V. Генетика микроорганизмов

5.1. Особенности генетики микроорганизмов

Генетика – это наука о наследственности и наследуемой и ненаследуемой изменчивости.

В настоящее время генетика является подлинным фундаментом для молекулярной и клеточной биологии. В свою очередь, результаты исследований в области генетики микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибов и простейших) оказались весьма важными для выяснения всех основных генетических закономерностей и принципов.

Это связано с тем, что изучение структуры и функции генетического материала, который может самовоспроизводиться, подвергаться изменениям и проявляться самыми разными способами, является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому более простой по устройству организм является и наиболее удобной моделью для изучения этих процессов. Впоследствии было выявлено, что механизмы наследования признаков у высших организмов и бактерий имеют очень много общего. Бактерии и вирусы (в том числе вирусы бактерий – бактериофаги) оказались наиболее подходящими объектами для изучения природы генетического материала, его организации и функционирования.

Это было обусловлено следующими преимуществами работы с микроорганизмами:

1. Гаплоидное строение генома, т.е. у бактерий имеется лишь одна хромосома-нуклеоид, что позволяет оценить генетические изменения уже в первом поколении бактериальных клеток.

2. Высокая скорость размножения.

3. Относительно простое строение (особенно у вирусов).

4. Удобство культивирования с возможностью быстрого изменения внешних условий.

5. Высокая разрешающая способность генетического анализа микроорганизмов с обнаружением мутаций, возникающих с частотой 10^-9 и менее.

6. Способность к комбинативной и мутационной изменчивости.

Наиболее интенсивно изучаемый вид в генетике микроорганизмов – это нормальный обитатель кишечника человека Escherchia coli. Данная бактерия легко культивируется в жидкой питательной среде, содержащей некоторые соли и простой источник углерода, например глюкозу. Из этих соединений Е.coli способна синтезировать все сложные органические молекулы, образующие клетку. За сутки культивирования популяция, возникшая из одной-единственной клетки Е.coli, может достигнуть 2-3*10⁹ бактерий на 1 мл среды.

Полученную культуру засевают на чашку Петри с питательной средой. После инкубации бактерии начинают быстро делиться и дают на агаре колонии, которые являются потомками единственной микробной клетки. Отсюда можно получить чистую культуру любой мутантной бактерии, присутствовавшей в исходной бактериальной взвеси.

Помимо экспериментов на бактериях, существенный вклад в генетику внесли исследования с помощью бактериофагов – вирусов бактерий. Заражая фагом (в том числе – и с измененным геномом) чувствительную культуру микроорганизмов, можно получить большую популяцию фаговых частиц. После инкубации бактерии, размножаясь, образуют на агаре сплошной газон клеток. В местах, инфицированных бактериофагом, образуются негативные колонии или бляшки. При определенных условиях каждая негативная колония на бактериальном газоне содержит потомство одной индивидуальной частицы фага. Тем самым осуществляется накопление генетического материала фага для его последующего изучения.

Использование микробиологических систем привело к выдающимся открытиям в генетике.

1. На бактериях впервые была установлена химическая природа наследственного материала и заложен фундамент молекулярной генетики (О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти, 1944)

1. На бактериях и фагах решена проблема генетического кода (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953)

1. Доказан полуконсервативный способ репликации ДНК (М. Мезелсон, Ф. Сталь, 1958).

1. Изучена тонкая структура гена (С. Бензер, 1955)

1. Установлен механизм мутаций и рекомбинаций.

1. Разработана концепция оперона как модели организации генов в хромосоме (Ф. Жакоб, Ж. Моно, 1961)

1. Выявлено наличие информационной (матричной) РНК. Она впервые была обнаружена в 1961 г. Ф.Жакобом и Ж.Моно у бактерий, зараженных фагом, а позднее у высших организмов.

1. Исследования в области генетики микроорганизмов привели к созданию важнейшей прикладной отрасли современной генетики – генной инженерии.