Генетика мікроорганізмів
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Генетика мікроорганізмів

Генетика мікроорганізмів , розділ загальною генетики, в якому об'єктом дослідження служать бактерії, мікроскопічні гриби, актінофаги, віруси тварин і рослин, бактеріофаги і ін. мікроорганізми. До 40-х рр. 20 ст вважалося, що, оскільки у мікроорганізмів немає ядерного апарату і мейозу, на них не поширюються Менделя закони і хромосомна теорія спадковості . З початку 40-х рр. мікроорганізми стають об'єктом інтенсивних генетичних досліджень. Саме на них було вирішено багато кардинальних питань сучасні генетики. Так, перша вказівка на те, що матеріальним носієм спадковості служить дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), було отримано в дослідах на пневмококах (американські генетики О. Т. Ейвері, К. Мак-Леод і М. Маккарті). Приблизно в той же час бувальщини початі інтенсивні генетичні дослідження на хлібній цвілі — нейроспорі. Вивчення багаточисельних біохімічних мутантів нейроспори (Дж. У. Бідл і Е. Л. Тейтем, США) привело до встановлення дуже важливого положення: «один ген — один фермент» (нині це положення точніше формулюється так: «один ген — одна поліпептидний ланцюг»). Генетичні дослідження мікроорганізмів особливо інтенсивно стали розвиватися після того, як американські генетики С. Лурія М. Дельбрюк показали на кишковій паличці (Escherichia coli), що і бактерії підкоряються мутаційним закономірностям (див. Мінливість, Мутації ). Раніше існуюче уявлення про адекватну, адаптивну мінливості у бактерій виникло унаслідок методичної помилки, що полягала у вивченні культури як одиниці мінливості. Був запропонований новий принцип вивчення мінливості у бактерій — клональний аналіз, тобто вивчення потомства однієї клітки — родоначальниці клона . Важливою віхою в розвитку Р. м. з'явився розроблений американськими генетиками Дж. і Е. Ледербергамі метод реплік, або відбитків, що дозволив довести, що мутації виникають у бактерій незалежно від умов культивування, і, крім того, що значно спростив прийоми відбору варіантів мікроорганізмів з бажаними властивостями. Виявилось, що у великих популяціях бактерійних кліток мутації виникають спонтанно. У 1946 був відкритий статевий процес у бактерій ( кон'югація ), що дозволило застосувати для їх дослідження генетичний аналіз . В результаті встановлені наявність у бактерій рекомбінації, існування у них генетичних груп зчеплення і побудовані генетичні карти їх хромосом. Майже одночасно був відкритий парасексуальний процес грибів (Р. Понтекорво, Великобританія), що розширило можливості генетичного аналізу грибів, що не мають статевого циклу розмноження. Незабаром в генетичних дослідження були залучені бактеріофаги і ін. віруси (зокрема, вірус тютюнової мозаїки — ВТМ). Був відкритий ефект перенесення генетичної інформації від однієї бактерійної клітки до іншої за посередництва бактеріофага — генетичною трансдукція, що поклало початок вивченню генетичних взаємин в системі «фаг — бактерія» (Дж. Ледерберг, Н. Зіндер, США). Услід за тим була виявлена рекомбінація у фагов (А. Херши і М. Дельбрюк, США). Якщо використання бактерій як об'єкт генетичних досліджень різко підвищило роздільну здатність генетічеськиого аналізу, то завдяки фагам удалося перейти до вивчення явищ спадковості на молекулярному рівні. Велике значення мали дослідження ВТМ (німецькі генетики Г. Шустер і А. Гирер) що дозволили викликати генетичний ефект в дослідах з чистою рибонуклеїновою кислотою (РНК), яка зберігала інфекційність і при нанесенні на листя тютюну викликала в клітках утворення повноцінних часток ВТМ.

загрузка...

  Виходячи із загальних принципів дослідження генетичних процесів у мікроорганізмів, для кожної групи розроблені спеціальні методи вивчення з врахуванням їх особливостей.

  Генетичні механізми в грибів і водоростей що зберегли статевий процес, мають ряд особливостей. Головна з них полягає в тому, що продукти мейозу (спори) залишаються сполученими в певному порядку, і після роздільного висіву цих спор можна безпосередньо вивчати генотип кожного продукту мейозу. Цей метод, званий тетрадним аналізом, доповнює статистичні методи вивчення процесу розщеплювання. Застосування генетіч        еського аналізу до організмів, в яких відсутній статевий процес, стало можливим після відкриття у них парасексуальних процесів, що відрізняються великою різноманітністю. Так, в недосконалих грибів при зрощенні гіф, що належать двом генетично різним штамам, відбувається об'єднання і потім злиття двох гаплоїдних ядер в одне диплоїдне; у цій системі зрідка можливий обмін генетичним матеріалом.

  Особливість статевого процесу у бактерій полягає в тому, що в клітку-реципієнта передається, як правило, лише частина генетичного матеріалу з клітки-донора, внаслідок чого утворюється частково диплоїдна зігота (т.з. мерозігота). У бактерій відомо декілька механізмів передачі генетичного матеріалу. Найбільш досконала форма статевого процесу у бактерій — кон'югація, детально вивчена в кишкової палички. Кон'югація відбувається при безпосередньому контакті між двома клітками, якщо в одній з них присутній специфічний статевий чинник, або чинник ськрещиваємості (фертильності, плодючості), статевий чинник (див. Епісоми ) містить ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і може існувати в клітці або автономному, або в інтегрованому стані (включеним в першому випадку при кон'югації в клітку-реципієнта переходить лише статевий чинник. У другому випадку статевий чинник сприяє направленому перенесенню генетичного матеріалу з клітки-донора в клітку-реципієнта. Як правило, при цьому відбувається передача лише частини генома донора і лише украй рідко передається вся хромосома донора разом включеним в неї статевим чинником. Між фрагментом донорної ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) реципієнта може статися обмін гомологічними генетичними ділянками — кросинговер, що приводить до виникнення рекомбінантов, тобто кліток із зміненим поєднанням ознак. Генетичний аналіз рекомбінантов кишкової палички дозволив встановити у неї існування однієї групи зчеплення, визначити лінійне розташування великого числа генів в її хромосомі і побудувати кільцеву генетичну карту (див. Генетичні карти хромосом ). Перенесення генетичного матеріалу при кон'югації — строго орієнтований процес, при якому послідовність передачі генів (а значить, і вірогідність їх участі в кросинговері) цілком залежить від розташування генів в хромосомі і точки інтеграції (включення) статевого чинника. Під час переходу статевого чинника в автономний стан гени, розташовані на хромосомі поряд з точкою інтеграції, можуть об'єднатися із статевим чинником і надалі передаватися з ним як єдине ціле перетворюючи клітки-реципієнтів на діплоїди по даній генетичній ділянці. Цей процес перенесення генів спільно із статевим чинником, називається сексдукцією, також може привести до виникнення рекомбінантов. Ін.(Древн) механізм виникнення рекомбінантов у бактерій — трансдукція — здійснюється при посредстве т.з. помірних бактеріофагів, які здібні до особливого вигляду симбіозу з бактеріями — лізогенії . У лізогенних бактеріях ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) помірного фага інтегрована з ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) бактерійної клітки і репліцируєтся одночасно з нею. Така прихована форма присутності фага ( профаг ) може зберігатися протягом багатьох клітинних поколінь, проте зрідка профаг переходить у вегетативний стан (тобто починає розмножуватися) і руйнує бактерію. При цьому можливі захват невеликого фрагмента ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) клітки-господаря і подальший його перенесення в ін. клітку, в якій перенесена ділянка генома може вступити в генетичний обмін з гомологічною областю клітки-реципієнта. Зазвичай при трансдукції прогени, розташовані в безпосередній близькості від місця локалізації профагу в хромосомі бактерії. Проте деякі фаги здійснюють трансдукцію, при якій будь-яка ділянка генома бактерії з рівною імовірністю може бути перенесений в ін. клітку. Інколи сам процес лізогенізації, тобто включення помірного фага в геном бактерії, може супроводитися придбанням кліткою нових властивостей (див. Лізогенна конверсія ), наприклад вірулентності. Ще один тип статевого процесу у бактерій, званий трансформацією, перенесення генетичного матеріалу без посредства статевого чинника або помірного бактеріофага з подальшим виникненням рекомбінантов (унаслідок генетичного обміну між фрагментом ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) клітки-реципієнта, що проник в клітку). Особливості генетичних механізмів у вірусів бактерій — бактеріофагов— роблять їх вельми зручною моделлю для вивчення відтворення і функціонування генетичного матеріалу. Вони дуже просто влаштовані, швидко розмножуються і мають дуже короткий життєвий цикл; тому генетика бактеріофагів, особливо фагов Т2 , Т4 і l , досліджена вельми детально. Бактеріофаги схрещують, заражаючи бактерії сумішшю два або декількох мутантів фага. В цьому випадку, окрім вихідних фагових часток, з'являються рекомбінанти із зміненими поєднаннями ознак. За допомогою рекомбінаційного аналізу удалося побудувати генетичні карти для ряду бактеріофагів. Виявилось, що молекула ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) фага є його хромосомою. Вивчення тонкої структури гена, проведене на фаге Т4 (С. Бензер, США), показало існування великого числа ділянок усередині гена, здатних змінюватися (мутувати) з різною частотою під дією різних мутагенів .

  Генетика вірусів тварин і рослин значною мірою грунтується на успіхах в області генетики бактеріофагів, але із-за технічних труднощів ще не отримала достатнього розвитку. Можливість здобуття рекомбінантов була показана в ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) -содержащих вірусів групи віспи — осповакцини (при змішаному зараженні кліток різними представниками цієї групи), у вірусу герпесу (між різними варіантами цього вірусу), а також, між мавпячим опухолеродним вірусом Sv40 і різними представниками аденовірусів. В РНК(рибонуклеїнова кислота) -содержащих вірусів тварин показана можливість здобуття рекомбінантов між мутантами вірусу ящура і поліомієліту, а також між різними варіантами вірусу грипу. Останнє відкриття має особливе значення, т. до. показывает можливі дороги мінливості цього вірусу в природі. З вірусів рослин краще всього вивчений вірус тютюнової мозаїки (ВТМ). Зокрема, повністю розшифрована послідовність амінокислот в білці ВТМ; удалося встановити характер амінокислотних заміщень, що виникають в білках оболонки у різних мутантів ВТМ. Роботи, виконані на ВТМ, з'явилися важливим етапом у вивченні як механізму мутагенезу, так і природи генетичної коди.

  У зв'язку з розвитком нової галузі народного господарства — мікробіологічній промисловості — виникла прикладна Р. м., називається також селекцією і мікроорганізмів. У сферу досліджень були залучені нові форми мікроорганізмів: пеніцилли (Penicil humchrysogenum), актиноміцети (Actinomyces streptomycini, Act. rimosus і ін.), актінофаги. В пеніциллов і аспергиллов відкритий парасексуальний процес, в актиноміцетів вивчений механізм рекомбінації, відкриті генетична рекомбінація в актінофагов, генетична трансдукція в актиноміцетів. Проведені обширні дослідження індукованої мінливості кількісних ознак в актиноміцетів.

  В Радянському Союзі в роботі по селекції мікроорганізмів застосовуються такі генетичні методи, як здобуття індукованих мутацій, гібридизація і зараження актиноміцетів актінофагамі. У результаті виведені високоактивні штами, що дозволили у багато разів збільшити виробництво антибіотиків, амінокислот, вітамінів і ін. біологічно активних речовин.

  У зв'язку із зростаючим значенням Р. м. і необхідністю розвитку мікробіологічної промисловості в 1968 в Москві був організований Всесоюзний науково-дослідний інститут генетики і селекції промислових мікроорганізмів Главмікробіопрома, що став провідним науковим центром в цій області. Проблеми генетики і селекції мікроорганізмів розробляються і в ін. наукових установах Москви (Інститут епідеміології і мікробіології ним. Н. Ф. Гамалєї АМН СРСР(Академія медичних наук СРСР), інститут загальної генетики і інститут атомної енергії ним. И. В. Курчатова АН(Академія наук) СРСР), Ленінграда (Фізіко-технічній інститут ним. А. Ф. Іоффе АН(Академія наук) СРСР, кафедра генетики БРЕШУ(Ленінградський державний університет імені А. А. Жданова)), Києва, Єревану і ін. Р. м. зіграла важливу роль в розвитку сучасний генетики доповнивши ряд положень генетики вищих організмів. Р. м., у свою чергу, стала основою для розвитку молекулярної генетики .

  Літ.: Хейс В., Генетика бактерій і бактеріофагів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Гольдфарб Д. М., Введення в генетику бактерій, М., 1966; Захаров І. А. і Квітко К. В. Генетіка мікроорганізмів, Л., 1967; Аліханян С. І., Сучасна генетика, М., 1967, його ж, Селекція промислових мікроорганізмів, М., 1968; Браун Ст, Генетика мікроорганізмів, Л., 1967; Аліханян С. І., Сучасна генетика, М., 1967; його ж. Селекція промислових мікроорганізмів М., 1968; Браун Ст, Генетика бактерій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Генетичні основи селекції мікроорганізмів, М., 1969.

  С. І. Аліханян, А. Н. Майсурян.