Определение генетики бактерий как науки

Генетика (от греч. genos — рождение) — это наука, изучающая наследственность и изменчивость. Микроорганизмы обладают способностью изменять свои основные признаки:

морфологические (строение); культуральные (рост на питательных средах); биохимические или ферментативные признаки (добавление определенных веществ в питательную среду может вызвать активацию фермента, который до этого находится в латентном состоянии); биологические свойства — может меняться степень па-тогенности, на этом основаны способы приготовления живых вакцин.

Например, при 12—14-дневном культивировании возбудителя сибирской язвы при t° — 42—43°С микробы потеряли способность вызывать заболевание у животных, но сохранили свои иммуногенные свойства.

БЦЖ (бацилла Кальмета-Герена) снизила болезнетворность бычьего вида микобактерий туберкулеза путем длительных пассажей на картофельной среде с желчью и глицерином при t° 38 °C. Пересевы через каждые 14 дней получили ослабленный штамм микобактерий туберкулеза, который назван «вакциной» БЦЖ, используемой для профилактики туберкулеза.

Наследственность — это способность организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений.

Изменчивость — это приобретение признаков под влиянием различных факторов, отличающих их от предыдущих поколений.

Генетическая информация в клетках бактерий заключена в ДНК (у некоторых вирусов РНК). Молекула ДНК состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки спираль удваивается. И вновь образуется двунитчатая молекула ДНК. В состав молекулы ДНК входят 4 азотистых основания — одекаин, гуанин, цитозин, тимин. Порядок расположения в цепи у разных организмов определяет их наследственную информацию, закодированную в ДНК.

Организация генетического материала у бактерий. Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип — совокупность генов организма Фенотип — совокупность внешних признаков, индивидуальное проявление генотипа Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. Бактериальная клетка гаплоидна, а репликация ДНК сопровождается делением клетки. Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, транспозонами (мигрирующими генетическими элементами) и вставочными или ISпоследовательностями.

Плазмиды бактерий. Строение, особенности репликации; разновидности плазмид, их функции.

Плазмидывнехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. У них отсутствует собственная систем мобилизации энергии и синтеза белка; плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем (за счет автономной репликации одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях); обладает абсолютным внутриклеточным паразитизмом; среда их обитаниятолько бактерии. Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую.

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии: 1) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий, индуцируют деление. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) — не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские — реципиента 2) Rплазмиды — устойчивость к лекарственным препаратам 3) Colплазмидысинтез колицинов — факторов конкуренции близкородственных бактерий 4) Hlyплазмидысинтез гемолизинов 5) Entплазмидысинтез энтеротоксинов 6) Toxплазмидытоксинообразование 7) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики. Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды. Биологическая роль плазмид: — контроль генетического обмена бактерий; - контроль синтеза факторов патогенности; - совершенствование защиты бактерий.

Фенотипическое проявление плазмид. F-, Col-, R-плазмиды и плазмиды патогенности. Их роль в биологии микроорганизмов.

1) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий, индуцируют деление. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) — не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские — реципиента 2) Rплазмиды — устойчивость к лекарственным препаратам 3) Colплазмидысинтез колицинов — факторов конкуренции близкородственных бактерий 4) Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox-транспозоны (мигрирующий генетический элемент), кодирующие токсинообразование.

Фенотипические признаки, сообщаемые бактериальной клетке плазмидами:1) устойчивость к антибиотикам; 2) образование колицинов; 3) продукция факторов патогенности; 4) способность к синтезу антибиотических веществ; 5) расщепление сложных органических веществ;

6) образование ферментов рестрикции и модификации.

Подвижные генетические элементы: транспозоны, Is-последовательности. Их строение, функции и роль в эволюции бактерий.

Мигрирующие генетические элементы — отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (ISэлементы) или вставочные элементы. IS-последовательности — это короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).Их функциикоординация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Транспозоны — это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген, обеспечивающий синтез молекул, обладающих специфическим биологическим свойством, например токсичностью, или обеспечивающих устойчивость к антибиотикам. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации. Перемещаясь по репликону или между репликонами, подвижные генетические элементы вызывают: 1. Инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются. 2. Образование повреждений генетического материала.

3. Слияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому. 4. Распространение генов в популяции бактерий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным процессам среди микробов.

Виды изменчивости у бактерий. Модификационная изменчивость, ее механизмы и формы проявления.

Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации). Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще морфологические и биохимические модификации). Черты: 1. обратимость — изменения исчезают при смене специфических условий окружающей среды, спровоцировавших их групповой характер 2. изменения в фенотипе не наследуются, наследуется норма реакции генотипа 3. статистическая закономерность вариационных рядов 4. затрагивает фенотип, при этом не затрагивая сам генотип. Стандартное проявление модификациираспределение однородной популяции на две или более двух типов диссоциации. Пример, характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении S R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.

Генотипическая изменчивость. Мутации у бактерий, их разновидности. Причины и механизмы возникновения мутаций. Мутагены.

при генотипической изменчивости происходит изменение наследственного материала и, обычно, эти изменения наследуются. Это основа разнообразия живых организмов. Различают два вида генотипической изменчивости: мутационная и комбинативная. Мутация — изменение первичной структуры ДНК, проявляющееся наследственно закреплённой утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков. Фенотипическим проявлением мутации могут быть: изменение морфологии бактериальной клетки, возникновение потребностей в факторах роста (пр. АК), т. е. ауксотрофность; появление устойчивости к а/б; изменение чувствительности к t; снижение вирулентности (аттенуация). Могут быть спонтанные (возникают в популяции бактерий без видимого вмешательства извне) и индуцированные (вызванные искусственно), точечные, прямые, обратные, генные (изменения 1 гена) и хромосомные (изменения 2х или более участков хромосомы). Факторы, вызывающие мутации, известны как мутагены. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, у-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, например, 2-амино-пурин, азотистая кислота и ее аналоги и др.) и биологическими (транспозоны). генетический бактерия фенотип микроорганизм.

Механизмы передачи генетической информации у бактерий: коньюгация, трансдукция, трансформация; их использование для получения рекомбинантов с заданными свойствами.

Конъюгация бактерий состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской») в клетку-реципиент («женскую») при контакте клеток между собой. При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала. Трансдукция — передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, и специфическую — перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Трансформация заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу, обр-ся рекомбинат. В связи с развитием новой отрасли народного хозяйства селекцией микроорганизмов, были выведены высокоактивные штаммы, позволившие во много раз увеличить производство антибиотиков, аминокислот, витаминов и др. биологически активных веществ.

Цели и задачи генной инженерии. Основные этапы генноинженерных манипуляций. Достижения генной инженерии.

совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Цель заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Технология получения генетически модифицированных организмов (ГМО) принципиально решает вопросы преодоления всех естественных и межвидовых рекомбинационных и репродуктивных барьеров. Технология включает несколько этапов создания ГМО:

• 1. Получение изолированного гена. 2.

  Введение

  гена в вектор для встраивания в организм.

• 3. Перенос вектора с конструкцией в модифицируемый организм-рецепиент (собственно «генетическая модификация» (трансформация). 4. Молекулярное клонирование. 5. Отбор ГМО. Достижения: разработаны высокоточные методы диагностики и идентификации микроорганизмовопределение плазмидного профиля, рестрикционный анализ, ДНКгибридизация, полимеразная цепная реакция (ПЦР), секвенирование и мн.др.

Применение генетических методов в диагностике инфекционных заболеваний: ПЦР, метод молекулярных зондов.

ПЦР (Полимерамзная цепнамя реамкция) позволяет найти в исследуемом клиническом материале небольшой участок генетической информации любого организма, содержащийся в следовых количествах среди огромного количества нуклеотидных последовательностей иной природы, и быстро размножить его. Метод включает несколько этапов: расплетание двойной спирали ДНК, расхождение нитей ДНК и последующее комплементарное дополнение (достройку) обеих с помощью специального фермента. ПЦР дает возможность существенно ускорить и облегчить диагностику наследственных и вирусных заболеваний. Нужный ген амплифицируют с помощью ПЦР с использованием соответствующих праймеров, а затем секвенируют (опред-е первичной АК-й или нук-й посл-ти) для определения мутаций. Вирусные инфекции можно обнаруживать сразу после заражения, за недели или месяцы до того, как проявятся симптомы заболевания. Молекулярные зонды — это короткие фрагменты ДНК, подходящие определённому организму, которые посредством определенных лабораторных методов могут использоваться, чтобы указать не только присутствие или отсутствие этого организма, но также и его относительные количества. Для получения ДНК-зондов используют метод клонирования генов. Сущность метода состоит в том, что фрагмент ДНК, соответствующий какому-либо гену или участку гена, встраивают в клонирующую частицу, как правило, бактериальную плазмиду (кольцевая внехромосомная ДНК, присутствующая в клетках бактерий и несущая гены устойчивости к антибиотикам), и затем бактерии, имеющие плазмиду со встроенным человеческим геном, размножают. Благодаря процессам синтеза в плазмиде удаётся получить миллиарды копий человеческого гена или его участка. В дальнейшем полученные копии ДНК, меченные радиоактивной меткой или флюорохромами, используют в качестве зондов для поиска комплементарных последовательностей среди исследуемого пула молекул ДНК.

• 1. П. О. Кимович Медицинская микробиология под редакцией акад. РАМН В. И. Покровского.-М.2006г.
• 2. Учебное пособие для студентов ВолгГМУ леч.фак.
• 3. В. Д. Тимаков, В. С. Левашев, Л. Б. Борисов Микробиология: Учебник.-2-е изд., перераб.-М., 1983, 512с.
• 4. Поздеев О. К. Медицинская микробиология. 2009 г.