Изменчивость микроорганизмов
Изменчивость свойственна всем микроорганизмам.
Исследованиями в области генетики была установлена генетическая роль ДНК, расшифрованы структура гена и генетического кода, механизм репликации ДНК и регуляции синтеза белка у прокариотов, выяснены закономерности мутагенеза и репликаций поврежденных участков ДНК.
Изучение наследственности и изменчивости микроорганизмов показало, что изменяться могут любые свойства микробной клетки: резистентность к различным факторам, морфологические, культуральные, биохимические, вирулентные, антигенные, токсигенные и др. (примером тому могут служить вакцины).
Факторы, вызывающие эту изменчивость, разнообразны. К ним относятся состав питательной среды, рН окружающей среды, концентрация минеральных солей, температура, ультрафиолетовые лучи, действие фагов, лекарственных и дезинфицирующих препаратов, различные химические соединения, ультразвук, ионизирующая радиация и многое другое.
Успехи в развитии генетики микроорганизмов показали, что основные законы наследственности и изменчивости одинаковы по своей сути для всех живых организмов и имеют единую материальную основу. Микроорганизмы в силу скорости размножения и гаплоидности являются удобной моделью для изучения закономерностей изменчивости.
Генетические исследования, проводимые в медицинской микробиологии, направлены на разработку методов управления жизнедеятельностью микроорганизмов и получении мутантов, полезных для человека (получение вакцин, продуцентов антибиотиков, аминокислот, кормового белка и пр.).
Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий, вирусов, простейших, дейтеромицетов и пр., является ДНК. Исключение составляют только РНК – содержащие вирусы, у которых генетическая информация записана в РНК.
Участок молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белка, называется геном.
Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о последовательности аминокислотных остатков в конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены – регуляторы, регулирующие работу структурных генов.
Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом.
В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости – диссоциация. Этот вид изменчивости проявляется в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделение колоний на два типа: 1) гладкие, круглые, блестящие колонии с ровными краями – S-форма (Smooth – гладкий) и 2) плоские, непрозрачные колонии неправильной формы, с неровными краями – R- форма (Rough – шероховатый).
Существуют также переходные формы: М- формы (слизистые) и N- формы (карликовые).
Колонии, относящиеся к гладкой S- форме, могут при определенных условиях переходить в R- форму и обратно. Однако, переход – R- формы в S- форму происходит труднее.
Болезнетворные бактерии чаще бываю в S- форме. У некоторых болезнетворных бактерий колонии представлены r- формой (возбудители туберкулеза, чумы).
Изменения, возникающие в бактериальных клетках, могут быть ненаследуемые – фенотипическая изменчивость и наследуемые – генотипическая изменчивость.
Фенотипическая изменчивость представлена модификацией – это ответная реакция клетки на неблагоприятные условия ее существования. Модификации могут касаться морфологических, культуральных, биохимических свойств микробов. Морфологическая модификация изменяет форму и величину микробной клетки.
Культуральная модификация обуславливает изменение пигментообразования и размера колоний, скорости деления особей и времени формирования колоний и др.
Биохимическая модификация проявляется в возникновении адаптивных ферментов, позволяющих существовать микробным клеткам в определенных условиях.
Модификация – это способ приспособления микроорганизма к условиям внешней среды. Поскольку приобретенные свойства не передаются по наследству, они только способствуют в основном выживанию микробных популяций.
Например, дифтерийные бактерии сравнительно легко изменяют морфологические, культуральные и биохимические свойства под влиянием физических и химических факторов. Они могут образовывать колбовидные, нитевидные, дрожжеподобные и кокковидные формы, у них утрачивается способность ферментировать углеводы и продуцировать токсины. Однако, при восстановлении оптимальных условий их существования, возникшие изменения утрачиваются.
Генотипическая изменчивость возникает в результате изменений, передающихся по наследству. Генотипическая изменчивость представлена мутациями и рекомбинациями.
Мутации и рекомбинации – это передаваемые по наследству структурные изменения генов.
Мутации возникают в результате влияния внешних факторов (физических и химических). Мутации подразделяются на крупные мутации, обусловленные изменениями во всей хромосоме, и мелкие (точечные) мутации, возникающих в результате изменений отдельных нуклеотидов ДНК.
Мутации возникают в результате выпадения или добавления отдельных оснований ДНК, замены одного основания другим или смещения относительно оси симметрии.
Микробные мутации делят на спонтанные и индуцированные.
В результате мутаций могут изменяться морфологические и культуральные свойства, возникать устойчивость к лекарственным препаратам, снижаться вирулентные свойства, утрачиваться способность синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества.
Если мутации возникают под воздействием внешних факторов на генную структуру, то рекомбинационная изменчивость возникает в результате влияния ДНК донора на клетку реципиента.
Рекомбинация бывает трех видов:
1. Трансформация, которая возникает в результате способности клетки-реципиента вступить непосредственно в контакт с ДНК донора.
2. Трансдукция, которая обусловлена переносом генетической информации от донора к реципиенту при помощи умеренного фага. С помощью умеренного фага клетке – реципиенту можно передать способность продуцировать токсин, образовывать споры, продуцировать дополнительные ферменты и др.
Дифтерийные бактерии типа mitis в результате трансдукции, обусловленной бактериофагом, могут приобрести новые свойства, в результате которых становятся более токсигенными, а следовательно, и более вирулентными.
3. Конъюгация – передача генетического материала от клетки – донора к клетке – реципиенту при непосредственном контакте особей друг с другом.
Кроме хромосомных факторов наследственности существуют и внехромосомные.
Это плазмиды – сравнительно небольшие внехромосомные молекулы ДНК микробной клетки. Они расположены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. Плазмиды обеспечивают устойчивость бактерий к лекарственным веществам, в том числе и к антибиотикам.
По генетическим механизмам лекарственная резистентность микробов может быть первичной или приобретенной.
Первичная (естественная) устойчивость обусловлена отсутствием соответствующих метаболических реакций, которые блокировались бы определенными препаратами.
Приобретенная устойчивость возникает в результате мутаций в хромосомных генах, контролирующих синтез компонентов клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, рибосомных или транспортных белков.
Чаще всего приобретенная устойчивость возникает в результате переноса внехромосомного фактора – плазмиды, которая контролирует множественную устойчивость микробных клеток (бактерий) к двум, трем и более лекарственным препаратам, в том числе и к антибиотикам. Возникает полирезистентность и даже зависимость от того или иного лекарственного препарата (антибиотика).
Внехромосомные факторы передаются клеткам с очень высокой частотой и обуславливают широкое распространение микробов и большую их выживаемость в окружающей среде.
Биохимические механизмы плазмидной резистентности связаны с образованием ферментов, инактивирующих антибиотики или модифицирующих антибиотики или транспортные белки, переносящие антибиотики в клетку.
Перенос плазмиды от одних бактерий к другим осуществляется путем трансдукции или конъюгации.
Устойчивость к антибиотикам эукариотов – грибов и простейших – также возникает в результате мутаций в хромосомных генах, контролирующих образование структурных компонентов клетки.
Механизмы формирования антибиотикорезистентности микроорганизмов сложны и многообразны.
Они зависят от особенностей механизма действия антибиотиков или химиопрепаратов на чувствительные клетки, от метаболических свойств микробов, а также от хромосомной или плазмидной локализации маркеров резистентности.
Наряду с подавлением процессов жизнедеятельности микробных клеток, антибиотики, как и другие химиотерапевтические препараты, являются мощными селективными агентами, способствующими отбору и размножению резистентных к ним особей. Даже если в чувствительной к антибиотику или химиотерапевтическому препарату бактериальной популяции содержится только одна резистентная клетка, она в присутствии данного вещества в течение очень короткого времени может стать родоначальницей новой популяции резистентных микроорганизмов.
Массовой селекции и распространению антибиотикорезистентых микробных популяций способствуют многие факторы. Например, широкое и часто неконтролируемое применение антибиотиков для лечения и особенно для профилактики различных заболеваний без достаточно на то оснований (в том числе и при вирусных заболеваниях), а также широкое применение антибиотиков в ветеринарии в качестве добавок к кормам для ускорения роста животных, использование антибиотиков в качестве консервантов пищевых продуктов, для профилактики различных заболеваний у животных.
Генетика изучает и разрабатывает пути изменения известных наследственных свойств организма, закрепленных в генетическом коде, изменяет их путем воздействия на генетический аппарат различными факторами (ультрафиолетовыми лучами, химическими соединениями, температурой и пр.).
В результате этого возникают мутанты – культуры с измененным генотипом, обладающие более или менее активными по определенному признаку свойствами.
Ферменты разных видов грибов широко используются в генной инженерии. Современная генетика, пользующаяся методами молекулярной биологии и новейшими физико – химическими методами, показала возможность получения новых штаммов организмов, с измененной специфической активностью. Это стало возможным благодаря картированию генов на молекуле ДНК, т.е изучению их расположения в полимерной цепи ДНК и функциональных их свойств. Физико – химические методы позволяют с помощью существующих специфических ферментов выделять отдельные гены или их участки и соединять их с определенной частью молекулы ДНК другой особи. В результате этого полученные искусственно жизнеспособные клетки имеют измененную генетическую информацию.
Этот метод конструирования генетических свойств организма носит название генной инженерии.
Развитие генетической и клеточной инженерии позволяет целенаправленно получать ранее недоступные препараты (инсулин, интерферон, вакцины и пр.), создавать новые полезные штамм микроорганизмов (более активные продуценты различных необходимых метаболитов), сорта растений, породы животных.
