Генетика микроорганизмов

     Спонтанные  мутации возникают под влиянием неизвестных причин.

     Индуцированные (направленные) мутации проявляются  в результате обработки микроорганизмов  специальными мутагенами.В основе механизма действия мутагенов лежит их прямое  или косвенное влияние на ДНК или на ее предшественников- основания.

     В результате бактериальных мутаций  могут отличаться:

     а) изменение морфологических свойств;

     б) возникновение устойчивости к лекарственным  препаратам; в) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества;

     г)ослабление патогенных свойств и т.д.

Например, методом направленных мутаций получены живые вакцины с ослабленной вирулентностью, которые с успехом используются для профилактики листероза(вакцина АУФ), сальмонелла свиней(вакцина ТС-177) и др.

      Генетические  рекомбинации. Кроме мутаций, ведущих к изменению генотипа, у бактерий известны три способа передачи генетической информации от донорской клетки с одним генотипом реципиенту с другим генотипом. Эта передача осуществляется путем трансформации, трансдукции и конъюгации. В результате генетического обмена между бактериями образуется рекомбинанты- т.е. бактерии, обладающие свойством обоих родителей. Клетки-рекомбинанты в основном сохраняют генотип бактерии-реципиента, приобретая отдельные свойства бактерии-донора. Это связано с тем, что рекомбинат несет хромосому реципиента, в которую включаются только отдельные фрагменты ДНК донора. 

     Трансформация( Преобразование, перестройка) – измененние генома бактерии-реципиента в результате поглощенной из среды свободного фрагмента ДНК клетки-донора. Впервые явление трансформации у бактерий наблюдал Ф. Гриффитс. Он одновременно ввел мышам две культуры пневмококков: первая непотогенная бескапсульная (R-штамм), а вторая- патогенная с капсулой (S-штамм), убитая нагреванием. Из крови погибших мышей были выведены патогенные с капсулой бактерии пневмококка третьего типа. Это означало, что убитые нагреванием клетки передали наследственную информацию к образованию капсул непатогенному бескапсульному штамму. В 1944 г. О.Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что трансфармирующим веществом является ДНК.

     В процессе различают пять стадий: первая- адсорбция трансформирующей ДНК на поверхность микробной клетки; вторая- проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья- спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клеток; четвертая-  включение участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры реципиента; пятая- дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений. Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: устойчивость к антибиотикам, синтез капсульного полисахарида, синтез ферментов и т.п. Обычно при трансформации изменяется один какой-нибудь признак.

Трансдукция (от лат. transductio —  перемещение)- перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса, что приводит к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Явление Трансдукция было открыто американскими учёными Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 г.. Особые бактериальные вирусы — умеренные фаги в процессе вегетативного размножения способны случайно захватывать и переносить в другие клетки любые участки ДНК разрушаемых ими, бактерий (общая, или неспецифическая, Трансдукция). Длина переносимого (трансдуцируемого) отрезка ДНК определяется размером белковой оболочки фаговой частицы и обычно не превышает 1—2% бактериального генома. Переносимый отрезок может содержать несколько генов. Поскольку вероятность такой сцепленной Трансдукция зависит от расстояния между генами в молекуле ДНК, образующей хромосому бактерии, явление Трансдукция широко используется при составлении генетических карт хромосом бактерий. Генетический материал фага в таких трансдуцирующих частицах отсутствует; поэтому, вводя ДНК в клетку, они не осуществляют все остальные функции фага: не размножаются, не лизогенизируют клетку и не наделяют её иммунитетом к фагу. Внесённый фрагмент может существовать в клетке в виде дополнительной генетического элемента, обладающего функциональной активностью. Поскольку такой фрагмент не способен воспроизводиться, при каждом клеточном делении он передаётся лишь в одну из дочерних клеток. За исключением этой клетки свойства всего остального потомства остаются без изменений (абортивная Трансдукция). В дальнейшем фрагмент может быть либо разрушен, либо включен в хромосому бактерии, заменив в ней гомологичный участок ДНК. В последнем случае новые признаки, приобретённые клеткой-трансдуктантом, будут свойственны всему потомству этой клетки (полная Трансдукция).

 Существует группа  бактериофагов, способных трансдуцировать  лишь определённые гены, расположенные  рядом с местом включения генома  фага в хромосому бактерии  при лизогенизации (ограниченная, или специфическая, Трансдукция). Такие трансдуцирующие фаговые  частицы, образующиеся в результате  случайного нарушения точности  процесса выхода профага из  бактериальной хромосомы, содержат  молекулу ДНК, состоящую из  остатка фагового генома и  фрагмента бактериального генома. В большинстве случаев они  не могут самостоятельно размножаться  или лизогенезировать бактерии из-за утраты части фагового генома (до 30%). Генетический материал трансдуцирующих частиц может сохраняться в клетке в автономном состоянии или в качестве профага включиться в ДНК бактерии. Однако в обоих случаях часть потомства восстанавливает исходные свойства из-за утраты профага. Стабильная Трансдукция достигается только в случае включения бактериального фрагмента профага в геном бактерии в результате обмена на гомологичный участок хромосомы.

      Конъюга́ция (от лат. conjugatio — соединение), парасексуальный процесс — однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации. Генетическигй материал переносится от одной бактериальной клетки к другой по тонкому мостику(образованный ворсинкой F-пили донорской клетки.), через который из одной клетки (донора) в другую (реципиент) переходит отрезок нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Наследственные свойства реципиента изменяются в соответствии с количеством генетической информации, заключённой в переданном кусочке ДНК.

     Плазмиды .

Плазмиды  — дополнительные факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой кольцевые (замкнутые) или линейные молекулы ДНК. Широко используются в генной инженерии для переноса генетической информации и генетических манипуляций. Для этого создаются искусственные плазмиды — векторы, состоящие из частей, взятых из разных генетических источников, а также из искусственно созданных фрагментов ДНК.

      К Плазмидам относят генетические факторы клеточных органелл (митохондрий, пластид и др.) и генетические факторы, не являющиеся обязательными компонентами клеток. Из последних более изучены так называемый каппа-фактор у парамеций, продуцирующих антибиотическое вещество парамеции, фактор чувствительности к CO2 и агент, обусловливающий бессамцовость у дрозофил, а также ряд бактериальных Плазмиды У бактерий Плазмиды могут контролировать устойчивость к лекарственным веществам, синтез бактерицинов, энтеротоксина, гемолизина и некоторых антигенов. Плазмиды, называющиеся половыми факторами, определяют половую дифференциацию у бактерий. Показано, что многие Плазмиды состоят из кольцевых молекул двухнитевой ДНК с молекулярной массой 10⁶—10⁸ дальтон

     Генная  инженерия.

Генная  инженерия - раздел молекулярной генетики, связанный с конструированием несуществующих в природе сочетаний генов при помощи генетических и биохимических методов.

     Генная  инженерия включает следующие задачи:

-Получение  гена путем их  синтеза или выделения  из клеток;

-получение  рекомбинантных молекул  ДНК;

-копирование  и размножение  выделенных или  синтезированных  генов или генетических  структур;

-введение  в клетку генов  или генетических  структур и синтез  чужеродного белка. 

Метод генетической инженерии относится к числу  перспективнейших при получении  многих белковых биологических веществ, представляющих ценность для медицины. Этим методом получены: интерфероны, интерлейкины, инсулин, гормон роста, тканевый активатор плазминогена, вакцина против гепатита В, моноклональные антитела для  предупреждения отторжения при пересадки почки, диагностические препараты для выявления ВИЧ и другие.

С помощью генной инженерии создаются препараты  второго поколения, т.е. аналоги природных  веществ, обладающих большей эффективностью действия. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

        Основной целью генной инженерии  является создание новых штаммов  и видов в целях микробного  синтеза ферментов, гормонов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов  и других продуктов и веществ  на основе мутаций, межвидовой  и межродовой рекомбинации микроорганизмов.  В настоящее время из организма  человека выделены гены, синтезирующие  инсулин и интерферон,и перенесены  в геном E. Coli. Эти штаммы стали вырабатывать белковые вещества инсулин и интерферон. Проводятся работы в воссоздании молекул участков ДНК, включающих гены, которые кодируют соответствующие антигенные детерминанты, с последующей встройкой этих генов в векторные молекулы ДНК.В результате осуществляется синтез необходимого антигена, на основе которого может быть изготовлена вакцина. 
 
 
 
 

     Список  литературы:

1.   http://collegemicrob.narod.ru/microbilogy -  Основы микробиологии. Раздел 4. Основы общей микробиологии. Тема 12. Генетика микроорганизмов и генная инженерия в медицинской микробиологии.
2.   Ветеринарная микробиология и иммунология- под редакцией Н.А.Радчука., стр. 94-104.
3. http://www.help-rus-student.ru/text/06/157.htm - Большая Советская Энциклопедия. Статьи для написания рефератов, курсовых работ, научные статьи, биографии, очерки, аннотации, описания.  Бактерии. Статьи 1-15.
4. Ветеринарная генетика с основами вариационной статистики- В.Л.Петухов, А.И.Жигачев, Г.А.Назарова 1985 г. Стр. 97-105.