Генетика микроорганизмов. 
Микробиология

Сохранение специфических структурных и функциональных свойств организмов, т. е. постоянство признаков на протяжении многих поколений, называют наследственностью. Впервые материалы для познания механизма наследственности были получены в XVII в. в связи с открытием спермы и яйца. Роль гамет в жизненном цикле высших организмов была постепенно изучена, и стало ясно, что свойства родителей передаются потомству посредством физического «вещества», переносимого в спермиях и яйцах. Дальнейшие наблюдения выявили, что данные генетические факторы содержатся в ядрах гамет как у растений, так и у животных.

Наследственные факторы микроорганизмов

Установлено, что в эукариотных клетках — ядра, а в прокариотных — нуклеоиды служат местом нахождения генетического материала, который представлен ДНК с молекулярной массой 2,9* I0⁹ а.е.м.¹ и длиной молекулы 1100—1600 мкм. Молекулы ДНК бактерий имеют вид длинных двойных цепей полимеров — полинуклеотидов, состоящих из мономеров — нуклеотидов.

Каждый мононуклеотид включает одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин или тимин, одну молекулу пентозы и одну молекулу фосфорной кислоты. Обычно молекула ДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуют двойную спираль. При этом аденин одной нити находится в паре с тимином другой, а гуанин аналогично связан с цитозином. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет информацию, необходимую для синтеза белков. В бактериальной клетке ДНК имеет форму нити, замкнутой в виде кольца. Эта нить называ;

А.е.м. — атомная единица массы, равная 1,66 057* 10 ²⁷ кг.

ется бактериальной хромосомой. Данная хромосома, как и хромосомы всех живых организмов, имеет отдельные участки — гены (фрагменты молекулы ДНК), дискретно расположенные и несущие генетическую информацию относительно всех признаков, присущих клетке. Ген — главный фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Каждый наследственный признак контролируется соответствующими генами.

Генетические исследования показали также, что конкретные признаки микроорганизмов обусловливают ферменты. Это послужило в свое время основанием для теории «один ген — один фермент», которая утверждает, что каждый ген определяет образование специфичного фермента. В дальнейшем оказалось, что гены кодируют не только ферменты, но и многие другие белки. Например, гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами структурных белках, называют структурными генами. Транскрипция генов регулируется определенными регуляторными генами.

Генетический материал микроорганизмов может содержаться не только в хромосоме, но и во внехромосомных структурах — плазмидах, расположенных автономно в цитоплазме или в интегрированном с хромосомой состоянии.

Информация, заключенная в гене, считывается и используется при синтезе специфичного ферментного белка. Наличие этого белка создает химическую основу для проявления определенного признака у микроорганизма. В итоге все наследственные признаки микроорганизмов представляют собой конечные продукты биохимических процессов, что в равной мере применимо и к физиологическим особенностям, и к морфологическим признакам.

Один ген может контролировать наследование одного признака или определять несколько или многие признаки, затрагивающие различные части клетки микроорганизма. Несколько генов могут также совместно контролировать проявление какого-либо одного признака.

В бактериальной хромосоме все гены расположены в линейной последовательности. Гены определенных признаков лежат в соответствующих местах хромосомы, называемых локусами. Бактерии обычно гаплоидны, т. е. имеют только один набор генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка микроорганизма, составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов называется фенотипом (от грсч. phaino — являю). Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называют модификациями (фенотипическими адаптациями). Таким образом, взаимодействие генетических задатков с внешней средой может быть причиной возникновения различных фенотипов, даже если генотипы идентичны. Однако потенциальный размах таких фенотипических различий контролируется генотипом.

Модификации, как правило, существуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды, они не передаются потомкам и не наследуются ими. Так, обработка фенолом бактерий со жгутиками препятствует развитию жгутиков у этих организмов. Однако у потомства обработанных фенолом безжгутиковых бактерий, выращенного на среде без фенола, образуются нормальные жгутики.

Установлено, что практически все морфологические и физиологические признаки микроорганизмов прямо или косвенно контролируются генетической информацией, заключенной в ДНК.

Информация, которую несет ДНК, нс представляет собой что-то абсолютно стабильное и неизменное. Если бы информация, передаваемая от одного поколения к другому, никогда нс менялась, то диапазон реакций близкородственных организмов на факторы внешней среды был бы также постоянным и любое внезапное их изменение, оказавшееся вредным для микроорганизмов с застывшим генотипом, могло бы привести к исчезновению вида. Информация, передающаяся от поколения к поколению, нестабильна, что оказывается полезным для выживания вида.

Как уже отмечалось, плазмиды — это внехромосомные кольцевидные молекулы ДНК различной молекулярной массы, обладающие свойствами репликона — способностью к независимой репликации. Плазмиды — не обязательный генетический материал бактерий, необходимый для проявления се жизнедеятельности. Они выявлены у 50% бактерий родов Enterobacter и Pseudomonas, у 10% бактерий рода Bacillus. В то же время плазмиды могут определять весьма сложные свойства бактерий, например способность к передаче генетического материала от донорских Р-клеток к реципиентным Р-клеткам при конъюгации (Рплазмида); устойчивость к антибиотикам, сульфаниламидным препаратам (R- плазм иды); способность к синтезу токсинов (Ent-плазмида); способность использовать нафталин, камфору, октан и другие сложные соединения; образование фимбрий, которыми энтеробактерии прикрепляются к кишечному эпителию, и др.

Все известные плазмиды подразделяют на конъюгативные и неконъюгативные. Конъюгативные плазмиды переносят собственную ДНК от клетки-донора в клетку-реципиент при конъюгации. Неконъюгативные плазмиды такой способностью не обладают. Молекулярная масса конъюгативных плазмид составляет от 26 до 75* 10⁶ и неконъюгативных — не более 10* 10⁶а.е.м. Некоторые плазмиды, например F-плазмида, обладают способностью существовать в клетках бактерий в двух состояниях: в физически независимом от хромосомы и в интегрированном с последней. Другие плазмиды также могут интегрировать в хромосому бактерий, но, как правило, только в определенных условиях.

При делении бактериальной клетки плазмиды, как правило, равномерно распределяются между дочерними клетками. Наследование плазмид в процессе жизненного цикла популяции бактерий обусловливается полуконсервативной репликацией плазм ид ной ДНК. Репликация плазмидной ДНК тесно связана с системами репликации и деления клеток бактерий, поэтому плазмиду рассматривают как автономный репликон в структурном, но не в функциональном отношении.

Обычно родственные плазмиды не могут сосуществовать в одной бактериальной клетке. Это явление, получившее название несовместимости, стало одним из главных признаков при классификации плазмид. Как правило, в бактериальной клетке остается только одна плазмида из группы несовместимости. Неродственные плазмиды совместимы в клетке, так как системы, которые регулируют процесс их репликации, не зависят друг от друга. Например, в клетках ряда видов из родов Pseudomonas и Staphylococcus выявлены плазмиды, относящиеся к десяти группам, а в клетках представителей семейств Enterobacteriaceae — к 40 группам.

Каждая группа несовместимости имеет несколько десятков плазмид, каждая из которых несет один или несколько генов. Следовательно, чем больше плазмид разных групп несовместимости будет находиться в клетке, тем больше дополнительной генетической информации будет иметь микроорганизм. Имеющаяся в плазмидах генетическая информация, нс являясь в обычных условиях существования жизненно важной, может оказаться весьма необходимой в экстремальных условиях. Поэтому плазмиды считают факторами, увеличивающими жизнеспособность бактерий в организме хозяина и в окружающей среде.

В изменчивости микроорганизмов важную роль играют транс— позоны — подвижные генетические элементы, представляющие собой сегменты ДНК, способные к внутрии межхромосомным перемещениям (транспозициям), а также к перемещениям от плазмиды к плазмиде и от плазмиды к хромосоме. Транспозоны обладают рядом особых свойств. Они могут переносить фрагменты ДНК, заключенные между двумя транспозонами, и генерировать в ДНК полярные мутации, делеции и инверсии. Транспозоны способны также «включать» и «выключать» соседние с ними гены, поскольку в транспозонах есть промоторы и терминаторы транскрипции. Благодаря перечисленным свойствам транспозоны осуществляют регуляцию активности генов и дифферениировки клеток.

По степени сложности строения выделяют три типа бактериальных транспозонов: IS-элемснты (insertion sequences), Tn-элемснты (собственно транспозоны), р (мю)-подобныс фаги. IS-элементы содержат только гены, способствующие их транспозиции, поэтому не придают клеткам бактерий какой-либо легко распознаваемый фенотип. Однако, как и другие транспозоны, IS-элементы могут интегрировать внутри генов, выполняющих определенные функции.

Tn-элементы придают бактериям устойчивость к различным антибиотикам и солям тяжелых металлов, содержат информацию о синтезе энтеротоксина, гемолизина, о сбраживании лактозы и в принципе могут нести любые другие гены. Мю-подобные фаги — наиболее сложный транспозон — имеют внеклеточную форму существования. Известны и другие типы подвижных генетических элементов.

Биологическая роль транспозонов определяется прежде всего их способностью индуцировать мутации и геномные перестройки. Однако наиболее ярким показателем значения в клетке собственно транспозонов служит их способность переносить гены, определяющие устойчивость клеток к различного рода токсичным веществам. Правда, такой перенос осуществляется только внутри клетки, но именно благодаря ему данные гены включаются в плазмиды и вместе с ними распространяются в популяциях клеток разных видов, изменяя способность последних к выживанию в неблагоприятных условиях.