4. Організація генетичного матеріалу в бактерій

На відміну від хромосоми еукаріот спадковий матеріал прокаріот представлений однією молекулою ДНК, нерідко замкненою у кільце. Молекулярна маса ДНК бактерій порівняно велика, в ДНК кишкової палички вона дорівняє 2 Х 10⁹. Генетичний матеріал бактерій називають бактеріальною хромосомою, або нуклеоїдом. Окрім нуклеоїда, генетичний матеріал у бактерій може міститися в плазмідах, транспозонах і Is-послідовностях. Ці позахромосомні спадкові елементи не є обов’язковими, але можуть надавати бактеріям селективні переваги, наприклад лікарську стійкість.

Плазміди — позахромосомні генетичні елементи, що являють собою невеликі замкнені в кільце нитки ДНК з 1,5 – 400 тисяч пар нуклеотидів. Плазміди можуть знаходитися в цитоплазмі в автономному, вільному стані у вигляді однієї або декількох копій, тоді вони реплікуються незалежно від хромосоми. Пазміди також можуть бути вбудовані до складу хромосоми, тобто знаходитись в інтегрованому стані. Тоді їх називають епісомами. В цьому випадку вони відтворюються разом із хромосомою і передаються в ряді поколінь. Бактерії можуть втрачати плазміди і здобувати їх. Плазміди містять у своєму складі ген, який забезпечує їх здатність до передачі іншим бактеріальним клітинам, і гени, які кодують певну ознаку.

У теперішній час описано декілька десятків плазмід. Ми можемо зупинитися лише на деяких: профагу, F-плазміді, плазміді бактеріоціногенності і R-плазміді.

Профаг може служити моделлю плазміди, тому що він здатний існувати в автономному й інтегрованому стані і не є обов’язковим генетичним елементом бактерій. Із інтегруванням профагу в бактеріальну хромосому і надбанням бактеріями лізогенних властивостей одночасно у бактерій можуть проявлятися нові властивості, привнесені профагом. Цей процес називають лізогенною конверсією. Наприклад, дифтерійна паличка є токсигенною лише тоді, коли вона лізогенна (токсигенна конверсія).

F-плазміда, або статевий фактор (фактор фертильності, плодовитості), має молекулярну масу близько 60^.10⁶ і контролює синтез статевих ворсинок. Бактеріальна клітина, яка має F-плазміду, утворює кон’югативні ворсини, за допомогою яких встановлюється зв’язок між F⁺ (“чоловічими”) та F^- (“жіночими”) клітинами і по яких відбувається передача генів під час кон’югативного процесу, аналогові статевого процесу у бактерій. При видаленні F-плазміди клітини втрачають властивості донорів генів і набувають властивостей їхніх реципієнтів — перетворення “чоловічої” особини в “жіночу”. Процес кон’югації забезпечує бактеріям можливість обміну генами, що служить одним із важливих факторів набуття селективних переваг в умовах існування, які змінюються.

Бактеріоциногенні плазміди контролюють синтез антибіотичних речовин бактеріоцинів. Бактеріоцини згубно діють на бактерії того ж або близьких видів, які не мають фактору бактеріоциногенності. Бактеріоцини, виявлені у багатьох бактерій — кишкових бактерій (коліцини), палички чуми (пестицини), стафілококів (стафілоцини) та ін. Якщо клітина продукує бактеріоцин, вона гине, але бактеріоцини, що утворилися, впливають на формування мікробних асоціацій. Коліцини кишкової палички, наприклад, мають антагоністичну дію щодо патогенних представників кишкової родини.

Вивчення бактеріоциногенності допомагає при типуванні бактерій, тому що розрізняють бактеріоциногеновари (варіанти бактерій за властивістю продукувати певний варіант бактеріоцину) і бактеріоциновари (варіанти бактерій за чутливістю до різних бактеріоцинів). Це служить інструментом епідеміологічного аналізу, тому що дає можливість визначати джерела інфекції.

R – плазміда, фактор лікарської стійкості — визначає стійкість бактерій до одного або ж багатьох лікарських препаратів. Передача R – плазмід від одних бактерій до інших призводить до широкого розповсюдження їх не лише серед патогенних, але й умовно-патогенних бактерій завдяки тому, що їх наявність дає селективні переваги в умовах широкого застосування антибіотиків. У грамнегативних бактерій передача R – плазмід може здійснюватися при кон’югації, у грампозитивних — частіше шляхом трансдукції (переносу за допомогою помірного фагу).

Транспозони являють собою послідовності в декілька тисяч пар нуклеотидів, які несуть генетичну інформацію для транспозиції — переміщення всередині бактеріальної хромосоми або з хромосоми на пламіди й навпаки. Транспозони нездатні до самостійної реплікації, відтворюються лише у структурі хромосоми. При включенні їх в бактеріальну ДНК вони викликають в ній подвоєння ділянок, при переміщенні — делеції (випадіння) й інверсії (зворотній порядок нуклеотидів частини нуклеїнової кислоти), що призводить до мутацій. Крім того, транспозони можуть містити генетичну інформацію для синтезу бактеріальних токсинів і ферментів.

Is – послідовності (англ. insertion — вставка, sequence — послідовність), являють собою фрагменти ДНК довжиною в 100 пар і більше нуклеотидів , що містять інформацію лише для транспозиції, переміщення в різні ділянки ДНК. При переміщенні Is — послідовностей змінюється функціонування хромосомних генів — вони можуть інактивуватися або ж експресуватися, в них можуть виникати мутації.

Таким чином, у бактерій генетичний матеріал організовано відповідно до загальнобіологічних закономірностей, але є деякі відмінності: функцію матеріальної основи спадковості деяких вірусів можуть виконувати РНК, у генетичних процесах у бактерій можуть відігравати важливу роль позахромосомні фактори — плазміди, транспозони, Is – послідовності.

5. Мутаційна й адаптивна форми мінливості мікроорганізмів

Мутаційна мінливість.

Мутації — швидкі, неспрямовані, випадкові зміни властивостей мікроорганізмів, зв’язані зі змінами в генотипі. Їх умовно поділяють на спонтанні й індуковані.

Спонтанні мутації відбуваються з невеликою частотою (10^{-4 _} 10¹⁰). Вони з’являються під впливом різноманітних причин: мутагенного фону випромінювань, помилок в реплікації нуклеїнових кислот, включення в бактеріальну хромосому плазмід, транспозонів, Is — послідовностей та інші.

Індуковані мутації виникають під впливом мутагенних факторів (рентгенівського, гама-, ультрафіолетового випроміннювання, дії радіоміметиків) з більшою частотою (10^-4 – 10^-2) Мутагени не мають специфічності дії, вони можуть викликати мутаційні зміни в різних генах з різноманітними наслідками.

Мутації можуть бути нейтральними (що не проявляються у фенотипі), умовно-летальними та летальними (з повною втратою життєздатності). Внаслідок мутацій змінюються різноманітні властивості мікроорганізмів, наприклад, здатність продукувати певні ферменти, чутливість до лікарських препаратів та інші

Адаптивная мінливість.

Адаптивна мінливість (модифікаційна) — це фенотипічні зміни ознак мікроорганізмів, що не супроводжуються змінами структури геному і незабаром втрачаються. Вони є пристосовульними у відповідь на мінливі умови зовнішнього середовища і зумовлені індукцією або репресією відповідних генів.

Яскравим прикладом модифікації може служити утворення під впливом пеніциліну L-форм бактерій, здатних реверсувати в початкову форму після припинення дії пеніциліну. Модифікаційні зміни не успадковуються, тому що не зв’язані зі структурними змінами генотипу.

На розвиток генетики у нашій країні суттєво вплинуло панування «школи» академіка Т.Д. Лисенко, яка вважала за можливе успадкування набутих ознак безвідносно до хромосомної спадковості. Відповідно й еволюційний процес можна було розглядати як процес поступових змін, пристосування до мінливих умов існування. При цьому можливість успадкування набутих ознак визнавалась бездоказово.

Вважаємо за корисне навести один із можливих шляхів доказу ролі селекції мутантів — тест реплік. Суть його така. Роблять посів на щільне живильне середовище в чашці Петрі культури бактерій, чутливої до стрептоміцину. Потім піддають дії рентгенівського випромінювання й інкубують у термостаті. Виростає якась кількість колоній. Далі за допомогою стерильного оксамитового диску пересівають колонії на поверхню живильних середовищ без стрептоміцину і зі стрептоміцином, інкубують в термостаті. На середовищі без стрептоміцину виростає така ж кількість колоній і з тим самим взаєморозміщенням, як і в першій чашці Петрі, а на середовищі зі стрептоміцином виростають колонії лише в тому випадку, якщо внаслідок мутаційних змін з’явилася хоча б одна мутантна клітина, стійка до стрептоміцину. Можна знайти аналогічну колонію на середовищі без антибіотику, пересіяти на скошений агар і одержати культуру мікроорганізму, повністю стійку до стрептоміцину. Таким чином, без дії антибіотику, лише під впливом неадекватної причини — мутагену, можна селекціювати лікарськостійку форму мікроорганізмів. При цьому одержана зміна успадковується, тому що зв’язана зі зміною в генотипі.

Таким чином, на прикладі мікроорганізмів, ми маємо можливість одержати наочну модель швидкого придбання нових спадкових властивостей за рахунок селекції мутантів за корисними ознаками, що і складає основу еволюційного процесу.