5. 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 локализуется в нуклеоиде у прокариот и в ядре у эукариот. Нуклеоид бактерий называют условной бактериальной хромосомой. 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, реализованных в конкретных условиях, составляет его фенотип. В зависимости от условий организмы одного генотипа могут образовывать особи с разными фенотипами. Кроме хромосом, в некоторых бактериальных клетках содержатся внехромосомные генетические структуры – плазмиды. Это тоже молекулы ДНК.

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

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 – культуральная 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 вызвавших.

Генотип 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.

Мутация – внезапные, случайные наследственные изменения у микроорганизмов. Эти изменения стойкие, необратимые, передаются по наследству. Особенно часто получение стойких мутаций микроорганизмов

Возможно при воздействии лучистой энергии (рентгеновскими, ультрафиолетовыми лучами), некоторых химических веществ (азотистой кислотой и др.). Такие факторы называют мутагенными. Кроме мутаций к изменению наследственности приводят рекомбинации – изменение комбинации генов. Рекомбинации представляют собой процесс обмена фрагмента ДНК клетки-донора (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 микроорганизма-донора. Ее источником могут быть свежеубитые микроорганизмы.

Конъюгация (спаривание) – передача генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту путем их непосредственного контакта через цитоплазматический мостик.

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

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

Процессы развития 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 рас микроорганизмов и выведение новых рас с ценными свойствами. Так, с помощью мутагенных факторов был получен штамм гриба рода Penicillium, обладающей повышенной способностью продуцировать пенициллин. Адаптация стала одним из методов селекции микроорганизмов для производственных целей, например

Адаптация дрожжей к спирту, высокой концентрации сухих веществ, высокой кислотности среды и т.п.