Наследственность и изменчивость микроорганизмов

Науку о наследственности и изменчивости живых организмов называют генетикой. Ее частью и одновременно разделом микробиологии является генетика микроорганиз­мов — учение о наследственности и изменчивости микробов.

Развитие генетики происходило в постоянной борьбе двух противоположных мировоззрений — материалистического и иде­алистического. Идеалисты стояли на позициях постоянства ви­дов, созданных творцом (богом), а материалисты отстаивали эволюционное учение. Потребовался длительный период разви­тия науки, борьбы различных направлений и течений, чтобы выработался современный диалектический взгляд на вопросы изменчивости и наследственности микроорганизмов. Огромная заслуга в развитии учения об изменчивости микробов при­надлежит Л. Пастеру и Л. С. Ценковскому. Они получили из­мененные формы возбудителя сибирской язвы с наследственно, закрепленной ослабленной вирулентностью. Это были первые успешные опыты экспериментального получения живых ослаб­ленных микробов для использования их в целях активной про­филактики инфекционных болезней. Применение этих принци­пов привело затем к созданию вакцин против туберкулеза, классической чумы свиней, рожи свиней и др.

В результате дальнейших исследований было определено,, что веществом, ответственным за передачу наследственных признаков, является ДНК. Это дало возможность изучить ме­ханизмы переноса генетического материала. Расшифровка структуры молекулы ДНК позволила раскрыть генетический код ¹, тем самым выявить закономерность механизма синтеза полипептидов (органических соединений, состоящих из амино­кислотных остатков) и белков всех живых существ.

В настоящее время генетике микроорганизмов уделяется большое внимание. Она составляет основу молекулярной био­логии, основная часть вопросов которой изучается именно с ис­пользованием микроорганизмов. Генетика микроорганизмов, стала совершенно необходимой для изучения ряда вопросов об­щей биологии. Законы общей генетики оказались не только- пригодны для микроорганизмов, но вся генетика в целом стала развиваться значительно быстрее, когда моделью для генетиче­ских исследований стал микроорганизм. Бактерии, вирусы, бак­териофаги имеют большие преимущества для использования их в генетических исследованиях. Это обусловлено простотой их строения, быстротой размножения, возможностью получения многочисленного потомства из одной клетки, изучения обмена вещестг и воздействия различных факторов внешней среды, а также воздействия различных мутагенных факторов.

Результатом этих исследований было доказательство поло­жения о том, что законы наследственности и изменчивости по своей биологической сущности едины для всей живой природы и имеют единую материальную основу.

Новым направлением исследований в молекулярной био­логии и генетике стала генетическая инженерия. Предметом изучения в этом случае служат гены, то есть отрезки мо­лекул ДНК, отвечающие за наследование определенного при­знака.

Человек давно создает породы домашних животных, сорта культурных растений, штаммы микроорганизмов путем скрещи­вания и отбора. Генетическая инженерия решает эти вопросы другим путем — непосредственной манипуляцией с наследствен­ным веществом, то есть ДНК- На сегодняшнем уровне знаний удается выделить ДНК из микроорганизмов, с помощью фер­ментов вырезать из нее участок, отвечающий за определенную функцию, соединить с другой молекулой ДНК (плазмидой) для активации и полученную гибридную молекулу внести в бакте­риальные или дрожжевые клетки, которые берут на себя функ­цию воспроизводства нового варианта с новыми свойствами.

Что же такое наследственность и изменчивость? Наслед­ственность— это свойство, присущее всем живым организ­мам, заключающееся в способности передавать следующему поколению одинаковые признаки и особенности развития. Бла­годаря этому свойству достигается сходство между родителями и потомством.

Материальную основу наследственности, как уже указыва­лось, составляют нуклеиновые кислоты, как правило, дезокси- рибонуклеиновая кислота (ДНК) и в отдельных случаях (для некоторых вирусов)'—рибонуклеиновая кислота (РНК). Нук­леиновые кислоты состоят из нуклеотидов, которые содержат три компонента: 1) азотистое основание — тимин (урацил), аденин, гуанин или цитозин; 2) углевод—дезоксирибоза (ри- боза) и 3) остаток фосфорной кислоты.

В основе управления наследственностью лежит генотип — совокупность (набор) генов, определяющих наследственную ос­нову организмов, в том числе и микробов. Генотип проявляется в фенотипе—сумме уже реализованных признаков, которые были заложены в генотипе (образование у микробов жгутиков, капсулы; ферментация углеводов и т. п.). Надо заметить, что микробная клетка наследует не признак как/таковой, а потен­циальную способность к проявлению этого признака, реализа­ция которой зависит от конкретных условий внешней среды.

Функциональной и структурной единицей наследственности служит ген. Он занимает участок молекулы нуклеиновой кис­лоты и состоит из отдельных нуклеотидов. Гены осуществляют хранение и передачу по наследству генетической информации, которая закодирована в молекуле нуклеиновой кислоты. Систе­му линейно расположенных генов называют геномом, а его структурным выражением является хромосома. Хромосомы то­чно воспроизводят свою копию, строго регистрируют происхо­дящие изменения, кодируют с помощью генов наследственные признаки и распределяют их на две равные части в процессе деления клетки. В бактериальной клетке содержится одна хро­мосома.

Качеством, противоположным наследственности, является изменчивость — свойство живых организмов, заключаю­щееся в изменении генов и их проявления в процессе развития организма. При этом изменяются отдельные признаки и свой­ства организма. Следует отметить, что наследственность и из­менчивость представляют собой как бы две стороны одного и того же явления — в природе происходит закономерный про­цесс изменчивости организмов и передачи наследственных при­знаков.

Какие признаки микроорганизмов при этом могут изменять­ся? Наиболее наглядным является изменение морфологических признаков. Влияние различных экзогенных и эндогенных фак­торов приводит к тому, что некоторые бактерии принимают форму больших шаров, утолщенных нитей, колбовидных обра­зований, ветвлений, напоминающих мицелий грибов. Такое яв­ление именуется гетероморфизмом и выражает приспособление бактерий к необычным условиям существования. Эти измене­ния происходят под действием солей, антибиотиков и других факторов. Изменяться могут и другие признаки, например, об­разование жгутиков, спор. Так, листерии, выращенные при 22 °С, обладают жгутиками, а листерии, выращенные при 37°, как правило, лишены их.

Своеобразной формой изменчивости является образование Ь-форм бактерий. Такое изменение связано с разрушением клеточной оболочки или утратой способности к ее формирова­нию. Бактерии претерпевают значительные изменения, форми-. руются колонии с темным плотным центром и рыхлой ажурной периферией — Ь-колонии (рис. 10). Такие изменения возникают под действием ряда факторов, например пенициллина. Микроб­ная клетка превращается в большой шар, без клеточной стен­ки, образуются вакуоли и зерна. Изменяются культуральные, антигенные и биологические свойства микроба. Способность Ь-форм бактерий сохранять приобретенные ими признаки и свойства называют стабилизацией. При временной стабили­зации эти свойства сохраняются лишь в присутствии факто-

pa, вызвавшего образование L-форм, при стойкой — полно­стью утрачивается способность к возврату в исходное состоя­ние.

Происходят также изменения культуральных свойств микро­бов. Культуры одного и того же вида бактерий могут отличаться по характеру роста на плотных средах, на которых образуются колонии двух основных типов: 1) гладкие — S-формы (англ, smooth — гладкий); 2) шерохова­тые— R-формы (англ. rough — шероховатый). Между ними су­ществуют несколько переходных типов колоний — О-формы. Та- Рис. 10. L-колония листерий (уве- кая изменчивость называется ^лич- ⁵⁰)- диссоциацией. Для большинства

бактерий культура в S-форме является более типичной, а клетки из такой культуры более вирулентны. Возбудитель сибирской язвы представляет исключение — наиболее вирулентны и ти­пичны культуры этого микроба в R-форме.

Под влиянием различных воздействий у некоторых микро­бов изменяется обмен веществ, а также потребность в метабо­литах.

Появляются такие варианты микробов, которые нужда­ются для своего развития в определенных аминокислотах, ви­таминах. Эти штаммы называют ауксотрофами в отличие от исходных штаммов — прототрофов. Меняются и ферментатив­ные способности бактерий. Добавлением в питательную среду определенных веществ удается усилить или ослабить синтез ферментов, а также лишить микробов способности продуциро­вать различные ферменты (индуцированный синтез).

Изменение биологических свойств. Очень важное в практи­ческом отношении свойство выявлено у болезнетворных микро­бов — под влиянием различных воздействий снижается их ви­рулентность, причем в ряде случаев это сопровождается сохра­нением способности вызывать у животных иммунитет. Таким путем были получены аттенуированные (ослабленные) штам­мы микробов, которые используют в качестве живых вакцин. Снижение вирулентности достигается различными способами: культивированием при повышенных температурах (вакцины Л. Пастера и Л. С. Ценковского против сибирской язвы), пас­сажем через мозг кролика (вирус-фикс, полученный Л. Пасте- ром и используемый для прививок против бешенства), длитель­ными пассажами на специальных питательных средах (вакцина к. Кальмета и Ш. Герена против туберкулеза) и др.

изменчивость

Фенотипичесная (ненаследственная изменчивость)

Генотипическая (наследственная изменчивость)

мутации '(изменение одного или группы геноВ)

введение плазмид В | геном дан те- риальной клетки

ИндуцироВанный синтез белка

(' Гете - морсризм

Образование £-форм бактерии

Рекомдина^ ции (одМЕН [ генами между) микробными клетками),

ТранссрорЛ мация	У Конъюгация N
Трансдукция

Спонтанные ^ индуцированные ^ Рис. 11. Формы изменчивости микроорганизмов (схема).

Формы изменчивости микроорганизмов подразделяют на две группы (рис. 11): 1) фенотипическая изменчивость, в том чис­ле модификация (модификационная изменчивость, индуциро­ванный синтез); 2) генотипическая изменчивость, включающая мутации — наследуемую изменчивость микробов, не связанную с поступлением новой генетической информации, и рекомбина­ции — наследуемую изменчивость, связанную с поступлением новой генетической информации.

Модификационная (ненаследственная) изменчи­вость является результатом воздействия внешних факторов. Возникающие изменения не наследуются и касаются только фенотипических особенностей. Они могут быть относительно стабильными или лабильными. Иногда возникают длительные модификации, при этом признаки могут сохраняться в течение нескольких поколений. После прекращения действия внешних факторов микробы восстанавливают свои исходные свойства. Генетических изменений при этом не происходит.

Генотипическая изменчивость. В результате изменения генетических структур у бактерий осуществляется наследственная изменчивость, которая проявляется в виде му­таций и рекомбинаций. Мутации — это стойкое наследственное изменение свойств микроба, которое не связано с рекомбинаци­ей и возникает в результате повреждения одного или группы

генов. Мутации бывают спонтанные, возникающие под воздей­ствием внешних факторов без вмешательства экспериментато­ра, и индуцированные, которые возникают при воздействии на микробную популяцию радиацией, температурой, химическими веществами.

Рекомбинации — это обмен генетическим материалом между двумя микробными клетками, которые отличаются друг от друга генетическими признаками. В результате возникают но­вые индивидуумы, наделенные свойствами родительских форм. Различают рекомбинации генов, происходящие в результате трансформации, трансдукции и конъюгации. Трансформация — перенос генетического материала (отдельных фрагментов ДНК) из хромосомы одного микроба (донора) в хромосому другого (реципиента). При помощи трансформации один признак мик­роба может быть заменен другим, например можно превратить чувствительный к антибиотикам штамм в резистентный, и на­оборот. Трансдукция — перенос генетического материала с по­мощью умеренного фага. По своему механизму трансдукция близка к трансформации. Конъюгация бактерий — перенос ге­нетического материала от одной микробной клетки другой пу­тем непосредственного контакта. Это явление принято считать подобием полового процесса.

Установлено также, что в передаче наследственных призна­ков участвует не только ДНК ядерного (хромосомного) аппа­рата, но и ДНК цитоплазмы. Эти генетические элементы цито­плазмы называют плазмидами (эписомами). К ним принадле­жат геномы умеренных фагов, факторы передачи множествен­ной резистентности к лекарственным препаратам, токсигенный фактор, бактериоциногенные факторы.

Практическое значение изменчивости микробов. Способность микробов к изменчивости широко используется в практической деятельности человека. Большие успехи достигнуты с помощью генетических приемов в деле получения специальных культур дрожжей, микробов — продуцентов антибиотиков, а также при создании высокоэффективных вакцин. Получены штаммы мик­робов, которые более интенсивно продуцируют некоторые ами­нокислоты, витамины, органические кислоты, что имеет боль­шое значение для промышленной микробиологии.

Практическое значение генетической инженерии связано с перспективами создания микроорганизмов, потерявших свою патогенность, но сохранивших иммуногенность, с проблемами синтеза антибиотиков, аминокйслот, гормонов, витаминов, фер­ментов, иммуноглобулинов и других веществ.

С помощью методов генетической инженерии уже получен ряд лекарственных препаратов — инсулин, соматотропин (гор­мон роста человека) и некоторые вакцины (против ящура, бе­шенства).