганизмов — продуцентов ценных для человека белков и пептидов, в частности штаммы Е. coli, синтезирующие инсулин. Метод получения человеческого инсулина путем выращивания рекомбинантного штамма Е. coli решил проблему обеспечения людей, больных диабетом, этим препаратом. Для производства препаратов, получаемых из дефицитного или дорогостоящего сырья, также используют метод генной инженерии. Ведутся работы по совершенствованию штаммов дрожжей, используемых в пивоварении и виноделии. Этим организмам передаются гены, которые могут обеспечить усвоение пентоз, разрушение фенольных соединений, конкурентоспособность при росте в нестерильных условиях.

Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

ЛЕКЦИЯ № 4. Генетика микроорганизмов. Бактериофаги

1. Организация наследственного материала бактерий

Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены.

Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:

IS-последовательности – это короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации.

Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака.

В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают:

1) R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; могут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лекарственные вещества, могут менять проницаемость мембран;

2) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притягиваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она находится в автономном состоянии в клетке.

F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации;

3) Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактерицидные вещества, действующие на близкородственные бактерии;

4) Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;

5) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.

Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.

2. Изменчивость у бактерий

Различают два вида изменчивости – фенотипическую и генотипическую.

Фенотипическая изменчивость – модификации – не затрагивает генотип. Модификации затрагивают большинство особей в популяции. Они не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.

Мутации – изменение генотипа, сохраняющееся в ряду поколений и сопровождающееся изменением фенотипа. Особенностями мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления.

По локализации различают мутации:

1) генные (точечные);

По происхождению мутации могут быть:

1) спонтанными (мутаген неизвестен);

2) индуцированными (мутаген неизвестен).

Рекомбинации – это обмен генетическим материалом между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом.

У бактерий существует несколько механизмов рекомбинации:

2) слияние протопластов;

Конъюгация – обмен генетической информацией при непосредственном контакте донора и реципиента. Наиболее высокая частота передачи у плазмид, при этом плазмиды могут иметь разных хозяев. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.

Трансформация – передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансдукции необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента – компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции – это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.

Трансдукция – это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один ген или более.

1) специфической (переносится всегда один и тот же ген, трансдуцирующий фаг всегда располагается в одном и том же месте);

2) неспецифической (передаются разные гены, локализация трансдуцирующего фага непостоянна).

Бактериофаги (фаги) – это вирусы, поражающие клетки бактерий. Они не имеют клеточной структуры, неспособны сами синтезировать нуклеиновые кислоты и белки, поэтому являются облигатными внутриклеточными паразитами.

Вирионы фагов состоят из головки, содержащей нуклеиновую кислоту вируса, и отростка.

Нуклеокапсид головки фага имеет кубический тип симметрии, а отросток – спиральный тип, т. е. бактериофаги имеют смешанный тип симметрии.

Фаги могут существовать в двух формах:

1) внутриклеточной (это профаг, чистая ДНК);

2) внеклеточной (это вирион).

Фаги, как и другие вирусы, обладают антигенными свойствами и содержат группоспецифические и типоспецифические антигены.

Различают два типа взаимодействия фага с клеткой:

1) литический (продуктивная вирусная инфекция). Это тип взаимодействия, при котором происходит репродукция вируса в бактериальной клетке. Она при этом погибает. Вначале происходит адсорбция фагов на клеточной стенке. Затем следует фаза проникновения. В месте адсорбции фага действует лизоцим, и за счет сократительных белков хвостовой части в клетку впрыскивается нуклеиновая кислота фага. Далее следует средний период, в течение которого подавляется синтез клеточных компонентов и осуществляется дисконъюнктивный способ репродукции фага. При этом в области нуклеоида синтезируется нуклеиновая кислота фага, а затем на рибосомах осуществляется синтез белка. Фаги, обладающие литическим типом взаимодействия, называют вирулентными.

В заключительный период в результате самосборки белки укладываются вокруг нуклеиновой кислоты и образуются новые частицы фагов. Они выходят из клетки, разрывая ее клеточную стенку, т. е. происходит лизис бактерии;

2) лизогенный. Это умеренные фаги. При проникновении нуклеиновой кислоты в клетку идет интеграция ее в геном клетки, наблюдается длительное сожительство фага с клеткой без ее гибели. При изменении внешних условий могут происходить выход фага из интегрированной формы и развитие продуктивной вирусной инфекции.

Клетка, содержащая профаг в геноме, называется лизогенной и отличается от исходной наличием дополнительной генетической информации за счет генов профага. Это явление лизогенной конверсии.

По признаку специфичности выделяют:

1) поливалентные фаги (лизируют культуры одного семейства или рода бактерий);

2) моновалентные (лизируют культуры только одного вида бактерий);

3) типовые (способны вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры внутри вида бактерий).

Фаги могут применяться в качестве диагностических препаратов для установления рода и вида бактерий, выделенных в ходе бактериологического исследования. Однако чаще их применяют для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.

Читайте также: