700Ахвост

Рис. 22. Строение Т-четных фал», инфицирующих Е. coli

100 генов. Ее длина 34 мкм, что в сотни раз превышает длину головки. Размер фага с конца хвостового отростка до вершины головки равен около 200 нм, ширина головки 50—60 нм.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАГА С БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКОЙ

К клеточной стенке бактерий фаги прикрепляются концевы­ми нитями отростков. Затем оболочка бактерии растворяется с помощью фермента лизоцима, белковый чехол хвостового от­ростка сокращается и через канал хвостового отростка нуклеино­вая кислота вводится (впрыскивается) в цитоплазму клетки. После проникновения нуклеиновой кислоты внутрь клетки бак­терии следует Си-фаза, или фаза смены информации. В этот период фаговые частицы не обнаруживаются, однако в клетке развиваются процессы, обусловленные фаговым геномом. Начи­нается синтез иРНК и ранних белков, необходимых для синтеза ДНК фага и других структурных компонентов зрелого фага. Син­тез ДНК фага осуществляется с помощью клеточной ДНК-поли-меразы и сопровождается полным распадом ДНК бактерии и ее утилизацией. Если ДНК бактерии не хватает, фаговая ДНК син­тезируется из компонентов среды. ДНК фага можно обнаружить в клетке через 8—9 мин после заражения. С 9-й минуты начина­ют синтезироваться специфичные фаговые белки. На последнем

94

этапе взаимодействия фага с бактерией происходит самосборка фаговых частиц, которая состоит в необратимом объединении фаговой ДНК и сформировавшейся белковой оболочки. После этого происходит лизис бактерии и зрелые фаги выходят в окру­жающую среду. Полный цикл развития фага составляет 30— 90 мин. За этот период образуется 200 и более фаговых частиц, которые способны заражать новые клетки.

По характеру взаимодействия с клеткой бактерии бактериофа­ги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги всег­да лизируют клетку бактерии. Умеренные фаги могут вызвать лизис клетки бактерии, но могут перейти и в неинфекционную форму. В этом случае молекула ДНК фага прикрепляется к ДНК бактерии и передается с нею дочерним клеткам. Фаг, существую­щий в такой форме, называется профагом. Сравнительно недавно стало известно, что включение вирусной ДНК в бактериальную происходит путем кроссинговера между хромосомами бактерии и вируса. Хромосома вируса принимает кольцевую форму и при­крепляется к определенному локусу хромосомы бактерии. Затем хромосомы бактерии и вируса разрываются, концы их соединя­ются крест-накрест и профаг оказывается включенным в хромо­сому клетки хозяина. В этом случае профаг является как бы частью ДНК бактерии и вместе с ней реплицируется. Клетки бактерии, имеющие в своей хромосоме профаг, называются лизо-генными, а явление совместного существования ДНК бактерии и профага называется лизогенией.

Профаг может сосуществовать с бактериальной клеткой дли­тельное время, но при определенных условиях может отделиться от ДНК бактерии, перейти в вирулентную форму и вызвать лизис бактериальной клетки с помощью фермента лизоцима. Освобождение хромосомы вируса происходит один раз прибли­зительно на 10 000 делений лизогенной бактерии. РНК-вирусы, так же как и ДНК-вирусы, могут вызывать лизогенное состояние клеток бактерий. Установлено, что на РНК вируса может синте­зироваться комплементарная ей ДНК. На ней синтезируется вто­рая цепь ДНК. Таким образом, образуется полноценная молеку­ла ДНК, способная соединиться с ДНК клетки хозяина. В каче­стве провируса эта ДНК может передаваться потомству, и вызываемая данным вирусом болезнь может стать как бы наслед­ственной. Наличие профага в составе бактериальной хромосомы не мешает репликации ДНК бактерии. Однако гены профага, встроенные в ДНК клетки, не транскрибируются. Это связано с образованием в клетке бактерии репрессора — низкомолекулярно­го белка, блокирующего считывание наследственной информа­ции, записанной в фаговой ДНК. Умеренные фаги могут быть Дефектными, т. е. не способными к образованию зрелых фаго­вых частиц. Такие фаги осуществляют трансдукцию и использу­ются в генной инженерии.

95

ПОНЯТИЕ О ГЕНОТИПЕ И ФЕНОТИПЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Генотип — совокупность генов бактериальной клетки; фено­тип — совокупность всех признаков и свойств, проявляемых данной культурой. В отличие от особей высших организмов, у которых исследуются признаки и свойства каждой особи, у мик­роорганизмов изучаются признаки и свойства в целом всей куль­туры (штамма), т. е. совокупности клеток, включающих миллио­ны и миллиарды особей. Культуры микробов могут отличаться морфологическими, физиологическими и биохимическими при­знаками. К морфологическим признакам относятся окраска, раз­мер, форма, характер края и поверхности отдельно растущих колоний и т. д.; к физиологическим и биохимическим — способ­ность или неспособность расти при пониженной или повышен­ной температуре, устойчивость к антибиотикам, различным ядам, облучению, отношение к питательным средам.

П<* способу питания бактерии делятся на прототрофные и аук-сотрофные. Прототрофные могут жить на минимальной питатель­ной среде (содержащей минеральные соли и углеводы) и необхо­димые им вещества способны синтезировать сами. В то же время получено много штаммов грибов и бактерий, которые в отличие от исходного штамма (так называемого дикого типа) лишены способ­ности синтезировать одну или несколько аминокислот или другие факторы роста из более простых предшественников. Такие штам­мы называют ауксотрофными. Ауксотрофный штамм можно иден­тифицировать по его неспособности расти и размножаться на син­тетической среде, которая не содержит какого-то специфического фактора роста. Но если в синтетическую среду добавить компо­нент, который ауксотрофный штамм не способен самостоятельно синтезировать, то он начинает расти так, что его уже невозможно отличить от прототрофного. Таким образом, культура микроорга­низма может быть изучена в отношении многих признаков.

Гены, ответственные за синтез определенного соединения, обозначают тремя строчными буквами, соответствующими на­чальным буквам этого соединения. Гены исходного дикого типа обозначают со знаком «+», например, his"¹" — гистидиновый ген, leu⁺ — лейциновый ген, arg⁺ — аргининовый ген и т. д. Гены чув­ствительности или резистентности к лекарственным препаратам, фагам и ядам обозначают буквами s (sensitive — чувствительный) и г (resistant — резистентный). Например, чувствительность к стреп­томицину обозначают sti*, а резистентность — str^r. Фенотип бак­терий обозначают теми же символами, что и генотип, но с про­писной буквы. Так, генотипам his⁺, leu"¹", aig⁺, str^r соответствуют фенотипы His⁺, Leu⁺, Arg⁺, Str^r. Символы His"¹", Leu⁺, Arg⁺ указы­вают на способность синтезировать гистидин, лейцин, аргинин, а символ Str^r — на резистентность к стрептомицину. Альтернатив­ные им признаки обозначают символами His~~, Leu~, Arg~, Str⁵.

96

Генотип микроорганизмов представлен совокупностью генов, обусловливающих потенциальную возможность формирования любого их признака. Но формирование признака происходит в определенных условиях окружающей среды, которые не всегда способствуют проявлению генотипа. Так, два штамма Е. coli с генотипами lac* и 1ас~ на среде с лактозой будут иметь разные фенотипы: бактерии с генотипом 1ас+ образуют колонии красного цвета, а бактерии с генотипом 1ас~ образуют бесцветные колонии, так как они не ферментируют лактозу. При выращивании этих штаммов на среде без лактозы фенотип их будет одинаковым. Патогенный генотип одного штамма бактерий можно отличить от другого непатогенного штамма только при заражении восприим­чивого животного. В организме невосприимчивого животного ге­нотип патогенного штамма не появится.

Исследования по генетике микроорганизмов показывают, что им присуща большая изменчивость. Изменения, возникающие под влиянием окружающей среды и не сохраняющиеся при пере­носе клеток в исходные условия, носят название модификацион-ных. Модификации не наследственны, они не затрагивают геноти­па микроба и исчезают в первом или последующих поколениях. Микроорганизмам, как и всем прочим живым организмам, свойст­венно проявление комбинативной изменчивости, которая является наследственной. В силу того что прокариоты имеют гаплоидный набор хромосом и им несвойственно половое размножение, гене­тические рекомбинации у них имеют свои особенности. Рекомби­нация у бактерий происходит путем переноса генетического мате­риала из клетки донора в клетку реципиента при помощи конъ­югации, трансдукции и трансформации. Эти процессы отличаются главным образом способом переноса генетического материала.