Генетика и селекция микроорганизмов

Генетика — наука о наследственности и изменчивости организмов.

Структура и функции генома микроорганизмов

Геном — носитель генетической информации. Геном прокариотной клетки находится в нуклеоиде в виде одной хромосомы, представленой громадной 2-х спиральной молекулой ДНК, включающей в зависимости от вида и размера микробной клетки от 50 до 2−3 тысяч генов. В среднем каждый ген состоит из 1000 пар нуклеотидов. Геном вируса гепатита В имеет самое маленькое число генов. Геном состоит из 4 генов и имеет молекулярную массу 1,6 Д. Геном вируса — возбудителя СПИДа представлен молекулой РНК, который состоит из 9213 нуклеотидов, образующих 9 генов. Геном бактериофагов — из 9−200 генов, у хламидий — из 400−600 генов, у риккетсий — из 1000 генов. E. coli имеет молекулярную массу 2,8×10 (9) Д и содержит 2500−3000 генов.

ДНК большинства растений и животных состоит из нескольких миллиардов пар нуклеотитов. Геном человека составляет 3,5×10 (9) пар нуклеотидов — 3,5×10 (6) пар генов.

Молекула ДНК является носителем генетической информации и состоит из генов, которые располагаются линейно вдоль хромосомы. Каждый ген представлен определенным участком молекулы ДНК. Специфическая информация, содержащаяся в гене, определяется последовательностью оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК, вкдючает четыре «буквы» основания: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Гены являются функциональной единицей наследственности. В генах записана информация относительно всех свойств, присущих клетке. Каждый ген может существовать в виде ряда структурных форм — аллелей. Совокупность аллелей всех генов клетки составляет генотип. В настоящее время созданы генетические карты микроорганизмов, отражающие расположение генов на хромосоме. Бактерии гаплоидны, т. е. имеют один набор хромосом.

Возникает вопрос, каким же образом сохраняется наследственная информация при росте и размножении бактерий. Перед делением клетки происходит репликация генов (удвоение) и на каждой цепи по принципу комплементарности осуществляется синтез двух новых цепей. Таким образом, две новые цепи содержат одну родительскую и одну вновь синтезированную. Эта точная репликация ДНК гарантирует сохранение генетической информации.

ДНК, будучи носителем генетической информации, тем не менее не служит матрицей для синтеза полипептидов. Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые свободно располагаются в цитоплазме и не никак не контактируют с ДНК.

Синтез белка идет в два этапа:

— на первом этапе происходит переписывание (транскрипция) информации с ДНК на РНК, которую именуют матричная или информационная РНК. иРНК представляет точную копию ДНК с той лишь разницей, что тимин ДНК заменен в РНК на уроцил.

— на втором этапе на рибосомах осуществляется соединение аминокислот в полипептидную цепь в порядке, определяемом триплетами мРНК (трансляция (перевод)). В этом процессе кроме мРНК и рибосом принимают участие тРНК, ряд ферментов и др.факторы. тРНК подносит триплеты (колоны), каждый из которых кодирует одну аминокислоту и таким образом осуществляется синтез определенной нуклеотидной последовательности, определяющей структуру специфического белка. К мРНК как правило присоединяется несколько рибосом и такой комплекс мРНК и рибосом называется полисомами.

Кроме того, некоторая часть генетической информации содержится вне хромосомы в цитоплазме в виде так называемой плазмиды (замкнутая в кольцо цепь нуклеиновой кислоты, состоящей не более чем из 40 триплетов и составляющую примерно 1/100 длины ДНК хромосомной). Плазмиды разнообразны по генетическим свойствам и молекулярным размерам. М.м. плазмид от 4,5×10 (6) до 9,4×10(6).

Плазмиды придают бактериям дополнительные свойства, но не обязательные. Бактерии могут терять плазмиды, но потеря не влияет на основные свойства клетки. Плазмиды имеются у многих бактерий.

Наиболее изученными являются:

• — половой фактор (F);
• — фактор множественной лекарственной устойчивости ®;
• -фактор бактериоциногении (Col);
• — плазмиды, контролирующие у E. coli синтез энтеротоксина (Hly);
• — плазмиды, детерминирующие синтез поверхностных антигенов (К88, К99);
• — известны плазмиды, контролирующие метаболические процессы, ферментацию углеводов, образование H2S, резистентность к действию тяжелых металлов (ртути) и др.

Например: плазмида бактериоциногении контролирует (детерминирует) синтез белковых веществ колицинов (антибиотических веществ), которые подавляют рост и размножение чувствительных к ним бактерий (близкородственных).

Впервые способность выделять колицины установлена в 1925 г. Gratta у штамма E. coli, поэтому феномен получил название колициногении и плазмида — Col. Другие многие бактерии также выделяют белклвоподобные вещества, летальные для близких видов. Вещества эти называют — бактериоцины, феномен — бактериоциногении (туберкулоцины, пестицины, вибриоцины). Колицины, адсорбируются на чувствительных клетках (лишенныхCol-фактора), не проникают внутрь клетки, вызывают нарушение метаболизма, приводят клетку к гибели.

У бактерий может быть одновременно до 4 плазмид.

Плазмиды (F-фактор) способные интегрировать в хромосому и реплицировать вместе с ней получили название эписом.

Практическое применение плазмид. Плазмиды обладают способностью передаваться от бактерий при конъюгации. Их называют конъюгативными. Внедряясь в клетку реципиента, коньюгативные плазмиды сообщают ей свойства донора. Это свойство применяется при создании новых штаммов — продуцентов полезных веществ.

Таким образом, геном и плазмида обуславливают все фенои генотипические свойства микроорганизмов.

Функции генома — сохранение генетического постоянства ДНК, проявление внешних признаков.