ЕПІЗООТОЛОГІЯ З МІКРОБІОЛОГІЄЮ I частина Електронний посібник
Головна Теоретичні відомості Анотація Додатки Укладачі Список використаних джерел	4. Спадковість і мінливість мікроорганізмів
	4.1. Поняття про спадковість і мінливість мікробів 4.1.1. Генетичний матеріал бактерій 4.2. Мінливість мікроорганізмів 4.2.1. Модифікаційна мінливість 4.2.2. Генотипна мінливість 4.3. Практичне значення генетики бактерій 4.1. Поняття про спадковість і мінливість мікробів Закони спадковості і мінливості для всієї живої природи одні і мають одну матеріальну основу (В.Д. Тімаков, 1973). Спадковість – здатність передавати наступному поколінню однакові ознаки і особливості розвитку, властива усім живим організмам. Еволюційна теорія Дарвіна пояснює шляхи і причини вдосконалення живих організмів (під впливом природного відбору), найбільш пристосованих до життя у певних умовах зовнішнього середовища. Ці умови є факторами, які визначають мінливість мікробів, тому що одночасно в клітині змінюються і процеси обміну речовин, а це, в свою чергу, веде до досить глибоких відхилень у низці властивостей мікроорганізмів. Мікроби, що не пристосувались до нових умов середовища, гинуть. Механізми успадковування генетичних ознак та їх фенотипні прояви вивчає генетика. Значний внесок у вивчення законів мінливості мікроорганізмів зробили Л. Пастер, І. Мечников, Л. Ценковський, М. Вавилов, М. Тимофєєв-Ресоцький. Л. Пастер (1881) одержав живу вакцину проти сибірки під впливом підвищеної температури на культуру бацил сибірки. Під час культивування протягом 24 днів за температури 42 – 43 °С мікроби сибірки втрачали здатність спричинювати захворювання у тварин при підшкірному введенні, але зберігали свої імуногенні властивості. Рис. 4.1. ДНК Л.С. Ценковський (1883) в Росії самостійно використав загальний пастерівський принцип і одержав більш удосконалену живу вакцину проти сибірки. У 1944 р. О. Ейвері, К. Маклауд, М. Мак-Карті довели, що саме ДНК є речовиною, яка зберігає генетичну інформацію. Д. Уотсон і Ф. Крик, М. Уілкінсон у 1953 р. розшифрували генетичний код, встановивши особливості механізмів синтезу білка. 4.1.1. Генетичний матеріал бактерій Генетичний апарат прокаріотів побудовано з двоспіральної нитки ДНК, яка складається з нуклеотидів і замкнута в кільце. На електронних мікрофотографіях вона має форму намиста. Хромосома у функціональному відношенні поділяється на фрагменти, які називаються генами. Ген – елементарна одиниця спадковості, що контролює синтез специфічного поліпептидного ланцюга або діяльність структурних генів. Сукупність генів нуклеоїда та позахромосомних факторів спадковості зумовлюють генотип бактеріальної клітини. Фенотип – індивідуальний вияв генотипу в конкретних умовах існування. Гени – транспозони (transposition – переміщення), які відповідають за транспозицію, можуть нести гени, кодуючі інші функції. Вони можуть нести інформацію про синтез, наприклад, бактеріальних ентеротоксинів, ферментів, руйнуючих антибіотики. Транспозони виявлено у клітинах дріжджів, бактерій, рослин, комах, хребетних і навіть людей. Сприяти проявам мінливості бактерій можуть деякі помірні та дефектні бактеріофаги. За своїми біологічними властивостями вони можуть самостійно існувати в цитоплазмі бактеріальних клітин. При інтеграції з хромосомою мікроба вони можуть надавати йому нові ознаки. Бактеріофаг руйнує клітину Рис. 4.2. Бактеріофаг Рис. 4.3. Модифікаційна мінливість у Proteus vulgaris: 1 – мазок з культури, яка виросла на агарі з фенолом; 2 – мазок з культури, яка виросла на простому МПА 4.2. Мінливість мікроорганізмів Розрізняють два види мінливості мікроорганізмів: неспадкову або модифікаційну та спадкову або генотипну. 4.2.1. Модифікаційна мінливість Модифікаційна мінливість полягає в зміні різноманітних властивостей мікроорганізмів під впливом факторів навколишнього середовища, однак вона не зачіпає генетичний апарат клітини, спадково не передається. Вона зумовлюється адаптаційними механізмами бактеріальної клітини, її здатністю призвичаюватись до умов довкілля за рахунок активації генів, які перебувають у «німому» стані. Підлягають модифікаціям найрізноманітніші властивості бактерій. Досліджено зміни морфологічних ознак внаслідок старіння клітини, появу довгастих, зігнутих паличок вульгарного протею під впливом фенолу, зміну морфології холерного вібріона в результаті дії гліцерину. Під впливом пеніциліну, лізоциму, специфічних імунних сироваток грампозитивні та грамнегативні бактерії можуть втрачати свою клітинну стінку. Клітина при цьому втрачає свою типову морфологію, набуває кулястої форми, в ній можуть з’являтись дрібні зерна, вакуолі. Після припинення дії агента вони набувають звичного виду. Отже, модифікаційні зміни нетривалі, характеризують рівень пристосування бактерій до нових умов існування, вони є нормою реакції клітини, засвідчуючи потенційну здатність генотипу реагувати на змінені умови існування. 4.2.2. Генотипна мінливість При генотипній мінливості мікроорганізмів різноманітні ознаки бактерій успадковуються та передаються нащадкам. Вона може розвиватись внаслідок мутацій та рекомбінацій. Мутаціями називають будь-які зміни послідовності нуклеотидів гена, що змінюють його структуру, а відповідно, й функціонування, але не пов’язані з рекомбінаційним процесом. Вважається, що мутаційний процес лежить в основі еволюції мікроорганізмів у природі. Класифікувати мутації можна з різних точок зору. За своїм проявом їх можна поділити на морфологічні, фізіологічні, біохімічні та інші залежно від виду ознаки, яка змінилась внаслідок мутації. Серед морфологічних ознак може змінитись забарвлення або характер колонії бактерій. Інша група – це мутації стійкості. Після них мікроорганізм набуває здатності, наприклад, переносити токсичні концентрації речовин, які пригнічують ріст диких штамів (резистентність до антибіотиків). До біохімічних мутацій належать прояви ауксотрофності та прототрофності. Збільшувати частоту мутаційного процесу можуть особливі фактори, які називають мутагенами. Найдоступніший мутаген – ультрафіолетове випромінювання, іонізуюче опромінення (рентгенівські промені, g-промені), велику групу складають хімічні мутагени. Найбезпечніший з них – азотиста кислота. До біологічних мутагенів належить перекис водню, що утворюється при метаболізмі всередині клітин, лікарські препарати, такі як нітрофурани, деякі антибіотики (мітоміцин С). Однак протягом своєї еволюції бактерійні клітини виробили певні механізми, що забезпечують стабільність генетичного коду, оберігають його від мутацій або ліквідують їх негативні наслідки. Вони називаються репараціями. Репаративні процеси поширені у мікробів і контролюються за допомогою спеціальних генів. Рис. 4.4. Гладенькі і шорсткі колонії при дисоціації Своєрідною формою генотипної мінливості бактерій є явище дисоціації. Його можна спостерігати при культивуванні мікроорганізмів на щільних живильних середовищах. Ізольовані колонії мікроорганізмів певного виду утворюють на поверхні середовища колонії двох типів – S-форми (smooth – гладенький) і R-форми (rough – шорсткий). Колонії першого типу – гладенькі, блискучі, з рівними краями. Колонії R-типу, навпаки, мутні, шорсткі, з нерівним зазубреним краєм. Виявилось, що деякі властивості мікроорганізмів, незважаючи на те, що вони належать до одного й того ж виду, також відрізняються. Так, клітини S-форми колоній нормальної морфології, викликають дифузне помутніння бульйону, біохімічно вони більш активні, повноцінні в антигенному відношенні, більш вірулентні, їх виділяють, як правило, в гострому періоді захворювання. Збудники чутливі до бактеріофагів і стійкі до фагоцитів, бактерицидної дії сироватки крові. Мікроорганізми, що утворюють R-форми колоній, мають слабшу біохімічну активність, менш чутливі до дії бактеріофагів і мають менш виражені вірулентні властивості. Винятком є збудники туберкульозу, сибірки, чуми. Дослідження довели, що такі зміни відбуваються внаслідок мутацій у генах, що детермінують синтез окремих компонентів мембран бактерій. Вважається, що дисоціація надає мікробам певних селективних переваг при існуванні в організмі хазяїна, і в той же час вона утруднює діагностику інфекційних хвороб, насамперед, дизентерії та ешерихіозів. Генетичні рекомбінації – особливі феномени спадкової мінливості мікроорганізмів, які не пов’язані з мутаційним процесом. Рекомбінанти, що при цьому виникають, успадковують деякі ознаки обох «батьківських» клітин. Генетичні рекомбінації створюють невичерпне джерело різноманітних комбінацій генів, які природа використовує в процесі еволюції. Вважається, що здатність клітин до рекомбінацій детермінується особливими rec-генами (recombination – рекомбінація). Виділяють три основні види генетичних рекомбінацій: трансформація, трансдукція та кон’югація. Трансформація – під цим терміном розуміють перехід одного типу мікроба в інший у межах виду, а також передачу певних властивостей одного виду мікроба іншому. Це процес гібридизації внаслідок переносу генетичних детермінант від бактерії до бактерії за допомогою ізольованої ДНК. Здатність до трансформації виявлено у багатьох мікроорганізмів – представників родів Bacillus, Neisseria, Haemophilus, Staphylococcus, Escherichia та інших. За її допомогою можна передати резистентність до антибіотиків, здатність метаболізувати різноманітні речовини, капсулоутворення тощо. Феномен трансформації можна використати для аналізу спадкування певних ознак бактерійною клітиною, одержання шляхом гібридизації мікроорганізмів з новими властивостями. При кон’югації внаслідок фізичного контакту між бактеріями-донорами та бактеріями-реципієнтами відбувається передача генетичного матеріалу через особливі вирости, які називаються секс-пілі. Необхідною умовою для процесу кон’югації є наявність в клітині-донорі особливого фактору, який називається F-фактор (fertility – плодючість). Бактерії з F-факторами позначаються як F+-, а без нього – F-- клітини. F-фактор детермінує утворення статевих ворсинок, отже, здатність клітин до кон’югації. Статеві ворсинки – особливі трубчасті вирости на поверхні клітини. Вони порожнисті, довжина їх у декілька разів перевищує величину бактерії. Рис. 4.5. Перенос донорської ДНК Таким чином, від бактерії до бактерії можна перенести різноманітні властивості донорського штаму. Крім того, перериваючи процес кон’югації через певні проміжки часу і вивчаючи нові властивості, які набула клітина-реципієнт, можна визначити локалізацію генів на хромосомі, тобто провести її картування. Явище кон’югації досліджено для багатьох представників мікробного царства – кишкових і синьогнійних паличок, сальмонел та інших. Встановлено, що процес кон’югації може відбуватись не тільки в межах одного виду, але й між різними родами бактерій. З медичної точки зору заслуговує на увагу факт передачі за допомогою кон’югації фактора множинної лікарської резистентності (R), який зумовлює стійкість бактерій до багатьох антибіотиків. Трансдукція – явище обміну генетичною інформацією у бактерій шляхом переносу фагами фрагментів ДНК від клітини-донора до клітини-реципієнта. Виділяють три основні види трансдукції: специфічну, загальну або генералізовану та абортивну. Специфічна трансдукція характеризується здатністю бактеріофагів переносити лише певні гени від бактерії донора. При абортивній трансдукції фагова ДНК та гени бактерії донора не інтегруються в хромосому реципієнта, а залишаються в цитоплазмі. Під час поділу клітини вони передаються тільки одній з дочірніх клітин, а згодом просто елімінуються з неї. Явище неспадкової та спадкової мінливості спостерігається також у вірусів. Модифікаціям підлягають склад білків капсиду, суперкапсиду, який зумовлюється впливом клітинних компонентів при репродукції віріонів. Як прояв генотипової мінливості, у вірусів виявлено також феномени мутацій та рекомбінацій. Завдяки мутаціям, які виникли при пасажах вірусів через мозок кроликів, одержано фіксований вірус, а при пасажах через мозок курчат – штам Флюрі, які використовуються під час створення антирабічних вакцин для активної профілактики сказу. При зараженні чутливої клітини одночасно декількома вірусами спостерігаються прояви численних генетичних рекомбінацій. 4.3. Практичне значення генетики бактерій Генетичні феномени знайшли широке практичне застосування в різних галузях науки, техніки, медицини, фармацевтичної промисловості, біотехнології, сільського господарства. Завдяки застосуванню генетичних методів, одержано високоактивні штами бактерій, грибів, актиноміцетів, дріжджів, які продукували у 200–1000 разів і більше амінокислот, органічних кислот, ферментів, вітамінів, кормового білка, порівняно з вихідними, а також вакцинні штами мікроорганізмів та вірусів. Використання різноманітних мутагенів (ультрафіолетове та радіоактивне опромінення, хімічні речовини) дозволило створити мутантний штам гриба Penicillium chryzogenum, який у дикому стані продукував 100 од/мл пеніциліну, а після направленої селекції – 10000 од/мл. Змінюванням умов культивування мікробів вдалось одержати активні живі вакцини проти багатьох інфекційних хвороб людини і тварин (вакцини проти сибірки, проти бешихи свиней та багато інших). Таким чином, виявилось практичне значення спрямованої мінливості патогенних мікробів у галузі специфічної профілактики інфекційних захворювань. Мінливість мікробів має важливе значення і в діагностиці інфекційних захворювань. У лабораторній діагностичній роботі нерідко виділяють так звані атипові форми мікробів (туберкульоз, сальмонельоз та ін.), що втратили окремі характерні для цієї групи мікроорганізмів ознаки. З огляду на це треба враховувати можливість мінливості мікробів залежно від умов їх життя і застосовувати ті або інші додаткові методи лабораторної діагностики (люмінесцентна бактеріоскопія, серологічні дослідження та ін.). Встановлено, що деякі мікроорганізми, наприклад, Fuzarium monilifore, синтезують біологічно активні субстанції типу фітогормонів, гіберелінів, біоінсектицидів та інших, які є ефективними стимуляторами росту й розвитку вищих рослин. Генетичні підходи дозволили проводити цілеспрямований селекційний процес для одержання продуцентів цих речовин. Суттєвий вклад вносить генетика у зменшення забруднення довкілля: очистка стічних вод, переробка відходів і побічних продуктів сільськогосподарського виробництва та промисловості, запропонувавши спеціально селекціоновані з цією метою мікроорганізми. Стрімкий розвиток біологічної науки яскраво проявився у становленні генної та клітинної інженерії – сукупності експериментальних методів, за допомогою яких переносять гени від одного організму до іншого. Таким чином, мікробіологічна наука дозволяє створити струнку систему взаємопов’язаних галузей біотехнології, які мають унікальну перевагу – вони засновані на функціонуванні природних систем, які підпорядковуються інтересам людини. Будова ДНК бактерій Питання для самоконтролю 1. Що таке спадковість? 2. Що вивчає генетика? 3. Розкрийте поняття генотипу, фенотипу? 4. Що таке модифікаційна мінливість? 5. Що таке генетична рекомбінація? 6. Що таке трансформація? 7. Що таке трансдукція?
	Попередня тема	На початок	Наступна тема