Основы генетики микроорганизмов

Генетика — наука о наследственности и изменчивости, которая изучает механизмы передачи наследственных признаков от материнской клетки к дочерней из поколения в поколение.

Носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты — ДНК (в основном) и РНК. ДНК у прокаритов локализуется в нуклеоиде, а у эукаритов — в ядре. Нуклеоид бактерий называется хромосомой. Кроме хромосом в некоторых бактериальных клетках содержатся внехромосомные генетические структуры — эпиосомы, или плазмиды. Это тоже молекулы ДНК. Вдоль хромосомы в линейном порядке располагаются неоднородные генетические участки — гены. Каждый ген контролирует развитие определенных свойств организма. Совокупность генов, которыми обладает организм, составляет генотип, т. е. наследственные признаки, полученные им от материнской клетки. Сумма признаков, которые имеет генотип, реализованная в конкретных условиях, составляет его фенотип. В зависимости от условий организмы одного генотипа могут образовывать особи с разными фенотипами.

Сохранение определенных свойств организма на протяжении ряда поколений называется наследственностью. Под влиянием экологических факторов наследственные признаки могут изменяться. Различают фенотипическую и генотипическую изменчивость.

Генотип микроорганизмов передается по наследству. Однако он подвержен изменениям в связи с тем, что генетическая информация, закодированная в ДНК, не стабильна и образуется в результате структурных изменений генов, приводящих к появлению нового признака. Это так называемая генотипическая изменчивость. Один из видов генотипической изменчивости — мутация микроорганизмов — внезапные, случайные изменения наследственных признаков у микроорганизмов; если они стойки, необратимы, то передаются по наследству. Особенно часто получение стойких мутаций микроорганизмов возможно при воздействии лучистой энергии (рентгеновские, ультрафиолетовые лучи), некоторых химических веществ (азотистая кислота и др.). Такие факторы называются мутагенными.

Кроме мутаций к изменению наследственности приводят рекомбинации — изменение комбинации генов, которые представляют собой процесс обмена фрагмента ДНК донорской клетки (клетки, передающей свойственный ей признак) с подобным фрагментом ДНК клетки-реципиента (клетки, воспринимающей новое для нее свойство). Рекомбинации осуществляются путем трансформации, конъюгации, трансдукции и фаговой конверсии.

Трансформация — перестройка генотипа клетки-реципиента под влиянием поглощенной из среды свободной ДНК, выделенной из бактерии донора. Ее источником могут быть свежеубитые микроорганизмы.

Конъюгация (спаривание) — передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке путем их непосредственного контакта через цитоплазматический мостик.

Трансдукция — перенос генетического материала из одной клетки в другую бактериофагом.

Фаговая конверсия — изменение свойств клетки (фенотипа), обусловленное заражением клетки фагом.

При фенотипической изменчивости бактерии, образовавшиеся из одной материнской клетки, могут различаться между собой по ферментативной активности, морфологическим признакам, потребности в источниках питания. Фенотип не наследуется. Фенотипические изменения не затрагивают генотипа и могут носить временный характер. К фенотипической изменчивости относятся: физиологическая адаптация — изменение, связанное с приспособлением микроорганизмов к развитию в новых условиях жизни; диссоциация — культурная изменчивость, когда, например, из засеянной на плотную питательную среду чистой культуры вырастают резко отличающиеся по морфологической структуре колонии (тип S — гладкие, тип R — шероховатые, тип М — слизистые); модификация — обратимые изменения, легко исчезающие при устранении условий, их вызывавших.

Процессы наследственности и изменчивости микроорганизмов хотя и подчиняются общим биологическим законам, происходят гораздо быстрее, чем у растений и животных. Одной из задач генетики является улучшение полезных свойств уже применяющихся производственных видов микроорганизмов и выведение новых с ценными свойствами. Так, с помощью мутагенных факторов были получены грибы рода Penicillium, продуцирующие в промышленных условиях пенициллин. Адаптация микроорганизмов к условиям жизни в определенной среде стала одним из методов их селекции для производственных целей, например адаптация дрожжей к повышенному содержанию спирта.

В Японии применяют протеазы из морской бактерии Pseudomonas sp. в процессе изготовления очень соленого ферментированного рыбного соуса. Из морских бактерий получают эйкозапентаеновую кислоту — самый ценный компонент рыбьего жира. Белок, полученный из холодоустойчивых бактерий, используется для получения снега (снегопада). Подобные «антифризные» белки могут быть использованы в производстве мороженого и подобных продуктов, а гены, кодирующие их, — для создания трансгенных организмов.

В 1983 г. в продажу поступил человеческий инсулин (под коммерческим названием «хемулин»), выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне, который необходим для больных диабетом.

В нашей стране первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК были начаты в 1974 г. в Институте молекулярной биологии Российской академии наук, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина Российской академии наук, Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, а также в Институте биоорганиче- ской химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук. Специалистами этих институтов были созданы бактериальные штаммы — продуценты гормона роста человека и сельскохозяйственных животных, проинсулина человека и многих других веществ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >