Лекция № 5. Генетика микроорганизмов

Вопросы:

• 1. Наследственные факторы микроорганизмов.
• 2. Механизмы, вызывающие изменение генетической информации.
• 3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов
• 1. Наследственные факторы микроорганизмов. В клетках эукариот местом нахождения генетического материала являются ядра, а у прокариот — нуклеоиды. Генетический материал представлен ДНК. Бактериальные клетки ДНК имеют форму нитей, замкнутых в виде кольца, — бактериальная хромосома. Хромосома имеет отдельные участки (фрагменты молекулы ДНК), которые называются генами. Ген — основной фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Кроме того, конкретные признаки микроорганизмов обуславливают отдельные ферменты. Гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах — структурные гены.

Микроорганизмы содержат генетический материал не только в хромосоме, но и в плазмидах, расположенных в цитоплазме. Плазмиды представляют собой молекулы ДНК. Клетка микроорганизма составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов называется фенотипом.

Изменения наследственных признаков, возникающие под влиянием внешней среды, — модификации. Модификации существуют до тех пор, пока действует вызывающий их фактор среды, и не наследуются организмами. Изменения генотипа называются мутациями, они происходят случайно и являются наследственно закрепленными признаками.

2. Механизмы, вызывающие изменения генетической информации. Мутации происходят, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид или в ДНК включается лишний нуклеотид. Различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только 1 ген, а хромосомные распространяются на несколько генов.

Генные мутации:

• · точковые мутации — мутации, при которых происходят химическое изменение одного нуклеотида. Среди них различают несколько групп:
  • 1) транзиции — мутации, когда пурин одной из цепей ДНК замещается другим пурином, а пиримидин комплиментарной цепи другим пиримидином.
  • 2) трансверсии — мутации, когда происходит замена пурина пиримидином.
  • 3) мутации со сдвигом рамки — изменения, когда происходит вставка лишнего нуклеотида.

В ряде случаев точковые мутации могут возвращаться к исходной дикой форме в результате процесса обратной мутации — реверсии.

Хромосомные мутации связаны с более крупными перестройками фрагментов ДНК. Среди них выделяются:

• 1) делеция, которая проявляется в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов;
• 2) инверсия, которая проявляется в виде поворота участка ДНК на 180^о;
• 3) дупликация — повторение какого-либо фрагмента ДНК;

Мутации вызывают обычно химические и физические агенты, такие как рентгеновское, ультрафиолетовое излучения, гамма-лучи, соединения тяжелых металлов, перекиси, минеральные масла, алкилирующие соединения, аналоги иприта и другие. Клетки бактерий обладают специальными системами, восстанавливающими поврежденные ДНК. Восстановления осуществляются ферментами, которые находятся под контролем специальных генов.

У микроорганизмов имеются механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененнной наследственности. Эти механизмы заключаются в немедленной перестановке генов (рекомбинации), принадлежащих близкородственным, но генетически различным организмам. У эукариот это образование индивидуумов происходит в результате полового процесса. У прокариот известно 3 процесса рекомбинации генов:

• 1) трансформация — перенос генов, при котором часть ДНК клетки-донора может проникать в родственную бактериальную клетку. ДНК получается экстрагированием или при естественном растворении клеток.
• 2) коньюгация — процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи коньюгационных мостиков, через которые происходит обмен генетическим материалом.
• 3) трансдукция — перенос бактериального материала от одной клетки к другой при участии бактериофага.
• 3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов. Развитие генетики, открывшей методы получения наследственно измененных форм микроорганизмов, расширило возможности использования микроорганизмов в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Основной из этих методов — это индуцированное получение мутантов воздействием различными мутагенами (излучениями и химическими веществами) на дикие, существующие в природе культуры микроорганизмов. Таким методом удается создать мутанты, которые дают в десятки и сотни раз большее количество ценных продуктов (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и т. д.) по сравнению с дикими формами микроорганизмов.

Процесс получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов состоит из многих этапов. На культуру микроорганизма воздействуют различными мутагенными факторами с последующим отбором наиболее продуктивного штамма. Этот мутантный штамм может подвергнуться дальнейшему воздействию мутагенов и дальнейшему отбору еще более продуктивных мутантов. Часто из тысячи бесполезных мутантов отбирают только один высокопродуктивный штамм. В последние годы методом радиационного и химического мутагенеза микроорганизмов получено большое число промышленных штаммов микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов, ценных пищевых аминокислот, ростовых и других веществ.

Особенно широкие перспективы переделки наследственной природы организмов сулит развитие генной, или генетической, инженерии. Это раздел молекулярной генетики, который разрабатывает методы создания новых генетических структур, несущих заданную информацию, и способов их переноса в клетки прокариот и эукариот.

Полученные методом генной инженерии новые генетические молекулы представляют собой рекомбинантные ДНК, включающие два компонента — вектор (переносчик) и клонируемую «чужеродную» ДНК. Так как переносчик должен обладать свойствами репликона и обусловливать репликацию вновь созданной рекомбинантной ДНК, то в качестве вектора обычно используют такие репликоны, как плазмиды, умеренные фаги и вирусы животных. Все эти переносчики имеют циркулярно замкнутую структуру ДНК — Клонируемая ДНК — это фрагмент ДНК, который несет необходимый ген (или гены), контролирующий образование нужного вещества.

Имеются различные приемы получения рекомбинантных молекул ДНК — Наиболее простой из них сводится к обработке изолированных молекул ДНК-вектора и ДНК, несущей необходимый ген, ферментами рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции), расщепляющими взятые молекулы ДНК в строго определенном месте с образованием однонитчатых комплементарных друг другу концов, так называемых липких концов. Это первый этап получения рекомбинантных ДНК — «разрезание» молекул ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции. Второй этап заключается в обработке полученных линейных молекул ДНК ферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разные молекулы в одну рекомби-нантную ДНК. На третьем этапе рекомбинантные молекулы вводят в клетки тех или иных бактерий методом трансформации. На завершающем, четвертом, этапе проводят клонирование трансформированных клеток.

В настоящее время методом генной инженерии получены рекомбинантные молекулы ДНК, несущие информацию для образования таких важных веществ, как интерферон, инсулин, гормон роста человека и другие в клетках кишечной палочки (Е. coli). По-видимому, методом генной инженерии можно будет создать и такие бактерии, которые, потеряв свою болезнетворность, помогут выработать иммунитет против многих инфекционных болезней животных и человека. В промышленности, благодаря использованию генной инженерии, появятся высокопродуктивные микроорганизмы, создающие белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие нужные продукты.

Будут получены новые сорта растений и породы животных, устойчивые к заболеваниям и наделенные особенно выгодными для сельского хозяйства свойствами. Возможно, методом генной инженерии будут созданы растения, обладающие способностью к связыванию молекулярного азота атмосферы. Такие растения, вероятно, можно будет получить после введения в их геном генов от микроорганизмов, фиксирующих азот из воздуха.

Нет сомнения в том, что в связи с разработкой и совершенствованием методов генной инженерии, показавших возможность передачи не только естественных генов живых организмов, но и искусственно синтезированных, открываются блестящие перспективы для научно-технического прогресса не только в медицине и промышленности, но и в сельскохозяйственном производстве.