4. Зміст лекційного матеріалу: текст лекції

Тема лекції: ГЕНЕТИКА МІКРООРГАНІЗМІВ

Генетика мікроорганізмів — наука про закони спадковості і мінливості мікроорганізмів, тобто про те, як успадковуються ознаки у мікроорганізмів і як відбувається їх зміна. Генетика мікроорганізмів — популяційна генетика, так як вона вивчає ознаки популяцій, а не окремих особин. Це зв’язано не стільки з тим, що сучасні методи дослідження часто виявляються недостатньо чутливими для вивчення властивостей окремих мікробних клітин, скільки з тим, що мікроорганізми представляють, як правило, достатньо гетерогенні популяції через процеси мінливості, що безперервно відбуваються в умовах швидкого розмноження гаплоїдних організмів.

1. Короткий історичний нарис розвитку Вчення про генетику мікроорганізмів

Генетика мікроорганізмів пройшла у своєму розвитку 3 етапи. 1-й етап (друга половина XIX ст.) характеризується становленням наукової мікробіології, описанням видів мікроорганізмів й одержанням перших даних про мінливість мікробів. У цей період йшла боротьба між двома полярними напрямками — мономорфізмом (Кох, Кон), що постулював незмінність видів бактерій; плеоморфізмом (Негелі), що визнавав безмежну мінливість мікробів то такої міри, що говорилося про один патогенний мікроорганізм Coccobacteria septica, як здатний, в залежності від умов, викликати найрізноманітніші інфекційні захворювання. На цьому етапі перемогу одержали мономорфісти.

На другому етапі (перша половина XX ст.) відбувалося поступове накопичення відомостей про мінливість мікроорганізмів, вплив різних факторів на процеси мінливості. Важливий внесок було зроблено роботами Г. А. Надсона й Г . С.Філіппова (1925 р.) про мутагенну дію рентгенівських променів на дріжджі. Однак вважали, що закони спадковості і мінливості вищих організмів незастосовні до бактерій.

3-й, сучасний етап розвитку генетики мікроорганізмів, починається з 1944 року, коли була опублікована робота О. Єйвері, К. Мак-Лауда і К. Мак-Карті, у якій вперше була доведена експериментально генетична роль ДНК. Ця робота, основоположна для застосування молекулярної біології і молекулярної генетики, була присвячена вивченню процесу трансформації пневмокока, відкритого ще в 1928 році Ф. Гріффітсом. В подальшому саме мікроорганізми стали об’єктом дослідження в фундаментальних відкриттях сучасної молекулярної біології й генетики, а генетика мікроорганізмів продовжує займати авангардне положення в молекулярній біології й генетиці.

2. Класифікація форм мінливості мікроорганізмів

Мікроорганізми змінюють свої властивості в широкому діапазоні, причому мінятися можуть основні признаки, які є головними для ідентифікації виділеної чистої культури. На табл. 4.1. наведена класифікація форм мінливості мікроорганізмів (бактерій), що наочно демонструє зміни властивостей мікроорганізмів і механізми мінливості, тому немає необхідності детально розбирати всі можливі форми мінливості. Наведемо лише декілька прикладів.

Таблиця 4.1. Класифікація форм мінливості мікроорганізмів

Підстава для класифікації	Мінливість
За характером ознак, що змінюються.	Властивостей: морфологічних, тинкторіальних, культуральних, біохімічних, біологічних, серологічних, фаголізабельних, бактеріоциногенних, чутливості до лікарських препаратів
За діапазоном мінливості	Внутрішньовидова неспадкова; Внутрішньовидова спадкова; Видоутворююча
За механізмом мінливості	Мутаційна: Спонтанні; Індуковані мутації Адаптивна: Модифікація Тривала модифікація Комбінативна: Трансформація Трансфузія Лізогенна конверсія Кон’югація

У мікроорганізмів (бактерій) мінливість морфологічних властивостей (гетероморфізм) часто буває при старінні культури і при дії несприятливих факторів. Бактерії можуть змінювати розміри та форму, втрачати рухливість, покриватися капсулою або втрачати її та ін. Приклад мінливості тинкторіальних властивостей — забарвлення звичайно грамнегативних гонококів грампозитивно при хронічній гонореї на тлі довгого лікування, поява кислотоподатливих форм мікобактерій тощо.

Найбільш яскравою формою мінливості бактерій зі зміною багатьох властивостей є S — R-дисоціація, яка виявляється перш за все в зміні морфології колоній, тобто в зміні культуральних властивостей бактерій. Явище дисоціації було відкрито під час виконання курсової роботи студентом 3-го курсу Полем де Крюі, а потім детально вивчено в працях Дж. Аркрайта.

S-R-дисоціація виникає спонтанно і зовні виражається у появі двох типів колоній. Колонії одного типу, R-колонії (англ. rough — шорсткий), характеризуються нерівними краями і шорсткою поверхнею, мають більш великі розміри. Другий тип, S-колонії (англ. smooth — гладенький) має круглу форму і гладеньку поверхню. В таблиці 4.2 представлено основні відмінності клітин з S- та R-колоній.

Процес дисоціації як првило здійснюється в одному напрямку — від S- до R – форми через проміжну О-форму, зворотний перехід спостерігається рідко. Більшість патогенних бактерій має вірулентність в S-формі а при переході в R-форму їхня вірулентність знижується. Часто збудник виділяється спочатку захворювання в S-формі, а наприкінці захворювання — в R-формі, що вимагає врахування при бактеріологічній діагностиці.

Таблиця 4.2. ВЛАСТИВОСТІ клітин з s — та r-колоній

S тип	R-тип
Колонії гладенькі, правильні, випуклі	Колонії шорсткі, нерівні, сплощені
Колонії утворюють дочірні вузлики	Рідко утворюють дочірні вузлики
У рухомих видів є джгутики	У рухомих видів джгутиків може не бути
У капсульних видів добре помітний слизовий шар	Капсули можуть не утворюватися
За біохімічними властивостями більш активні	За біохімічними властивостями менш активні
У більшості патогенних видів вірулентна стадія	Слабко або зовсім не вірулентна стадія
Звичайно виділяється у гострому періоді захворювання	Зв’язаний більшою мірою із хронічними формами захворювання та здоровим носійством
Чутливі до фагу	Менш чутливі до фагу
Фагоцитуються слабо	Легко фагоцитуються

Деякі бактерії, навпаки, є вірулентними в R-формі. До них відносяться збудники чуми, туляремії, сибірки, туберкульозу, дифтерії, стрептокок і деякі інші.

В процесі дисоціації водночас із зміною морфології колоній змінюються і біохімічні, антигенні, патогенні та інші властивості бактерій. Дисоціація розглядається як стереотипна пристосувальна реакція бактерій на вплив несприятливих факторів середовища. S – R-дисоціація забезпечує бактеріям селективні переваги в умовах існування, що постійно змінюються. S-форми, наприклад, більш стійкі до фагоцитозу, дії бактерицидних чинників крові, R-форми більш тривкі в зовнішньому середовищі.

Механізм дисоціації зв’язаний з мутаційною мінливістю, найчастіше спричиненої інтеграцією позахромосомних генетичних факторів, плазмід, в бактерійну хромосому .

Своєрідною формою мінливості є перехід бактерій в L – форму. L-форми отримали таку назву тому, що були відкриті в інституті ім. Д. Лістера. При переході бактерій в L – форму вони втрачають здатність утворювати клітинну стінку, перетворюються на гігантські кулі, які розшнуровуються на дрібні, авізуальні форми, що фільтруються. У подальшому такі цикли розвитку можуть повторюватися. L – форми ростуть на поживних середовищах, утворюючи дрібні, що вростають в агар, колонії з щільним центром і пенькуватою периферією. L-форми відіграють важливу роль у патології, тому що в такій формі бактерії можуть довго зберігатися в організмі людини. Описано L – форми більшості бактерій, патогенних для людини. Можлива реверсія L – форм у початковий вид.

Як це випливає з таблиці, спостерігається мінливість всіх ознак, які ми вивчаємо при ідентифікації бактерій. Особливе значення для одержання вакцин має мінливість біологічних властивостей бактерій. Мінливість чутливості до лікарських препаратів хоча й несуттєва для ідентифікації бактерій, але відіграє важливу роль при антибіотикотерапії й хіміотерапії.

Діапазон мінливості може бути різноманітним, ми звичайно спостерігаємо внутрішньовидову неспадкову і спадкову форми мінливості, проте еволюційний процес продовжується і в теперішній час, хоча він часто і непомітний.