10. Трансформация у прокариот[править | править вики-текст]

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 106—109.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина — не менее 450 пар оснований. Оптимальный pH для прохождения процесса — около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2—4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую — на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление).

11. трансформация [лат. transformatio] - 1) преобразование, превращение; 2) понижение или повышение напряжения переменного электрического тока при помощи трансформатора; 3) биол. внесение в клетку генетической информации при помощи изолированной дезоксирибо-нуклеи ново и кислоты (днк), что приводит к появлению у клетки-трансформанта признаков, свойственных организму - источнику днк; т. обнаружена и изучена на бактериях; 4) лингв. преобразование сочетания морфем, слов или классов слов, благодаря которому из одной конструкции может быть получен ряд других конструкций, напр., преобразование актива в пассив (охотник убил медведя -*- медведь убит охотником); 5) эстрадный или цирковой номер, основанный на быстром изменении актером своего внешнего облика.

ТРАНСФОРМАЦИЯ генетическая , изменение наследственных свойств бактериальной клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. С открытием и изучением трансформации (1944) выяснилось, что ДНК - материальный носитель наследственности. Трансформация возможна и у клеток высших организмов.;

ТРАНСФОРМАЦИЯ (от позднелат . transformatio - превращение), в театре, цирке и на эстраде сценический прием. Основана на умении артиста быстро изменять внешность при помощи грима, парика, костюма.

12.

Трансдукция – перенос генов от донорной клетки в реципиентную с помощью фагов.бывает:

1) общая – мех-м – процесс внутриклеточного размножения фага в его головку может быть случайно включен вместо фаговой ДНК фрагмент бактериальной ДНК, равный по длине фаговой. В процессе репродукции фага возникают дефектные вирионы, у которых в головках вместо собственной геномной ДНК содержится фрагмент ДНК бактерии. Фаги сохраняют инфекционные св-ва.

2) Спефические – отличаются от неспецифических тем, что в этом случае трансдукцирующие фаги всегда переносят только определенные гены, а именно , те из них , которые расположены в хромосоме лизогенной клетки слева от attL или справа от attR. Связана с интеграцией умеренного фага в хромосому клетки-хозяина.

При неспецифической трансдукции фаг является только переносчиком генетического материала, при специфической фаг включает этот материал в свой геном и передает его, лизогенируя бактерии, реципиенту

Плазмиды.

Плазмиды – наипростейшиеживые существа, лишенные белковой оболочки и представленные только совокупностью организованных генов, определяющих их специфические св-ва, наследственность, а также дополнительные признаки, которыми они наделяют клетку – носителя.

Плазмиды подразделяются на конъюгативные, т.е. способные к самопереносу, и неконъбгативные, перенос которых осуществляется конъюгативными плазмидами. Передача плазмид среди бактерий происходит как по вертикали, так и по горизонтали, обеспечивая их эпидемическое распространение.

Это внехромосомные генетические элементы (фрагменты ДНК), в кот-х содержится генетический материал. Находятся в цитоплазме. Обладают св-вами репликона.

Не являются обязательными генетическими структурами. Однако могут передавать довольно важные св-ва клеток:

1) способность к передаче генет. материала донора при конъюгации – F-плазмида;

2) устойчивость к лекарственным препаратам – R-плазмида;

3) синтез бактериоцинов (вызывают гибель бактерий того же или близких видов) – Col-плазмида;

4) синтез токсинов – Ent-плазмида;

5) синтез гемолизинов – Hly-плазмида.

Есть плазмиды, не проявляющиеся фенотипически, - это скрытые (криптические) плазмиды.

Все плазмиды делят на:

1) конъюгативные – переносят собственную ДНК из клетки-донора в клетку-реципиент при конъюгации;

2) неконъюгативные – не переносят.

При делении клетки плазмиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Плазмиды – это факторы, увеличивающие жизнеспособность бактерий в орг-ме хозяина и окружающей среде.

13. Трансдукция — вид рекомбинации, при которой перенос гене­тического материала от одних клеток (доноров) к другим (реци­пиентам) осуществляют умеренные фаги или их мутанты. Трансдукцию бактерий открыли лауреаты Нобелевской премии Д. Ледерберг и Н. Циндер. Совместно культивируя два не одинаковых по факторам роста ауксотрофа сальмонелл мышиного тифа в разных коленах U-образного сосуда, разделенного у ос­нования мелкопористым фильтром, они отметили появление в одной культуре прототрофов. Далее выяснилось, что ауксотроф, на основе которого формировались прототрофы, был лизогенным и его умеренный фаг перенес к нему недостающие гены от другого, нелизогенного ауксотрофа.

Установлено, что за трансдукцию ответственны умеренные фаги, потерявшие способность лизогенизировать бактериальные клетки вследствие того, что часть их генома при неправильном отщеплении замещается фрагментом ДНК бактерии-донора. Та­кие мутанты фагов называют дефектными фаговыми корпуску­лами или дефектными фагами. Они всегда присутствуют в попу­ляции фагов, освобождаемых клетками в среду после индукции или суперинфекции. С помощью трансдуцирующего фага могут передаваться многие признаки и свойства: способность сбражи­вать различные углеводы, ситезировать аминокислоты и вита­мины, резистентность к антибиотикам, вирулентность, токси-генность, жгутики. При этом трансдуцирующие свойства фага не зависят от способности лизировать или лизогенизировать реципиентную клетку.

Трансдуктанты. Образующиеся рекомбинанты называются трансдуктантами. Приобретенные в процессе трансдукции при­знаки стабильны и передаются по наследству. Некоторые клоны-трансдуктанты могут оказаться неустойчивыми и, становясь, на­пример, гетерогенотами (клетками с неполным диплоидным на­бором хромосом), в последующих пересевах теряют трансдуци-рованные им свойства.

Виды трансдукции.По характеру передачи признаков раз­личают три вида трансдукции - генерализованную, ограничен­ную (специализированную) и абортивную.

Генерализованную, или общую, трансдукцию осуществляют фаги с множественной локализацией на хромосоме бактерий. К ним, в частности, относится умеренный фаг Ми-1, содержащий линейную двухцепочечную ДНК. Геном этого фага содинако­вой легкостью включается в самые разные участки ДНКклетки, что может приводить к нарушению структуры бактериальных генов и, следовательно, мутациям. Характерной особенностью фага Ми-1, отличающей его от фагов, вызывающих ограничен­ную трансдукцию, является то, что после включения в хромосому бактерий порядок его собственных генов в профаге сохраня­ется таким же, как и у внеклеточного вириона.

При отщеплении от различных участков хромосомы фаги, взывающие генерализованную трансдукцию, могут включать в состав практически любые гены донора и передавать клеткам-реципиентам. Размер поглощаемого сегмента хромосомы-донора определяется размером генома фага, который в сто раз меньше хромосомы бактерии. Вследствие этого при генерализо­ванной трансдукции передаются сравнительно небольшие уча­стки ДНК донора. Обычно трансдуцируются единичные призна­ки но возможна и множественная трансдукция, например не­сколько маркеров, контролирующих ростовые факторы и утили­зацию углеводов. Следует также подчеркнуть, что трансдукция любого гена не зависит от трансдукции других генов, если между ними нет тесного сцепления. Генерализованная трансдукция возни­кает с низкой частотой - 10-4 — 10-7 на одну фаговую частицу.

14. Трансдукция имеет несколько значений:

Трансдукция в логике — умозаключение, в котором на основе сходства некоторых свойств объектов делается вывод и о сходстве остальных.

Трансдукция в лингвистике и теории перевода — перекодирование текста с одного языка на другой при условии отхода от сигнификативного прагматического значения исходного текста и сохранения денотативного значения всей информации.

Трансдукция в биологии:

Трансдукция — перенос фрагмента бактериальной ДНК бактериофагом.

Передача сигнала (биология) (англ. signal transduction) — передача сигнала внутри или вне клетки.

15. Длительное время считали, что бактерии — изолированные генетические системы, и каждая особь имеет одного (и только одного) родителя, то есть их изменчивость вызвана лишь мутациями. Никто не мог себе представить, что, подобно гаметам высших организмов, бактерии способны обмениваться генетическим материалом и, по аналогии с половым размножением, давать начало потомству с новыми свойствами. Однако Лёдерберг и Тёйтем (1946), высевая на минеральную среду, предварительно смешав два типа мутантов Escherichia coli (один нуждался в биотине и метионине, другой — в треонине и лейцине), показали, что у бактерий генетические рекомбинанты со способностью к синтезу всех четырёх факторов роста возникают с частотой 10"6, хотя теоретическая вероятность реверсии по двум генам составляет 10-14-10-16 на генерацию. Это противоречие было снято установлением факта прямой передачи генетического материала от донорной клетки к реципиентной (конъюгация). Помимо конъюгации, передача генетического материала у бактерий может осуществляться также с помощью трансформации и трансдукции (рис. 4-16). Рис. 4-16. Механизмы перенос бактериальной ДНК. Конъюгация (А), трансформация с использованием отдельной молекулы ДНК (Б) трансдукция с помощью фагов (В). Конъюгация бактерий. F-фактор бактерии. Конъюгация — прямой перенос фрагмента ДНК от донорских бактериальных клеток к реципиентным при непосредственном контакте этих клеток. Биологическая значимость этого процесса стала проясняться после внедрения в медицинскую практику антибиотиков. Устойчивость к антибиотикам можно получить в результате мутации, что происходит один раз на каждые 106 клеточных делений. Однако, однажды изменившись, генетическая информация может быстро распространяться среди сходных бактерий благодаря конъюгации, поскольку каждая третья из близкородственных бактерий способна именно к этому типу генетического переноса. Для реализации процесса необходим F-фактор — плазмида, кодирующая информацию, необходимую для конъюгации. Конъюгация требует наличия двух типов клеток: доноров (F+), обладающих F-фактором, и реципиентов (F-), не обладающих им. При скрещивании клеток F- и F+ фактор фертильности передаётся с частотой, близкой к 100%. Фактор переноса содержит гены специальных и необходимых при конъюгации структур — F-пилей и ряд других генов, вовлечённых в процесс взаимодействия с F--клетками. Первый этап конъюгации — прикрепление клетки-донора к реципиенту с помощью F-пилей. Затем между клетками формируется конъюгационный мостик, через который передаётся F-фактор, а также и другие плазмиды, автономно пребывающие в цитоплазме донора. При попадании F-фактора в реципиентную клетку она становится F+ и приобретает способность передавать фактор фертильности другим F--клеткам. Подобный механизм обеспечивает приобретение популяционно. устойчивости к антибактериальным агентам. В популяции клеток, содержащих F-плазмиду, только те, в которых она интегрирована в бактериальную хромосому (Hft+-клетки), способны быть донорами хромосомной ДНК. При перенос генетического материала бактериальная ДНК реплицируется, начиная от места включения F-фактора, одна цепь ДНК переносится в реципиентную F'-клетку двигаясь 5'-концом вперёд тогда как другая остаётся в Hfr+-клетке, то есть донор сохраняет своё генетическое постоянство. После начала конъюгации хромосомный материал переносится, начиная от генов, близких к начальной точке транспорта (рис. 4-17). В бактерии-реципиенты обычно попадают первые из переносимых генов, размер которых зависит от времени, в течение которого проходила конъюгация, и очень редко — все гены. Позже всех переносится участок плазмиды, содержащий ген переноса кодирующий F-пили. Поскольку полная трансмиссия — явление редкое, реципиентная клетка при Hfr-конъюгации обычно остаётся F-. Вслед за процессом переноса в клетке-реципиенте происходит гомологичная рекомбинация между донорской ДНК и собственной ДНК реципиента. Процесс конъюгации может происходить только при соблюдении ряда условий. Рис. 4-17. Hfr-конъюгация. Hfr-бактерии функционируют при конъюгации как доноры. Перенос ДНК осуществляется линейно и начинается с удвоения места включения F-фактора (то есть с удвоения точки начала переноса — ТНП). • На поверхности реципиентных бактерий должны быть рецепторы пилей, имеющие существенное сродство ( к F-пилям, что позволяет образовать стабильную связь между пилями и рецепторами. • Для эффективной конъюгации у F-фактора должна быть точка начала репликации, распознаваемая репликативными системами хозяина. • Эффективность Hfr-конъюгации зависит от величины гомологии ДНК. Перенос негомологичного хромосомного материала донора не приведёт к его интеграции с ДНК реципиента.

16. Перенос генетического материала путем прямого контакта между дву­мя клетками называется конъюгацией. Уже давно на основании морфо­логических данных предполагали, что и у бактерий может происходить своего рода спаривание; однако только эксперименты с множественны­ми мутантами бесспорно доказали, что и у бактерий возможна передача генетического материала при прямом межклеточном контакте. В 1946 г. Ледерберг и Татум провели решающий опыт с двумя мутантами Е. coli К12, каждый из которых был ауксотрофным по двум различным ами­нокислотам (рис. 15.14). Один двойной мутант нуждался в аминокисло­тах А и В, но был способен синтезировать С и D (А ~ В ~ С * D+); другой мутант был ему комплементарен (А т В т С~ D"). Эти мутанты не росли на минимальной питательной среде и не обра­зовывали колоний. Однако если на ту же минимальную среду высевали смесь суспензий обоих мутантов, то колонии появлялись. Клетки этих колоний обладали наследственной способностью синтезировать все аминокислоты, т.е. принадлежали к типу A + B + C + D+ (были прото-трофными). Такие клетки возникали с частотой 1 :10б; это были генети­ческие рекомбинанты - они объединяли в себе генетическую информацию двух реципрокно дефектных (взаимодополняющих) родительских кле­ток. Использование в качестве исходных штаммов множественных му­тантов исключало возможность появления ревертантов, так как вероят­ность одновременной реверсии по двум генам составляет величину по­рядка 10~14-10~16 на генерацию. Необходимой предпосылкой реком­бинации служил прямой контакт родительских клеток.

Направленный перенос генов из клетки в клетку. Эксперименты п

скрещиванию, в которых один из родительских штаммов был стрепто­мициноустоичивым, позволили сделать вывод, что генетический мате­риал передается лишь в одном направлении. Если клетки после скрещи­вания высевали на среду, содержавшую стрептомицин, то рекомби­нанты возникали только в тех случаях, когда один из штаммов (штамм-реципиент) был стрептомициноустоичивым и выживал. Как вел себя другой родительский штамм, было несущественно; он мог быть стрептомициночувствительным и мог на этой среде погибнуть-доста­точно того, чтобы он успел выполнить свою функцию донора генетиче­ского материала. Отсюда можно было заключить, что перенос генети­ческого материала происходит в одном направлении - от донора («мужского» штамма) к реципиенту («женскому» штамму)-и что весь процесс рекомбинации и расщепления протекает в клетках штамма-ре­ципиента. Рекомбинанты наследуют большинство своих признаков от реципиента, а от донора получают только фрагменты генома.

Фактор F и состояние Hfr. При исследовании процесса скрещивания бактерий выяснилось, что способность клетки быть донором связана с наличием особого фактора, который при конъюгации передается из одной клетки в другую - полового фактора F (от fertility - плодовитость). Клетки, не содержащие фактора F (клетки F~), могут функционировать только как реципиенты. При конъюгации, т.е. при прямом контакте между клетками, частота передачи фактора F близка к 100%. Таким образом, клетки-реципиенты в результате конъюгации превращаются в потенциальных доноров; при этом хромосомные признаки еще не передаются.

Фактор F представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК с массой 45 106 Да. В качестве внехромосомного автономно ре-плицируемого элемента ДНК ее следует отнести к плазмидам. Эта мо­лекула содержит гены, ответственные за процесс конъюгации, в том числе гены, детерминирующие особые структуры клеточной поверхности, необходимые для конъюгации. По всей вероятности, они служат для взаимного узна­вания при контакте между клеткой-донором и клеткой-реципиентом и делают возможным образование конъюгационного мостика, по кото­рому ДНК переходит внутрь клетки-реципиента. Пока не ясно, происхо­дит ли такая «инъекция» ДНК через сами F-пили.

В популяции F+ лишь немногие клетки способны быть донорами хромосомной ДНК. Оказалось, что это те клетки, в которых фактор F интегрировался в бактериальную хромосому (рис. 15.16). Если клоны таких клеток-доноров использовать в экспериментах со скрещиванием, то рекомбинанты образуются примерно в тысячу раз чаще, чем при использовании обычных клеток F +. Клетки-доноры, обеспечивающие вы­сокую частоту рекомбинаций, получили название клеток Hfr (от англ. high frequency of recombinants). Фактор F включается в бактериальную хромосому лишь в определенных участках, число которых ограниченно; этот процесс сравним с интеграцией фага X (лямбда) в хромосому клет­ки-хозяина и

Процесс переноса. Если смешать популяцию клеток Hfr с избытком клеток F ~, то почти каждая клетка Hfr найдет себе партнера F ~ и бу­дет с ним конъюгировать. Из такой смеси через определенные проме­жутки времени брали пробы и, сильно встряхивая их в смесителе, на­сильственно разъединяли партнеров. Затем пробы переносили на чашки с агаром для выделения рекомбинантов. И наконец, исследовали ре-комбинантные штаммы, чтобы выяснить, какие гены были переданы до­норами клеткам-реципиентам. Исследования показали, что каждый ген передается в совершенно определенный момент времени после начала конъюгации (рис. 15.16). Временная последовательность переноса генов соответствовала порядку их расположения в бактериальной хромосоме, установленному в результате генетического анализа. Это значит, что любой штамм Hfr представляет собой гомогенную популяцию, все клетки которой передают свою хромосому реципиенту одинаковым образом-начиная с определенного участка (начала) и в одном и том же направлении. Чем дальше располагается тот или иной ген от «начала» хромосомы, тем позже он передается и тем реже попадает внутрь клет­ки-реципиента, даже если конъюгацию не прерывать искусственно, Перенос всей хромосомы Е. coli продолжается при 37°С около 100 мин. Эксперименты, осуществленные по принципу «прерванной конъюгации», сделали возможным составление генетических карт.

Разные штаммы Hfr, выделенные независимо друг от друга из одно­го и того же штамма F + , различаются по двум главным признакам: роль «начала» играет у каждого штамма иная точка хромосомы и каждый штамм отличается своей специфической последовательностью переноса генов. Результаты экспериментов согласуются с представле­нием о том, что фактор F при интеграции (т. е. при переходе в состоя­ние Hfr) может включаться в бактериальную хромосому в одном из примерно 20 возможных генных локусов. При переносе бактериальная ДНК реплицируется, начиная от места включения фактора F, и вновь синтезированная цепь, двигаясь 5'-концом вперед, проталкивается внутрь клетки-реципиента. Вслед за этим процессом переноса в клетке-реципиенте происходит гомологичная

Генетическая карта. В результате применения описанного выше ме­тода прерванной конъюгации, позволяющего выяснить временную по­следовательность переноса генов из клетки-донора, можно составить карту расположения генов в бактериальной хромосоме (рис. 15.17). Ско­рость их переноса в течение всего процесса остается постоянной. Мо­менты перехода внутрь клетки-реципиента позволяют судить о расстоя­ниях между ними в хромосоме. При использовании этого метода не удается учитывать различия менее одной минуты. Для более тонкого картирования может служить анализ сцепления при трансдукции (пере­носе генов фагом).

Для Escherichia coli K12 известно расположение более чем тысячи ге­нов, главным образом структурных, кодирующих ферменты. Последо­вательность расположения генов на бактериальной хромосоме была определена для Salmonella typhimurium, Streptomyces coelicolor, Bacillus subtilis и некоторых других бактерий.

Перенос генов при посредстве фактора F'. Интеграция (включение) фактора F в бактериальную хромосому обратима. F-фактор может быть высвобожден из хромосомы, и тогда клетка Hfr становится клет­кой F+ (рис. 15.16). Этот процесс «вырезания» (эксцизии, выключения) происходит примерно с той же частотой, что и интеграция. При пра­вильной эксцизии разрыв происходит в том же самом месте, что и при интеграции. В редких случаях он происходит где-то очень близко к это­му месту, и в результате соседний участок ДНК остается присоеди­ненным к фактору F. Этот фактор F, содержащий небольшой фрагме

хромосомной ДНК, называют фактором F 'Клетку, содержащую фактор F', называют первичной клеткой F'. Включившаяся в F-фактор ДНК теперь может передаваться клетками-донорами F' штаммам F~ с такой же высокой частотой (100%), что и при обычной передаче фактора F штаммами F+ реципиентам F ~. Тот же самый фрагмент ДНК мог бы передаваться штаммом Я/г штамму F ~ с максимальной частотой 1%. Если фактор F' будет перене­сен из первичной родительской клетки F' (где он впервые возник) в нор­мальную клетку F ~, то образуется вторичная клетка F', в которой не­большой участок бактериальной хромосомы окажется удвоенным (будет в диплоидном состоянии).

Распространенность конъюгации среди других групп бактерий. Переда­ча генов путем конъюгации, открытая у Escherichia coli, очень широко распространена у энтеробактерий.

Посредством переноса факторов F из Е. coli K12 в клетки Salmonella и Shigella удалось создать новые генетические системы. Сходные си­стемы были найдены в группе псевдомонад. Конъюгация у энтеробакте­рий представляет собой высокоразвитый процесс; чтобы она осуществи­лась, достаточно суспендировать смесь клеток-партнеров в жидкой среде и оставить на некоторое время в покое. У многих других бакте­рий конъюгацию удается вызвать лишь в том случае, если колонии обо­их партнеров будут хорошо перемешаны и размазаны на твердой среде, где они должны затем расти несколько дней. Если теперь распределить клетки по одной на селективной среде, то окажется, что у многих кле­ток возникла новая комбинация признаков и, по всей вероятности, про­изошел обмен крупными участками бактериальных хромосом. Про­цессы конъюгации широко изучались на Streptomyces coelicolor, видах Nocardia, Rhizobium и других бактериях. Обмен генами путем конъюга­ции и мобилизация генов с помощью плазмид, вероятно, очень распро­странены в мире прокариот.

Плазмиды

Многие (если не все) бактерии могут содержать внехромосомные эле­менты ДНК. Эти малые по сравнению с бактериальной хромосомой, замкнутые в кольцо двухцепочечные ДНК называют плазмидами. При росте в обычных условиях бактерии могут без них обходиться: клетки, «излеченные» от плазмид с помощью УФ-облучения, митомицина С или акридинового красителя, хорошо растут на обычных пита­тельных средах. Плазмиды распознаются по особым свойствам, ко­торые приобретает содержащая их клетка. Некоторые плазмиды де­лают клетку способной конъюгировать с другими клетками. Это обеспечивает дальнейшее распространение таких плазмид путем прямо­го межклеточного контакта. С прототипом подобного рода плазмиды мы уже встречались (с. 457) при рассмотрении F-факторов Escherichia coli.

Факторы фертильности (F-факторы). Это, как уже говорилось, плаз­миды, которые могут включаться в бактериальную хромосому подобно ДНК умеренного фага лямбда. Они «мобилизуют» генетическую ин­формацию этой хромосомы и осуществляют перенос ее в другую клет­ку. Такой перенос (конъюгация) был хорошо изучен на Е. coli.

Факторы резистентности (R-факторы). Бактерии, устойчивые (рези­стентные) к некоторым антибиотикам, были впервые открыты в 50-е годы в Японии. Речь идет о штаммах возбудителя дизентерии Shigella, выделенных от больных, которых лечили антибиотиками. Характерно то, что бактерии обнаруживали множественную устойчивость и что эта устойчивость могла передаваться другим бактериям, таким как Escherichia coli. Как стало теперь известно, факторы резистентности (R) содержат гены, которые делают клетку устойчивой, например, к сульфонамидам, стрептомицину, хлорамфениколу и тетрациклину. Не­которые К-факторы обусловливают резистентность сразу к восьми ан­тибиотикам, другие же придают устойчивость к ядовитым тяжелым ме­таллам, например ртути, никелю, кадмию или кобальту. К-плазмида несет две группы генов: 1) гены, ответственные за передачу плазмиды путем конъюгации (гены tra),-они образуют так называемый «фактор переноса устойчивости» (RTF, resistence transfer factor); 2) гены, обусло­вливающие собственно резистентность (они составляют лишь неболь­шую часть плазмиды

Фактор переноса устойчивости (RTF) включает все гены, ответ­ственные за перенос фактора R из клетки в клетку, который осущест­вляется обычно путем конъюгации. Таким образом, фактор R, так же как и фактор F, в широком смысле инфекционен. Область RTF по своей молекулярной структуре гомологична соответствующей области F-фак-тора Е. coli. Для некоторых К-факторов характерен широкий круг хо­зяев; возможен их перенос между несколькими разными родами бакте­рий, что способствует их дальнейшему распространению. В некоторых случаях наблюдали, что вместе с фактором R передаются и хромо­сомные гены, которые, по-видимому, были мобилизованы им

Механизм устойчивости к антибиотикам, определяемой К-факторами, может быть не таким, как в случае ее хромосомного наследования. На­глядным примером этого служит резистентность к стрептомицину. Если она зависит от хромосомного гена, то она связана с изменением субъ­единицы 30S рибосомы, так что бактерия не имеет мишени для воздей­ствия стрептомицина (разд. 2.2.2). В отличие от этого устойчивость, обусловленная К-фактором, основана на инактивации антибиотика в ре­зультате его аденилирования под влиянием фермента. Ферментативная химическая модификация антибиотиков часто бывает причиной устой­чивости к ним, обусловленной плазмидами; например, хлорамфеникол ацетилируется, канамицин и неомицин подвергаются фосфорилирова-

нию и ацетилированию, а пенициллин инактивируется пенициллиназой. Поскольку и при наличии К-факторов возможна генетическая рекомби­нация, может возникнуть новое сочетание генов, придающее дополни­тельные свойства устойчивости. К-факторы имеют большое значение для химиотерапии; их существование-лишний довод против бескон­трольного применения антибиотиков, так как они могут распростра­няться в популяциях бактерий подобно инфекционным агентам.

Бактериоцины. Многие бактерии синтезируют белки, убивающие родственные виды или штаммы или тормозящие их рост. Эти белки с весьма специфическим действием, бактериоцины, кодируются особыми плазмидами, бактериоциногенными факторами. Бактериоцины были вы­делены из Escherichia coli (колицины), Pseudomonas aeruginosa (пиоцины), Bacillus megaterium (мегацины) и других бактерий.

Другие признаки, определяемые плазмидами. Плазмиды могут содер­жать также гены, обусловливающие ряд специфических биологических свойств, которые в определенных условиях создают селективное пре­имущество. Гены ферментов, необходимых для расщепления камфоры, салициловой кислоты, нафталина, октана, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и многих других необычных субстратов, могут находиться в плазмидах. Мы уже упоминали о плазмиде бактерии Agrobacterium tumefaciens, вызывающей опухоли у растений, и ее биохимической актив­ности (разд. 4.3). Перечень свойств, наследуемых с плазмидами, стал сейчас очень длинным и включает, в частности, азотфиксацию, образо­вание клубеньков, синтез индолилуксусной кислоты, диацетила, гидроге-назы, поглощение Сахаров. Некоторые из этих свойств могут опреде­ляться генами бактериальной хромосомы; это свидетельствует о том, что более или менее часто происходит обмен генами или группами ге­нов между хромосомой и плазмидой. Плазмиды, вероятно, играли очень важную роль в эволюции прокариот.

Несовместимость. Многие бактерии содержат плазмиды различной величины. Сосуществование разных плазмид в одной бактериальной клетке говорит о том, что такие плазмиды совместимы между собой. Однако две родственные плазмиды не могут сосуществовать в одной клетке-они несовместимы. Все плазмиды подразделяются на группы несовместимости: плазмиды, относящиеся к одной и той же группе, не­совместимы друг с другом.

17. Наследственность и изменчивость – это неразделимо связанные категории биологических явлений, определяющих направление эволюционного развития живых организмов на любом уровне биологической организации.

Вследствие этого учение о наследственности и изменчивости микроорганизмов является научной основой систематики микроорганизмов и их идентификации.

Знания закономерностей модификационной и мутационной изменчивости позволяют проводить целенаправленную селекцию (отбор) из популяций микроорганизмов особей с нужными человеку свойствами. Таким путем получены высокоактивные штаммы многих продуцентов различных органических соединений.

Селекцию микроорганизмов для выделения полезных мутантов осуществляют несколькими путями:

• благодаря поиску и отбору полезных форм микроорганизмов из природных источников;

• в результате адаптации микроорганизмов путем выращивания при постоянно изменяющихся условиях культивирования;

• благодаря повторному выделению чистых культур из производственных штаммов;

• путем отбора индуцированных штаммов;

• путем использования явлений трансформации, трансдукции и конъюгации для получения штаммов с новыми свойствами.

В настоящее время получило развитие новое направление молекулярной биологии – генная инженерия. Генная инженерия занимается конструированием, выделением и пересадкой определенных генов из одних клеток в другие. В результате клетки приобретают новые свойства.