Микроорганизмы как объект генетических исследований

Генетика микроорганизмов

Вы будете перенаправлены на Автор24

Генетика микроорганизмов как наука

Лишь с изобретением электронного микроскопа появилась возможность рассмотреть субмикроскопическую структуру клетки вообще и микроорганизмов в частности.

Генетика микроорганизмов – это раздел общей генетики, в котором предметом изучения служат микроорганизмы (бактерии, вирусы, микроскопические грибы) и особенности их наследственности и изменчивости.

Характерной особенностью микроорганизмов является гаплоидный набор хромосом или кольцевая молекула ДНК. Это дает возможность мутациям проявиться уже в первом поколении потомков.

Начало микробиологических генетических исследований

Но особенно интенсивно стали исследовать микроорганизмы с точки зрения генетики после того, как американскими микробиологами С. Лурия и М. Дельброком на примере кишечной палочки было доказано универсальность закономерностей мутационного процесса. Они доказали, что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям.

В науке появился новый принцип изучения изменчивости у бактерий – клональный анализ. Он заключается в тщательном исследовании потомства одной клетки. Эта клетка становится родоначальником клона.

Готовые работы на аналогичную тему

Изучение бактерий

В результате кропотливых исследований американским генетикам Дж. И Э. Ледербергам удалось доказать, что у бактерий мутации возникают независимо от условий их культивирования. Они разработали метод отпечатков, который позволил очень упростить приемы отбора микроорганизмов с желаемыми свойствами для дальнейших исследований. Они доказали, что больших популяциях клеток бактерий мутации происходят неупорядочено – спонтанно.

Существует мнение, что в кольцевой молекуле нуклеиновой кислоты клеток прокариот «прочтение информации» зависит от места начала «считывания». В зависимости от того, с какого нуклеотида начался этот процесс, находится и синтез того или иного белка.

Изучение фагов

Изучая особенности взаимоотношений «бактерия – бактериофаг», американские генетики открыли явление трансдукции (переноса генов между бактериальными клетками с помощью фагов) и обнаружили рекомбинацию у фагов. Это дало возможность изучать вопросы наследственности на уровне молекул (молекулярный уровень организации материи).

Немецкие микробиологи исследовали молекулу РНК. Для каждой из групп микроорганизмов была разработана методика исследований.

Генетика грибов и водорослей

Но вопросы генной инженерии требуют осторожного подхода к изучению и применению полученной информации на практике. Ведь не ясно, к каким последствиям может привести появление генетически модифицированных организмов в природе и в человеческом организме.

Источник

1. Микроорганизмы как основные объекты исследования молекулярной генетики. Генетический анализ и принципы картирования генов. Понятие о генной инженерии

1. Микроорганизмы как основные объекты исследования молекулярной генетики. Генетический анализ и принципы картирования генов. Понятие о генной инженерии
Геномика микроорганизмов имеет прямое отношение к клинической медицине. Закономерности геномной организации патогенных бактерий и вирусов позволяют более точно понять природу инфекционного процесса, определить направление создания вакцин, уточнить патогенные мишени микроорганизмов для создания лекарств.

Секвенирование генома бактерий началось в конце 80-х годов XX века, когда уже были созданы методические предпосылки. Первым секвенированным бактериальным геномом был геном Mycoplasma genitalium (1995). За последние годы список полностью секвенированных геномов бактерий увеличился до 20 видов, среди которых представители таких родов патогенных бактерий, как Streptococcus, Staphylococcus, Corynebacferium, Yersinia и др.

Как показали геномные исследования, патогенные бактерии весьма разнообразны по комбинаторике генов, определяющих патогенность. У них имеются специфические гены, контролирующие синтез факторов вирулентнтности (адгезины, инвазины, порины, токсины, гемолизины). Большинство таких генов собрано в кластеры («островки патогенности»). Они могут быть локализованы в хромосоме бактерии или в плазмидах.

Патогенные бактерии, геномы которых секвенированы

«Островки патогенности» участвуют в геномных перестройках, что и определяет приспособляемость и широкую внутривидовую вариабельность бактерий.

Поскольку геномы бактерий небольшие (от 100 000 до 4 млн пар нуклеотидов), многое удалось уже сделать в области функциональной геномики. И структурные, и функциональные исследования геномов патогенных бактерий показывают их высокую пластичность. Эти представления имеют непосредственное практическое значение, во-первых, для разработки экспресс-методов типирования бактерий и оценки риска бактериальной контаминации; во-вторых, для создания лекарств, нацеленных на специфические мишени, блокирующие работу генов патогенности; в-третьих, для более целенаправленного создания вакцин.

Что касается геномики вирусов, то для большинства патогенных для человека вирусов (возбудителей вирусных гепатитов, ВИЧ-инфекции и СПИДа, герпесвирусных инфекций, натуральной оспы, гриппа и др.) уже известна первичная нуклеотидная последовательность полноразмерного генома (структурная геномика). Более того, накоплено много данных по функциональной геномике (роль отдельных фрагментов в формировании вторичной структуры генома, в образовании белков вирионов, в репликации и сборке вирионов). Именно геномные исследования вирусов позволили объяснить их высокую пластичность (способность к рекомбинации, наличие гипервариабельных областей). Многие вирусы формируют длительную персистентную инфекцию, в результате которой происходит селекция новых вариантов вируса с изменённой первичной последовательностью, а следовательно, с изменёнными патогенными и антигенными свойствами.

Несмотря на интенсивные поиски участков в геномах вирусов (сайтов), ответственных за патогенные свойства вирусов, они до сих пор не обнаружены, т.е. функциональная геномика вирусов ещё не достигла такого уровня, как структурная. Результаты исследований позволяют с большой вероятностью думать о том, что патогенные свойства вирусов являются полифункциональным признаком, детерминируемым многими сайтами генома.

Практическое приложение сведений о нуклеотидной последовательности геномов многих патогенных вирусов уже широко реализуется. Генно-инженерным путём создаются непатогенные фрагменты геномов вирусов в составе плазмидных векторов. Такие векторы с вирусом способны к экспрессии в высоких концентрациях белков вирусов, которые необходимы для приготовления диагностических и вакцинных препаратов. Развивается технология получения ДНК-вакцин против СПИДа, гепатита С и других вирусных инфекций. Создана эффективная рекомбинантная вакцина против гепатита В.

Как и в геномике патогенных бактерий, сведения о функциональных свойствах отдельных участков геномов вирусов служат основой для молекулярного дизайна лекарственных средств, эффективно подавляющих размножение вируса в клетке.
2. Факторы естественной резистентности. Физиологические защитные механизмы полости рта

Естественную резистентность (устойчивость) организма к огромному множеству окружающих его инфекционных агентов обеспечивает также целый ряд специфических факторов защиты, которые не распознают попадающие в организм различными путями вещества как генетически чужеродный материал, но в большинстве случаев действуют не менее эффективно, чем факторы приобретенного иммунитета, способствуя их удалению.
Среди факторов естественной резистентности принято выделять:

2) систему фагоцитов, включающую нейтрофилы и макрофаги;

3) систему комплементов (совокупность сывороточных белков), тесно взаимодействующую с фагоцитами;

5) различные вещества, в основном белковой природы, участвующие прежде всего в реакциях воспаления; некоторые из них (лизоцим) обладают прямым бактерицидным действием.

Физиологические защитные механизмы полости рта

Слизистая оболочка ротовой полости заселена большим разнообразием микроорганизмов и является местом равновесия между защитными силами и бактериальной флорой. При снижении иммунитета, в результате чрезмерной жизнедеятельности бактерий, такое равновесие нарушается, что провоцирует развитие инфекции во рту. Защита полости рта происходит специфическими и неспецифическими способами. К неспецифическим факторам защиты относятся: механический, физиологический и химический.

Состав микрофлоры ротовой полости:

— все виды кокков, разлагающие углеводы, расщепляющие белки и образовывающие сероводород;

— факультативные и облигатные анаэробы, образующие органические кислоты, которые подавляют рост чужеродных гнилостных микроорганизмов;

— палочковидные лактобактерии, продуцирующие молочную кислоту;

— спирохеты чаще обнаруживаются при язвенном стоматите, ангине Венсана и пародонтите;

— простейшие локализуются в криптах миндалин, зубном налёте и гнойном содержимом, где активно размножаются, особенно при несоблюдении правил гигиены ротовой полости;

— трихомонады развиваются при пародонтите и гингивите.

Нормальная микрофлора ротовой полости отличается высокой устойчивостью к антибактериальному воздействию слюны. Вместе с этим, она активно участвует в защите организма от бактерий, поступающих извне. Антибактериальные свойства ротовой жидкости позволяют сохранять динамическое равновесие всех микроорганизмов, обитающих во рту. Таким образом, можно сделать вывод, что слюна не воздействует губительно на микрофлору, а обеспечивает её качественное и количественное постоянство.

Защита слизистой оболочки рта происходит путём смывания слюной различных микроорганизмов и очищения в процессе приёма пищи. Клетки слущенного эпителия способны к быстрому восстановлению за счёт склонности к адгезии. Кроме этого, слюна оказывает бактерицидное действие, благодаря наличию в её составе биологических активных веществ. Такими веществами являются лизоцим, нейтрофилы и секреторный иммуноглобулин.

Химическая и физиологическая защита

Лизоцим является щелочным белком, который имеет муколитическое действие. Он обнаружен в слёзной и секреторной жидкостях, мокроте и слюне. Лизоцим воздействует на оболочку многих микроорганизмов, особенно грамположительных, стимулирует лейкоцитную фагоцитарную активность и принимает участие в регенерации биологической ткани. Кроме этого, лизоцим обладает повышенной чувствительностью к действию ультрафиолетовых лучей оснований и кислот.

Как ферменты слюны защищают ротовую полость

Под воздействием слюны происходит нарушение способности микроорганизмов прилипать к поверхности зубов или слизистой оболочке ротовой полости. В результате этого предотвращается развитие зубного кариеса. В смешанном типе слюны находится более 50 различных ферментов, которые по-разному воздействуют на полость рта. Наиболее активными ферментами считаются те, которые способны расщеплять белки, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Важным фактором естественного иммунитета у человека является комплемент – своеобразный белковый комплекс, который содержится в сыворотке крови.

С помощью фагоцитоза происходит подавление воспалительных процессов ротовой полости. Фагоциты способны захватывать различные микроорганизмы, частицы и клетки для дальнейшего их переваривания с помощью таких ферментов лизосом, как пептидазы, протеазы, липазы, фосфатазы, карбоксилазы и нуклеазы. Кроме этого, фагоциты способны выделять ферменты, которые позволяют сгладить рубцы, возникающие на слизистой оболочке полости рта и зафиксировать иммунные комплексы на базальных капиллярных мембранах.

Специфические защитные механизмы

Иммунные защитные механизмы позволяют местно контролировать состояние слизистой оболочки полости рта.

Специфическим иммунитетом считается способность вырабатывать специфические антитела. Главным фактором такой антимикробной защиты выступают иммуноглобулины – защитные белки секретов или сыворотки крови, которые обладают функцией антител и относятся к фракции глобулинов. Травмы слизистой оболочки, её воспаление или аллергические реакции усиливают поступление в секреты сывороточных
3. Открытие микробов (А. Левенгук). Морфологический период в истории микробиологии. Исследования Д.C.Самойловича, Э.Дженнера, Л.C.Ценковского, Ф.А.Леша, П.Ф.Боровского

Микроорганизмы были открыты и описаны в 1683г. в Голландии Антонием ван Левенгуком. Сделанные им приборы — микроскопы давали по тем временам довольно сильное (более чем в 160 раз) увеличение. Рассматривая под микроскопом настой перца, Левенгук увидел в капле этой жидкости множество крошечных зверьков — «анималькулей», как он назвал их. Изучая гнилую воду, тину, зубной налет, он находил сходные анималькули и рисовал их. Описание своих наблюдений Левенгук вместе с рисунками отправил в Лондонское королевское общество. Так было положено начало новой науке — микробиологии.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (XVII ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XIX вв.)

Начинается с открытия микроорганизмов А. Левенгуком. На этом этапе было подтверждено повсеместное распространение микроорганизмов, описаны формы клеток, характер движения, места обитания многих представителей микромира. Окончание этого периода знаменательно тем, что накопленные к этому времени знания о микроорганизмах и научно методический уровень (в частности, наличие микроскопической техники) позволили ученым разрешить три очень важные (основные) для всех естественных наук проблемы: изучение природы процессов брожения и гниения, причины возникновения инфекционных заболеваний, проблему самозарождения микроорганизмов.

Несмотря на то, что итальянский ученый Л. Спалланцани в сеедине XVIII в. наблюдал под микроскопом деление бактерий, мнение о том, что они самозарождаются (возникают из гнили, грязи и т.д.), не было опровергнуто. Это было сделано выдающимся французским ученым Луи Пастером (1822 1895 гг.), который своими работами положил начало современной микробиологии.

В этот же период начиналось развитие микробиологии в России.

Велика роль Коха в разработке основных методов изучения микроорганизмов. Так, он ввел в микробиологическую практику метод выделения чистых культур бактерий на твердых питательных средах, впервые использовал анилиновые красители для окраски микробных клеток и применил для их микроскопического изучения иммерсионные объективы и микрофотографирование.

В 1882 г. Кох доказал, что выделенный им микроорганизм является возбудителем туберкулеза, который был впоследствии назван палочкой Коха. В 1883 г. Кох с сотрудниками выделил возбудителя холеры — холерный вибрион (вибрион Коха).

С 1886 г. Кох полностью посвящает свои исследования поискам средств, эффективных для лечения или профилактики туберкулеза. В ходе этих исследований им был получен первый противотуберкулезный препарат — туберкулин, представляющий собой вытяжку из культуры туберкулезных бактерий. Хотя туберкулин не обладает лечебным действием, его с успехом применяют для диагностики туберкулеза.

Научная деятельность Коха получила мировое признание, и в 1905 г. ему была присуждена Нобелевская премия по медицине.

Используя методы, разработанные Кохом, французские и немецкие бактериологи открыли многие бактерии, спирохеты, и простейшие — возбудители инфекционных болезней человека и животных. Среди них возбудители гнойных и раневых инфекций: стафилококки, стрептококки, клостридии анаэробной инфекции, кишечная палочка и возбудители кишечных инфекций (брюшнотифозная и паратифозные бактерии, дизентерийные бактерии Шига), возбудитель кровяной инфекции — спирохета возвратного тифа, возбудители респираторных и многих других инфекций, в том числе вызванных простейшими (плазмодии малярии, дизентирийная амеба, лейшмании). Этот период называют «золотым веком» микробиологии.

Источник

Микроорганизмы как объект генетических исследований

Способность живых организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений называется наследственностью.

В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое последующее поколение под влиянием различных факторов может приобретать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется изменчивостью. Таким образом наследственность и изменчивость тесно связаны между собой.

Еще в XIX веке Ч. Дарвин доказал, что все существующие виды живых организмов произошли путем изменчивости от немногих форм, а возникшие изменения, передаваемые по наследству, являются основой эволюционного процесса. Теория Дарвина получила высшую оценку у классиков марксизма-ленинизма. Ф. Энгельс рассматривал ее как одно из величайших открытий XIX века.

Изучение наследственности и изменчивости у высших организмов связано с большими трудностями из-за большой продолжительности их жизни и немногочисленности потомства.

Удобным объектом для этого изучения являются микроорганизмы, для которых характерен короткий жизненный цикл, быстрое размножение и способность давать многочисленное потомство. Кроме того, они обладают выраженной морфологией, которую можно изучать визуально при помощи светового микроскопа. Микроорганизмы биохимически активны, что легко учитывать при использовании специальных питательных сред.

Способность микроорганизмов изменять свои свойства при воздействии различных факторов (температура, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и др.) позволяет широко использовать их в качестве модели при изучении наследственности и изменчивости.

Первым объектом генетических исследований была кишечная палочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культуральные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бактерии, а также вирусы.

Исследования генетики микроорганизмов показали, что у них роль носителя генетической информации играет ДНК (у некоторых вирусов РНК).

Молекула ДНК в бактериях состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки нитчатая спираль удваивается- каждая из нитей служит как бы шаблоном или матрицей, на которой строится новая нить. При этом каждая нить, возникшая в процессе деления клеток, содержит вновь образовавшуюся двунитчатую молекулу ДНК.

Функциональной единицей наследственности является ген, который представляет собой участок нити ДНК. В генах записана вся информация, касающаяся свойств клетки.

Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям.

Изменения морфологических, культуральных, биохимических и других свойств микроорганизмов, возникающие под действием внешних факторов, взаимосвязаны. Например, изменения морфологических свойств сопровождаются обычно изменениями физиологических особенностей клетки.

Колонии, относящиеся к гладкой S-форме, могут при определенных условиях переходить в R-форму и обратно, однако переход R-формы в S-форму происходит труднее.

Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.

Болезнетворные бактерии чаще бывают в S-форме. Исключением являются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых болезнетворной является R-форма (рис. 26).

Рис. 26. Рост возбудителей туберкулеза на плотной среде (R-форма)

Фенотипическая изменчивость (модификация)

Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недостаток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повышенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачивается и т. д. При длительном росте бактерий в одной и той же среде возникает полиморфизм, обусловленный влиянием накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.

Культуральная модификация состоит в изменении культуральных свойств бактерий при изменении состава питательной среды. Например, при недостатке кислорода у стафилококка утрачивается способность образовывать пигмент. Чудесная палочка при комнатной температуре образует ярко-красный пигмент, но при 37° С способность образовывать этот пигмент утрачивается и т. д.

Биохимическая (ферментативная) модификация. Каждый вид бактерий имеет определенный набор ферментов, благодаря которым они усваивают питательные вещества. Эти ферменты вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены генотипом.

В процессе жизнедеятельности бактерий обычно функционируют не все гены, ответственные за синтез соответствующих ферментов. В геноме бактерий всегда имеются запасные возможности, т. е. гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. Например, кишечная палочка, растущая на среде, не содержащей углевод лактозу, не вырабатывает фермент лактазу, но если пересеять ее на среду с лактозой, то она начинает вырабатывать этот фермент. Адаптивные ферменты позволяют приспособляться к определенным условиям существования.

Генотипическая (наследуемая) изменчивость

Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций.

Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать).

Бактерии с измененными признаками называются мутантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.

Бактериальные мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т. е. без вмешательства экспериментатора. Индуцированные (направленные) мутации появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими веществами, излучением, температурой и др.).

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганизмов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.

Генетические рекомбинации. Трансформация. Клетки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмической фазой роста.

С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, продуцировать дополнительные ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципиент получает неполную информацию, заключенную в ДНК.

Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий.

Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межвидовой.

Плазмиды

Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:

Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изменений, передающихся по наследству, например способность образовывать токсин (см. трансдукцию).

F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации (см. конъюгацию).

R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекарственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования показали, что R-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.

R-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться причиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.

В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обработка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцирующих клеток увеличивается.

Практическое значение изменчивости

Еще Пастер искусственным путем получил необратимые изменения у возбудителей бешенства, сибирской язвы и приготовил вакцины, предохраняющие от этих заболеваний. В дальнейшем исследования в области генетики и изменчивости микроорганизмов позволили получить большое число бактериальных и вирусных штаммов, используемых для получения вакцин.

Результаты исследования генетики микроорганизмов с успехом были использованы для выяснения закономерностей наследственности высших организмов.

Методы генной инженерии позволяют изменять структуру генов и включать в хромосому бактерий гены других организмов, ответственных за синтез важных и нужных веществ. В результате микроорганизмы становятся продуцентами таких веществ, получение которых химическим путем представляет очень сложную, а иногда даже невозможную задачу. Этим путем в настоящее время получают такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон и др. При использовании мутагенных факторов и селекции были получены мутанты-продуценты антибиотиков, которые в 100-1000 раз активнее исходных.

Контрольные вопросы

1. Что является функциональной единицей наследственности?

2. Какова роль генов-регуляторов?

3. Что такое диссоциация и какие Вы знаете формы диссоциации?

4. Что значит фенотипическая изменчивость и какими свойствами она может быть выражена?

5. Что значит генотипическая изменчивость и какими формами она может быть выражена?

6. Что такое плазмиды?

7. Какое практическое значение имеет изменчивость?

Источник