Изменчивость микроорганизмов. Формы изменчивости.

В середине ХIХ столетия появились две теории изменчивости:

-теория плеоморфизма (Негели и др.) считали, что микроорганизмы бесконечно изменяются, переходят из одних форм в другие и один и тот же микроб может вызывать скисание молока, гниение и инфекционные болезни.

-теория мономорфизма (Кон, Кох) - после разработки Р.Кохом методов выделения бактерий в чистые культуры, стало очевидным, что каждому виду бактерий свойственна определенная форма клеток и он обладает совокупностью определенных физиологических признаков. Авторы мономорфизма отрицали возможность изменчивости признаков и свойств микробов. Современная генетика признает, что у микроорганизмов есть изменчивость, которая имеет свои пределы.

У бактерий возможны изменения:

-морфологических признаков (формы и величины);

-культуральных признаков (возникновение S- и R-форм); S-форма – гладкие (smooth – гладкий), круглые с ровными краями, для большинства патогенных бактерий является нормой. R-форма – шереховатые (rough –шереховатый), с неровными краями. Такие бактерии как правило слабовирулентны или невирулентны. Однако для возбудителя сибирской язвы и туберкулеза шереховатая форма является нормой. Чаще происходит диссоциация у грамотрицательных форм от S- к R-формам и связана она со спонтанными мутациями;

Colonies_smooth (S) Colonies_rough (R)

-биологических свойств (ослабление вирулентных свойств у микроорганизмов при воздействии различных факторов – физических, биологических, химических. Выращивая возбудителя сибирской язвы при температуре 42,5^оС в течение 12 и 24 дней Пастер приготовил I и II вакцины против этой болезни. Во Франции Кальмет и Герен путем пересева возбудителя туберкулеза каждые 14 дней в течение 13 лет на среде с добавлением бычьей желчи при температуре 38 ^оС снизили патогенные свойства и получили штамм, который назван вакциной БЦЖ (BCG);

-биохимических свойств - у бактерий имеются гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. Кишечная палочка на среде без лактозы не вырабатывает фермент лактазу, а на среде с лактозой начинает вырабатывать.

У бактерий различают фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость. Фенотипические изменения не сопровождаются изменениями первичной структуры ДНК и вскоре утрачиваются. Они называются модификациями. Модификационные изменения выражаются в изменении формы и размера бактерий, биохимической активности и ряда других свойств.

В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации. Они происходят в структуре ДНК и проявляются в стабильности изменений каких-либо свойств.

5.Мутации.

Мутации- это внезапные, скачкообразные изменения наследственных свойств. По происхождению мутации могут быть спонтаннымиилииндуцированными. Спонтанные возникают без вмешательства человека. Изменения последовательности нуклеотидов в ДНК могут быть в результате ошибки в работе ДНК-полимеразы при репликации; выпадения участков (делеция), перемещение одного участка относительно другого (транслокация), поворот участка ДНК на 180⁰ (инверсия), повторения какого-нибудь фрагмента ДНК (дупликация); при встраивании в хромосому IS- последовательностей, транспозонов, плазмид.

Индуцированные возникают при воздействии человека на бактериальную популяцию мутагенами, которые бывают:

1. Физические(различные виды радиации, которые вызывают образование тиминовых димеров, препятствующих работе ДНК-полимеразы);

2. Химические - происходит замена пар оснований: 5-бромурацил (аналог тимина), 2-аминопурин (аналог аденина), азотистая кислота (дезаминирование азотистых оснований); нитрозогуанидин – вызывает множественный эффект /супермутаген/; акридиновые красители – вызывают выпадение или вставку оснований, некоторые антибиотики – действуют на метаболизм нуклеиновых кислот /предмутационные повреждения/, йод, перекись водорода).

3. Биологические- мутагенное действие вирусов.

Различают мутации:

1. Точковые –затрагивают одну пару азотистых оснований;

2. Генные – затрагивают один ген;

3. Хромосомные – несколько генов.

Наряду с мутациями в клетках бактерий наблюдаются репарации.Это процесс восстановления поврежденной ДНК, осуществляется специальными ферментами. Фоторепарация – это расщепление тиминовых димеров образованных под действием УФ-лучей видимым светом. При темновой репарации (или ферментативной) идет обнаружение и надрезание ошибки в ДНК (эндонуклеазой), удаление (ДНК-полимеразой 1), синтез (ДНК-полимеразой 1 или 3), «сшивание» (лигазой).

6. Генетические рекомбинации у бактерий.

Трансформация –изменение генома бактерии-реципиента в результате поглощения из среды свободного фрагмента ДНК клетки донора. Это явление впервые наблюдал Ф.Гриффитс. Он одновременно ввел мышам две культуры пневмококков: первая – непатогенная бескапсульная и вторая – патогенная с капсулой, убитая нагреванием. Из крови погибших были выделены патогенные с капсулой бактерии пневмококка. Оказалось, что убитые клетки передали наследственную информацию к образованию капсул бескапсульному штамму с помощью ДНК (установлено Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти в 1944 г). При трансформации различают пять стадий: адсорбция ДНК на поверхности клетки, проникновение ДНК в клетку, спаривание внедрившейся ДНК с хромосомой клетки, включение участка ДНК в хромосому реципиента, передача измененной хромосомы потомству.

Трансдукция – передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии умеренного (дефектного) бактериофага. Дефектными эти фаги называются потому, что не могут вызвать продуктивную инфекцию. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее после проникновения клетке-реципиенту.

Конъюгация –это передача генетического материала донорской клетки реципиентной через конъюгативный мостик. Донорская клетка должна содержать плазмиду (F-фактор), которая кодирует образование половых пилей.