Генетика бактерій

ЗМІСТ


Вступ

Розділ 1.Організація геномів бактерій

.1 Нуклеоїд як бактеріальна хромосома

.2 Плазміди та епісоми як позахромосомні фактори спадковості

.3 Гени бактерій

Розділ 2. Особливості функціонування геномів бактерій

.1 Способи генетичної рекомбінації

.2 Експресія генів

.3 Регуляція експресії генів

Розділ 3. Практичне використання знань з генетики бактерій

Висновки

Список використаної літератури


ВСТУП


Надзвичайно важливим серед досягнень мікробіології останньої чверті XIX століття є відкриття неклітинних форм життя - вірусів. Тоді багато вчених вважали, що бактерії є найменшими і найпростішими організмами, і що саме вони стоять на межі живої і неживої природи.

Захворювання рослин, тварин і людини, вірусна природа яких на даний час встановлена, протягом багатьох сторіч завдавали шкоди господарству і здоровю людини. Хоча багато з цих хвороб були описані, але спроби встановити їхню причину і виявити збудника залишалися безуспішними.

У 1915 р. англійський бактеріолог Ф. Туорт, а в 1917 р. канадієць Ф. дЕрель, незалежно один від одного, відкрили віруси бактерій, названі д'Ерелем бактеріофагами («пожирачі бактерій»). Однак слід зазначити, що ще за 19 років до цього відкриття, в 1898 p., вітчизняний мікробіолог М. Ф. Гамалія описав явище лізису бацил сибірки під впливом невідомого агента, названого вченим бактеріолізином. Протягом 25 років було відкрито віруси, що уражають усіх представників царства природи: рослини, тварини і мікроорганізми. Проте упродовж багатьох років мікроорганізми не привертали до себе особливої уваги.

Але вже на початку 40-х років ХІХ століття мікроорганізми стають обєктом інтенсивних генетичних досліджень. Саме за допомогою мікроорганізмів було вирішено багато кардинальних питань сучасної генетики. Так, перша вказівка на те, що матеріальним носієм спадковості служить дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), було отримано в дослідах на пневмококах американськими генетиками О. Евері, К. Мак-Леодом і М. Мак-Карті [8, С. 125].

На даний час, найбільш вивченою є генетика бактерій, так як вони мають певні характерні особливості, а саме: малі розміри,короткий життєвий цикл, порівняно невелика кількість ДНК і велика швидкість розмноження бактеріальної клітини, що дозволяє простежити генетичні зміни протягом невеликого проміжку часу на великому числі популяцій.

Саме тому питання, повязані із вивченням генетичного апарату бактерій є надзвичайно актуальними і тому активно досліджуються вже не одне десятиліття.

Проаналізувавши стан наукової розробленості проблеми, можемо стверджувати, що вивченням конкретно генетики бактерій займалася невелика кількість науковців. Серед дослідників можна виділити Л. Пастера, І. Мечнікова, Л. Ценковського, М. Тимофєєва-Ресоцького [11, С. 39], О. Евері, К. Мак-Леода та М. Мак-Карті [8, С. 125], П. Берга, Г. Бойера, С. Коена [11, С. 43] та ін. Зараз в Україні дослідженням питання генетики бактерій займаються такі науковці Г. О. Ігутинська, В. А. Циганкова, Л. О. Білявська, В. Є. Козирицька [9], М. Б. Галкін, Н. В. Ліманська, Т. О. Філіпова, В. О. Іваниця [5], Є. С. Воробєй, О. С. Воронкова, І. В. Маліновська, А. І. Вінніков [4], Ж. Ю. Сергеева, Ф. И. Товкач [14], та інші.

Отже, мета нашої роботи: здійснити теоретичний аналіз генетичних особливостей мікроорганізмів.

Обєктом дослідження є бактерії.

Предметом дослідження є особливості спадковості і мінливості бактерій.

Відповідно до мети були поставлені завдання дослідження:

1.Проаналізувати організацію геномів бактерій.

2.Розглянути особливості функціонування геномів бактерій.

.Зясувати як застосовуються знання з генетики бактерій на практиці.

Для реалізації поставлених завдань та досягнення мети даного дослідження, нами використано низку загальнонаукових методів, а саме аналіз та синтез, абстрагування, індуктивний та дедуктивний методи, узагальнення, які використано як необхідні інструменти розкриття та осмислення кожної конкретної теоретичної проблеми, що стосувалася теми дослідження.

Теоретична значущість дослідження.

У даній роботі було більш широко розкрите питання генетики бактерій.

Практичне значення дослідження.

Матеріал дослідження може бути цікавим для викладачів, студентів педагогічних ВНЗ, а також може використовуватися на заняттях з генетики з основами селекції.

Структура роботи.

Дана робота складається з вступу, основної частини, висновків, списку використаних джерел (15 позицій). Загальний обсяг роботи - 40 сторінок.


РОЗДІЛ 1. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМІВ БАКТЕРІЙ


1.1 Нуклеоїд як бактеріальна хромосома


Як правило, бактеріальний геном представлений однією молекулою ДНК (бактеріальною хромосомою), яка містить до 4000 окремих генів необхідних для підтримки життєдіяльності та розмноження бактерій. Ця ДНК взаємодіє з білками, формуючи нуклеоїд, який займає центральну частину бактеріальної клітини. Бактеріальна хромосома зазвичай замкнута в кільце, і дві реплікативні вилки рухаються в протилежних напрямках від ділянки ініціації зустрічаючись в локусі термінації реплікації, де знаходиться сайт dif, що відповідає за декатенацію, тобто розмикання зчеплених дочірніх хромосом. Довжина кільця бактеріальної хромосоми в розгорнутому стані може досягати 1,0 - 1,4 мм, а це в три рази більше діаметру клітини. Для того, щоб розмістити в цитоплазматичному компартменті таку макромолекулу, їй потрібно надати компактну форму, що досягається за допомогою спеціальних структурних білків і ферментів й вимагає витрати енергії. У нормі в бактерій є одна хромосома, бактерії як і всі прокаріоти є гаплоїдними (їх генетичний матеріал представлений одним набором генів). Проте, описано бактерії, що мають декілька копій бактерільної хромосоми. Звичайна бактеріальна хромосома має молекулярну масу близько 1010 Д (5х106 пар нуклеотидів) [11, С. 40].

Нуклеоїд можна виявити у світловому мікроскопі. Для цього треба пофарбувати клітину спеціальними методами: по Фельгену або по Романовскому-Гімзе. Електронно-мікроскопічне дослідження показало, що один кінець ДНК прикріплений до клітинної мембрани. Напевно, це необхідно для процесу реплікації ДНК (Рис. 1. Нуклеоїд в клітині Staphylococcus aureus).

За сприятливих умов для росту відбувається реплікація бактеріальної клітини за сігма-типом, яка здійснюється через проміжну структуру. Цей тип реплікації спостерігається в процесі конюгації бактерій і деяких фагів. При цьому типі реплікації відбувається добудовування обох ниток ДНК до дволанцюгової ДНК [3, С. 46].


Рис. 1. Нуклеоїд в клітині Staphylococcus aureus


Число хромосом в бактеріальній клітині залежить і від природи організму, і від стадії реплікації в бактеріальній клітині. Багатокопійні хромосоми зустрічаються у представників різних родів. Наприклад, клітини Еscherichia coli мають від 2 до 4 геномів, Deinococcus radiodurans має від 4 до 10 копій, Borrelia hermsii - від 8 до 16, Desulfovibrio gigas - від 9 до 17, a Azotobacter vinelandii - до 80 копій хромосоми на клітину.

У молодих клітинах хромосом зазвичай більше, ніж у старих (наприклад, Е. coli в стаціонарній фазі містить 1-2 хромосоми, а в експоненційній фазі 2-8 хромосом).

Крім того, встановлено, що бактеріальні клітини можуть володіти не тільки багатокопійнимі хромосомами, але і в деяких випадках складним «каріотипом», коли геном розподіляється між кількома хромосомами і позахромосомних елементами.

Наприклад, геноми Agrobacterium tumefaciens С58, Brucella melitensis і Rhodobacter sphaeroides містять по дві різні хромосоми. До складу геномів В. cereus А0836 76, Leptospira interrogans і Rhizobium meliloti, крім хромосом входять 1-2 мегаплазміди розміром 100-500 т.п.н. [6, С. 68].

Нарешті, останнім часом спростовано класичне уявлення про те, що бактеріальна хромосома обовязково має кільцеву форму (на відміну від лінійних хромосом у еукаріотів). За допомогою методу гельелектрофореза в пульсуючому полі, що дозволяє розділяти великі і маленькі лінійні молекули ДНК, було встановлено, що деякі бактерії містять і кільцеві, і лінійні хромосоми, а також можуть мати тільки лінійні хромосоми.

Бактеріальна хромосома займає до 20% цитоплазматичного компартмента і має обєм близько 0,2 мкм3. Концентрація ДНК в цій ділянці клітини надзвичайно велика і близька до концентрації ДНК в хроматині інтерфазних ядер ( 20-50 мг/мл ?¹ ). При розчиненні такої кількості ДНК в пробірці вийшов би дуже вязкий гель. Щоб упакуватися в крихітному просторі, не втрачаючи здатності до реплікації, репарації, рекомбінації і транскрипції прокаріотична хромосома повинна поєднувати в собі суперечливі властивості - високу компактність і динамічну структурованість. Обємний коефіцієнт упаковки ДНК в бактеріальній клітині виключно високий і досягає 1 тис. (хоча це поступається щільності упаковки ДНК в голівці бактеріофага, яка в 30-60 разів вище) [10, С. 72].

Компартизація бактеріальної хромосоми залежить від невеликої гетерогенної групи білків, найважливішими з яких є HU, H-NS і SMC. Гістоноподібні білки HU і H-NS, або HLP-білки синтезуються в найбільшому числі копій. Їх взаємодія з ДНК залежить від її первинної послідовності, а також від присутності в ній шпильок і вигинів.і H-NS, а також мінорні гістоноподібні білки FIS і IHF не тільки беруть участь в організації бактеріальної хромосоми, подібно пістонам еукаріотів, а й впливають на експресію генів, а також на реплікацію і рекомбінацію ДНК.

Однак головна роль в компартизації бактеріальної ДНК належить не гістонам і не гістоноподібним білкам, а негативною суперспіралізацією, яка здійснюється за допомогою SMC-білків і топоізомераз. Ферменти з родини топоізомераз локально діють на одну або дві взаємодіючі молекули ДНК. Вони створюють або релаксують торсійний тиск, утворюють або завязують вузли, а також викликають катенацію або декатенацію, тобто розмикають або, навпаки, переплітають кільця ДНК. Топоізомерази I виробляють одноланцюгові, а топоізомерази II - дволанцюжкові розриви в молекулі ДНК. Типовим прикладом топоізомерази I є ДНК-гіраза, що забезпечує суперспіралізацію прокаріотичних хромосом.

Суперспіралізована молекула володіє надлишковою вільної енергією, яка служить рушійною силою для багатьох процесів, що відбуваються на рівні хромосоми. Саме тому повна втрата негативної суперспіралізації викликає летальний ефект [6, С. 71].


1.2. Плазміди та епісоми як позахромосомні фактори спадковості


Генетичний матеріал у мікроорганізмів може знаходитися не тільки в хромосомі, але і в позахромосомних структурах - плазмідах. Плазміди можуть знаходитися в цитоплазмі або бути в інтегрованому стані з хромосомою - тоді їх називають епісомами.

Крім плазмід, у деяких бактерій виявлені помірні фаги і мігруючі елементи: транспозони і ІS-елементи. Транспозони і ІS-елементи входять як правило в склад хромосом, але здатні переходити із хромосоми в плазміду.

За хімічною природою плазміди є лінійними, відкритими і закритими кільцевими молекулами ДНК довжиною від 2 до 6000 пар основ. У лінійних плазмід кінці їх ДНК захищені від дії нуклеаз білками, або зєднуються ковалентно. Коли молекули ДНК скручені, то вони не руйнуються нуклеазами клітини.

Основною властивістю плазмід є їх здатність до автономної реплікації, завдяки наявності всієї системи самовідтворення. Плазміди не є обовязковим генетичним матеріалом бактерій, але є необхідними для прояву їх життєдіяльності.

Всі відомі плазміди поділяють на конюгативні і неконюгативні. Конюгативні плазміди переносять власну ДНК від клітини-донора до клітини-реципієнта при конюгації.

Неконюговані плазміди не володіють здатністю до конюгативного перенесення із однієї клітини в іншу. Молекулярна маса конюгативних плазмід 26-75х106, а неконюгованих не більше 10х106 а.о.м. Конюгативні плазміди характерні для грамнегативних бактерій [13, С. 111].

В одній бактеріальній клітині може одночасно знаходитись декілька типів плазмід. Якщо плазміди не можуть існувати постійно в одній клітині, то їх називають несумісними. Несумісними є ті плазміди, які мають подібну будову.

Для конюгативних плазмід характерне явище поверхневого виключення, коли плазмідна ДНК затруднено проходить через клітинну стінку, якщо в ній є плазміда з аналогічною детермінантою.


Рис. 2. Електронні мікрофотографії плазмід виділених із двох видів бактерій. А. Плазміда pSC101 Е. coli, яка надає клітині стійкості до тетрацикліну. Б. Плазміди N. gonorrhoeae


Розрізняють наступні види плазмід: Соl-фактор - коліциногенний фактор, F-фактор - фактор фертильності, R-фактор - фактор стійкості до лікарських речовин, плазміди біодеградації, плазміди, що кодують фактори вірулентності в мікроорганізмів (Ent, Hly, Sal, K і т.д.) (Рис. 2. Електронні мікрофотографії плазмід виділених із двох видів бактерій. А. Плазміда pSC101 Е. coli, яка надає клітині стійкості до тетрацикліну. Б. Плазміди N. gonorrhoeae).фактори - це плазміди, що контролюють синтез бактеріоцинів, що володіють здатністю пригнічувати розвиток філіпченкових родинних бактерій. Назви бактеріоциногенів привласнюють з урахуванням виду мікроорганізмів та речовин, що вони продукують. В даний час відомо, що практично майже всі патогенні бактерії продукують бактеріоцини.

Бактеріоцини кишкової палички називають коліцини, стафілокока - стафілоцини, пневмокока - пневмоцини, вібріона - вібріоцини і т.д.. Найкраще серед інших бактеріоцинів вивчені коліцини. Культури кишкової палички, продукуючі коліцини, називають коліциногенами, а чуттливі до них коліциночутливими. Коліцини - речовини білкової природи. Вони мають здатність інгібувати синтез ДНК, РНК, білка, викликати загибель клітини не порушуючи її цілісності. Коліцини мають летальну ознаку, тобто після їхньої продукції бактеріальна клітина може загинути. Коліцини функціонують аналогічно антибіотикам з вузьким спектром дії, мають властивості ендодезоксирибонуклеаз.

Бактеріальні клітини, що виділяють бактерицини, стійкі до дії гомологічних бактерицинів навколишнього середовища [11, С. 51-52].

Так, проведені дослідження М. Б. Галкіним, Н. В. Ліманською, Т. О. Філіповою, В. О. Іваницею у 2012 році дали змогу зробити висновки, що бактерії L. Plantarum ONU 87 у звязку зі здатністю до формування на коренях тест-рослини біоплівки та синтезу бактеріоцинів є потенційним компонентом пробіотичного препарату для захисту рослин від інфікування фітопатогенними бактеріями [5, С. 40].фактор може функціонувати автономно і може бути в інтегрованому, як епісома, стані. Цей фактор являє собою кільцеву ДНК довжиною 30-32 нм, молекула якої детермінує перенесення генетичного матеріалу з клітини донора в клітину реципієнта, синтез статевих ворсинок, синтез ферментів, здатність до автономної реплікації і т.д.фактор генетична структура, що забезпечує стійкість до лікарських препаратів. Ця структура несе гени лікарської стійкості (год-гени). Стійкість до одного або декількох лікарських препаратів (антибіотиків) здійснюється за рахунок оперонів і може бути передана шляхом конюгації і трансдукції.

Плазміди біодеградації відповідальні за використання органічних сполук бактеріями як джерела вуглецю й енергії, за утилізацію ряду цукрів, утворення протеолітичних ферментів.плазміди кодують утворення ентеротоксинів у ентеробактерій, Hly-плазміда - синтез гемолізинів у ентеропатогенних мікроорганізмів і стрептококів. Sal-плазміда контролює в псевдомонад використання бактеріями саліцилатів завдяки виробленню призначеного для цієї мети ферменту [7, С. 64].

Епісоми - це генетичні елементи, які можуть існувати або у формі реплікону окремо від бактеріальної хромосоми, або вбудовуватися в бактеріальну хромосому і складати при цьому частину реплікону бактерії.

Епісомами є факторами фертильності бактерій (F-фактор і F'-фактор), що беруть участь в процесі конюгації бактерій, факторами резистентності до антибіотиків (R-плазміди ) і факторами коліциногенності.

Епісомою є й бактеріофаг X, здатний існувати як поза клітиною у формі фага, так і всередині бактеріальних клітин, або в якості окремого реплікону (при літичній інфекції), або у формі профага, складаючи частину бактеріального реплікону. Деякі епісоми можуть бути інфекційними, оскільки їх копії можуть переходити з однієї бактеріальної клітини в іншу, в якій початково епісом даного типу не було. Генетичні функції, необхідні для реплікації, інфекційності й здібності витісняти інші епісоми, що кодуються епісомальною ДНК. У багатьох епісомах містяться також гени, які не є необхідними для їх існування. Наприклад, деякі інфекційні епісоми містять гени стійкості до певних антибіотиків. Бактерії, в які потрапляє такий фактор стійкості, стають стійкими до даного антибіотика. Маючи високу селективну цінність в сучасних умовах насичення антибіотиками, фактори стійкості швидко поширюються серед різних штамів і видів бактерій, у тому числі патогенних. Це створює серйозні проблеми для медицини. Особливо небезпечна здатність чинників стійкості накопичувати гени, що обумовлюють стійкість до різних антибіотиків, і передавати раніше чутливим бактеріям множинну стійкість [4, С. 17].

Одна з найбільш цікавих і ретельно вивчених епісом отримала назву F-фактора (фактора фертильності ). F-фактор визначає статевий процес у Е. coli й має вражаючу здатність визначати стать, здавалося б, безстатевих бактерій. Його існування було виявлено генетиками, коли вони намагалися визначити, чи відбуваються у бактерій схрещування [1, С. 99].

У деяких бактерій виявлені такі мігруючі елементи як транспозони. Бактеріальні транспозони поділяють на два типи, які дещо різняться між собою за будовою послідовностей і довжиною: IS-елементи (insertion sequences), розмір яких варіює від 700 до 1400 пар основ, і власне транспозони (Tn) більшого розміру. Транспозони обох типів часто містять гени транспозази. Транспозаза здійснює каталіз хімічних реакцій, які забезпечують переміщення транспозона в інше місце геному. Крім генів транспозази у складі Tn-транспозонів можуть бути присутніми й інші гени. Транспозони (від англ. transposition - переміщення) є нуклеотидними послідовностями, які крім генів, що відповідають за транспозицію, можуть нести гени, кодуючі інші функції. Довжина їх сягає 2000-20000 нуклеотидних основ. Вони можуть існувати самостійно у вигляді кільцевої молекули ДНК, не здатної до реплікації, або бути включеними до складу бактерійних геномів і плазмід. Вони можуть нести інформацію про синтез, наприклад, бактеріальних ентеротоксинів, ферментів, руйнуючих антибіотики.

Транспозони виявлено у клітинах дріжджів, бактерій, рослин, комах, хребетних і навіть людей. Найважливіша їх властивість - здатність до міграції з одного реплікона до іншого. За рахунок цього вони виконують регулюючу, кодуючу функції, здатні індукувати генні мутації [15, С. 145].елементи або інсерційні елементи (від англ. insertion sequences) - короткі ділянки ДНК, що діють як прості мобільні генетичні елементи. IS-елементи мають дві головні характеристики: вони менші за решту типів мобільних генетичних елементів (зазвичай від 700 до 2500 нуклеотидних основ завдовжки) та кодують лише білки, залучені в процес транспозиції (на відміну від транспозонів, що зазвичай несуть допоміжні гени, корисні для організму-хазяїна, такі як гени резистентності). IS-елементи здатні переміщуватися як єдине ціле з одної ділянки локалізації у іншу й мають тільки гени, які необхідні їм для власної міграції. Ці елементи не здатні самостійно реплікуватися, так як у вільному стані їх не виявлено. IS-елементи потрібні для координації взаємодії плазмід, деяких фагів, транспозонів для забезпечення репродукції, а також необхідні для регуляції активності генів геному бактеріальної клітини та інші [7, С. 73].

Отже, позахромосомні фактори, а саме плазміди надають клітинам різних фенотипових ознак: стійкість до антибіотиків, катіонів (ртуті), аніонів (арсену), мутагенів, бактеріоцинів. Вчені вважають, що плазміди є факторами, які підвищують життєздатність бактерій в організмі господаря і в оточуючому середовищі.


1.3 Гени бактерій


Геном бактерій практично цілком складається з генів (з їх індивідуальною послідовністю основ) і прилеглих до них регуляторних елементів. Щільність генів в геномі прокаріот значно вище, ніж в геномі еукаріот . Гени прокаріотичної клітини складаються із безперервно кодуючої послідовності нуклеотидів, тобто прокаріотам властиве тісне зчеплення генів. Хромосоми бактерій володіють однією групою зчеплень генів. Гени бактерій складаються із промотора, білок-кодуючої ділянки і термінатора транскрипції.

Геном клітин прокаріотів містить значну кількість ДНК і, відповідно, більше генів порівняно з вірусами. Наприклад, у бактерії кишкової палички є понад 4100 генів, які кодують білкові молекули, та близько 120 генів, що кодують молекули РНК. Значна частина структурних генів кишкової палички утворює групи. На кожній групі синтезується одна молекула мРНК, що кодує кілька білків. Ці білки беруть участь у спряжених біохімічних процесах (наприклад, забезпечують синтез певної сполуки). Крім того, ДНК кишкової палички містить велику кількість регуляторних генів, які впливають на активність структурних. Молекула ДНК складається з великої кількості нуклеотидів (до молекули ДНК бактерій і найпростіших входить близько 10 млн. нуклеотидів, а в ДНК вищих організмів до 1 млрд. [10, С. 58].

Послідовність розміщення генів на бактеріальній хромосомі може бути відображена на генетичній карті, яка є умовною схемою хромосоми бактерії (Рис. 3. Генетична карта E. coli). На цій карті зазначено послідовність окремих генів, відносну довжину самих генів і відстань між ними, виражену в умовних одиницях рекомбінації. За таку одиницю умовно прийнята частота рекомбінації, яка дорівнює 1%. Генетичні карти складені для кишкової палички, сінної палички і інших мікроорганізмів [10, С. 64].


Рис. 3. Генетична карта E. Coli


У 2009 році українські вчені Ж. Ю. Сергійова та Ф. І. Товкач здійснили фізичне картування поза хромосомного елемента pCA25 Erwinia carotovora та його транспозонного варіанта pCA25::Tn9. На основі отриманих даних була побудована рестрикцій на картка плазміди та зясовано місце вбудовування транспозона в плазмідну ДНК [14, С. 63].

Отже, геном бактерій виконує наступні функції: забезпечує передачу біологічних властивостей; програмує синтез бактеріального білка з визначеними властивостями; бере участь у процесах мінливості бактерій; забезпечує збереження індивідуальності виду; детермінує множинну стійкість до ряду лікарських речовин.


РОЗДІЛ 2. ОСОБЛИВОСТІ ФУНКЦІОНУВАННЯ ГЕНОМІВ БАКТЕРІЙ


2.1 Способи генетичної рекомбінації


У процесі еволюції природний добір діє не тільки на рівні мутацій в окремих генах, але і на рівні рекомбінації генів, в результаті якої із ДНК двох різних клітин утворюється рекомбінантна хромосома. Цей процес називається генетичною рекомбінацією, а клітини, які утворюються в результаті цього процесу - рекомбінантами. При рекомбінації не проходить повне злиття клітин (не утворюються диплоїди), а частина генетичного матеріалу донорної клітини переноситься до реципієнтної клітини, яка стає частковим диплоїдом або мерозиготою. В рекомбінантній хромосомі основу складає хромосома клітини-реципієнта, яка включає частину клітини-донора, рекомбінанти формуються в реципієнтних клітинах.

До рекомбінативної мінливості генетичного матеріалу, приводить трансформація, трансдукція і конюгація. Рекомбінативна мінливість належить до другого типу спадкової мінливості (після мутаційної) [3, С. 76].

Трансформація (лат. transformatio - перетворення) - передача генетичного матеріалу від донора до реципієнта за допомогою ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною-донором і клітиною-реціпієнтом. Джерелом трансформуючої ДНК може служити вбита культура бактерій (свіжа), або чисті препарати ДНК, які з неї екстраговані.

Явище трансформації у бактерій вперше спостерігав Ф. Гриффітс в 1928 р., але він його не пояснив. Пізніше в 1944 р. О. Евері, К. Мак-Леод і М. Мак-Карті вдалося виділити трансформуючий агент і встановити його хімічну природу. Трансформуючим агентом виявилася ДНК. Процес трансформації проходить у декілька етапів: 1) адсорбція трансформуючої ДНК на поверхні клітини реципієнта; 2) проникнення ДНК в клітину; 3) зєднання трансформуючої ДНК з відповідним фрагментом хромосоми реципієнта.

Не всі клітини бактерій здатні сприймати ДНК. Клітини, які сприймають трансформуючу ДНК, називаються компетентними.

Явище трансформації виявлено у стафілококів, бацил, бульбочкових бактерій, агробактерій, бруцел та ін. Число таких видів перевищило 50, але найкраще вона вивчена у сінної палички і стрептококу пневмонії. Вчені вважають, що можлива і міжвидова трансформація, але це спостерігається тоді, коли ДНК донора і реципієнта подібні за нуклеотидним складом -гетеротрансформація. Гомотрансформація - перенесення генетичної інформації від одного штаму бактерій до другого (в межах одного виду). Відкриття явища трансформації дало змогу встановити роль нуклеїнових кислот як носіїв спадкової інформації.

За характером розміщення перенесених ознак розрізняють зчеплену трансформацію - перенесення двох і більше генів, які розміщені поруч, одним фрагментом ДНК.

Незчеплена трансформація - перенесення генів різними фрагментами ДНК, або одним, але гени не розміщені поруч.

В результаті трансформації утворюються трансформанти, які мають ознаки донора і реципієнта. Рекомбінантна ДНК далі реплікується як єдина структура. Трансформація може здійснюватися як в лабораторних умовах так і в природі. Трансформацію в бактерій використовують для проведення гібридологічного аналізу різних мутацій, для встановлення філогенетичної подібності донора і реципієнта[8, С. 125-126].

Хоча бактерії розмножуються шляхом клітинного поділу, у них спостерігається також своєрідний «статевий процес» перенесення генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої. Таке перенесення відбувається під час конюгації (лат. conjugatio спряження бактерій) - безпосереднього контакту між клітинами. Вперше була вивчена в 1946 р. Дж. Ледербергом і Е. Татумом при культивуванні Е. coli.

Залежить конюгація від присутності в одній із клітин особливої плазміди - F-фактора (фактора фертильності) - яка, як і багато інших плазмід, може існувати автономно, а може вбудовуватись у бактеріальну хромосому шляхом сайт-специфічної рекомбінації. В E. сoli існує два «статевих» типи клітин, що позначаються як F+ і F-, - конюгація супроводжується перенесенням ДНК від клітини F+ до F- (Рис. 4. Схема перенесення F-фактора з клітини F+ до F-).


Рис. 4. Схема перенесення F-фактора з клітини F+ до F-

фактор містить кілька генів, у тому числі такі, що відповідають за утворення так званих пілів - трубчастих виростів на поверхні клітини. Пілі зєднуються з рецепторами клітин F-, і між клітинами двох типів утворюється цитоплазматичний місток. Специфічна нуклеаза робить одноланцюговий розріз у ДНК F-фактора, інтактний ланцюг слугує матрицею для добудови 3'-кінця, що залишився в місці розрізу, - відбувається реплікація циркулярної ДНК F-фактора за так званим типом кільця, що котиться (такий механізм реплікації використовується також для копіювання ДНК багатьох бактеріофагів). Процес добудови 3'-кінця виштовхує 5'-кінцеву одноланцюгову ділянку, яка проникає у клітину F-, де використовується як матриця для синтезу другого ланцюга ДНК. У результаті клітина F- перетворюється на F+[11, С. 57].

Частота конюгації та подвоєння і перенесення F-фактора є невисокою (~10-5), якщо F-фактор існує автономно від бактеріальної хромосоми. Коли F-фактор вбудовується в бактеріальну хромосому, частота зростає до 10-2-10-1 - такі штами клітин F+ позначаються як Hfr (high frequency recombination). При конюгації клітин F- і Hfr вбудований F-фактор ініціює реплікацію за типом кільця, що котиться, цілої бактеріальної хромосоми: у клітині Hfr хромосома відновлюється, у клітину F- переноситься її копія. Насправді ж ціла хромосома потрапляє до клітини F- дуже рідко - як правило, відбувається порушення кон'югаційної трубки й розрив хромосоми, котра переноситься. Оскільки на початку процесу в клітину F- потрапляє лише частина F-фактора, а щоб він опинився там повністю, вихідна хромосома має зробити повний «оберт», як правило, клітина F- не перетворюється на F+ при конюгації з клітиною Hfr (Рис. 5. Схема перенесення ДНК від клітини Hfr до F-, ДНК інтегрованого F-фактора позначено червоним).


Рис. 5. Схема перенесення ДНК від клітини Hfr до F-, ДНК інтегрованого F-фактора позначено червоним


Коли в клітині F- опиняється частина гомологічної ДНК іншої бактерії, починається гомологічна рекомбінація, обмін ділянками між донорною ДНК і ДНК клітини-реципієнта. Результуюча клітина-реципієнт залишається гаплоїдною - «зайва» ДНК, що не потрапила до хромосоми хазяїна, піддається деградації нуклеазами, оскільки вона не є циркулярною. Таким чином, між двома бактеріальними штамами відбувається своєрідне часткове схрещування, яке можна досліджувати за допомогою звичайних методів генетичного аналізу [13, С. 134].

Розглянемо, наприклад, схрещування Hfr-штаму дикого типу за генами thr+ та leu+ (визначають здатність синтезувати відповідні амінокислоти), який містить також ген чутливості до стрептоміцину StrS, із штамом F-, що має ген стійкості до стрептоміцину StrR і мутантні гени thr- та leu- (ауксотрофний штам, який потребує присутності відповідних амінокислот у поживному середовищі):

, thr+ leu+ StrS × F-, thr- leu- StrR.


З певною частотою в такому схрещуванні утворюються рекомбінантні бактерії дикого типу F-, thr+ leu+ StrR, які можна відібрати, вирощуючи культуру на середовищі зі стрептоміцином.

Оскільки перенесення генів із клітини Hfr до F- відбувається послідовно, починаючи із сайта інтеграції F-фактора, можна картувати розміщення генів у бактеріальній хромосомі (у порядку потрапляння їх до клітини F-). Для цього конюгацію (після змішування клітин двох типів у рідкому середовищі) зупиняють шляхом струшування пробірки через певні проміжки часу. Це дозволило свого часу отримати детальні генетичні карти бактеріальної хромосоми (відстані на таких картах вимірюють у хвилинах) і довести її циркулярність. F-фактор, інтегрований до хромосоми, може також вирізатися з неї з утворенням автономної плазміди. Таке вирізання іноді буває неточним: ділянка F-фактора залишається в хромосомі, замінюючись на ділянку хромосоми в складі плазміди. Утворюється так званий F'-фактор, який здатен переносити в інші клітини бактеріальні гени незалежно від бактеріальної хромосоми (явище сексдукції). Після такого перенесення можна отримати частково диплоїдні клітини - за генами, що перебувають у складі F'-фактора. Між останнім і хромосомою клітини-реципієнта можлива гомологічна рекомбінація, що приводить або до утворення Hfr-клітин і дуплікації генів або до обміну ділянками між хромосомою та F'-фактором.

Трансдукція - процес перенесення генетичного матеріалу від однієї бактеріальної клітини до другої за допомогою бактеріофага. Відкрив в 1952 р. Н. Ціндер і Дж. Ледерберг на прикладі двох штамів сальмонел.

Трансдукцію здійснюють помірні фаги та їх вірулентні мутанти. Суть трансдукції полягає в тому, що деякі помірні фаги в процесі репродукції включають у свій геном невеликі фрагменти ДНК бактерії-донора і переносять їх до бактерій-реціпієнтів [12, С. 52].

Фаги діляться на вірулентні і помірні. Вірулентні фаги, проникають в клітину, зумовлюють формування нових фагів і лізис бактерій. Зараження клітин помірними фагами не завжди супроводжується лізисом бактерій, частина їх виживає і стає лізогенними. В лізогенних бактеріях ДНК фага включається в ДНК клітини і помірний фаг перетворюється в профаг, який втрачає здатність руйнувати бактеріальну клітину. Профаг поводить себе так, як частина бактеріальної хромосоми і відтворюється в її складі протягом декількох поколінь (Рис. 6. Схема трансдукціії).


Рис. 6. Схема трансдукції


У бактерій розрізняють 3 типи трансдукції: загальну, специфічну і абортивну.

При загальній трансдукції проходить передача різних фрагментів ДНК від бактерій-донорів до бактерій-реципієнтів за допомогою помірних трансдукуючих фагів.

Специфічна трансдукція характеризується здатністю фага переносити від бактерій донорів до бактерій реципієнтів тільки певні гени. Це зумовлено тим, що утворення трансдукуючого фага проходить в результаті зєднання його ДНК із строго визначеними бактеріальними генами, розміщеними на хромосомі клітини донора.

При абортивній трансдукції перенесений фагом фрагмент хромосоми клітини-донора не включається в хромосому клітини-реціпієнта, а розміщується в її цитоплазмі автономно. В процесі поділу клітини-реціпієнта трансдукований фрагмент ДНК-донора може передаватися тільки одній із двох дочірних клітин, тобто успадковується однолінійно, в звязку з чим втрачається в потомстві [3, С. 84-85].


2.2 Експресія генів


Так як структурні гени не можуть бути постійно в активному стані, тому їхня діяльність то активується, то пригнічується. Але у прокаріотів, у яких високий рівень активності обміну речовин, більшість генів постійно активні: на них синтезуються молекули мРНК, або РНК інших типів. Це дає змогу прокаріотичній клітині швидко реагувати на зміни в навколишньому середовищі.

Процес, при якому спадкова інформація, закодована у вигляді послідовності нуклеотидів молекули ДНК, втілюється у функціональний продукт - молекулу білка або РНК певного типу, називається експресією (від лат. експресіо - вираження) генів[2, С. 81].

Розглянемо перший етап експресії генів - транскрипцію - і, водночас, загальну картину реалізації спадкової інформації. Хоча молекулярні механізми синтезу РНК є значною мірою спільними для всіх живих організмів, але вони суттєво відрізняються для про- та еукаріот.

У прокаріот зростання ланцюга РНК при транскрипції відбувається в напрямі від 5'- до 3'-кінця. Субстратами реакції є 3'-кінцева ОН-група рибозозростаючого транскрипту (ланцюга РНК, що синтезується) і рибонуклеозидтрифосфати (rNTP). Принципова схема реакції ідентична схемі реакції синтезу ДНК - приєднання чергового нуклеотиду залежить від його комплементарних взаємодій з тим ланцюгом ДНК, котрий використовується як матриця. Фермент, який каталізує цю реакцію - ДНК-залежна РНК-полімераза. До складу бактеріальної РНК-полімерази входять кілька білкових субодиниць. Залежно від стадії транскрипції існує дві її форми:

) кор-фермент у складі субодиниць, позначуваних як ? (дві копії), ?, ?' і ?;

) голофермент - комплекс кор-ферменту із субодиницею ?.

Кор-фермент може працювати на різноманітних послідовностях, оскільки має досить високу неспецифічну спорідненість до ДНК. Поява субодиниці ? у складі голоферменту зумовлює зниження загальної неспецифічної спорідненості, однак при цьому виникає специфічна спорідненість до промоторів. Субодиниця ?, таким чином, виконує роль загального фактора ініціації транскрипції. Різні промотори розрізняються за спорідненістю до голоферменту (силою промотора). Відповідно, упізнання слабких промоторів залежить від додаткових, специфічних для даного гена чи групи генів, факторів ініціації. Робочий цикл РНК-полімерази складається з таких стадій.

Ініціація транскрипції, яка також є багатостадійним процесом:

) звязування голоферменту з промотором;

) локальне плавлення подвійної спіралі - розходження ланцюгів ДНК (на ділянці у 12-14 пар основ), яке дозволяє використовувати один із них як матрицю;

) включення перших двох нуклеотидів у молекулу РНК (синтез першого фосфодіефірного звязку в активному центрі полімерази) є найповільнішою стадією процесу, яка може відбуватися тільки у присутності субодиниці ?;

) зростання первинного короткого транскрипту - приєднання 8-9 нуклеотидів;

) очищення промотора - дисоціація ?-фактора, яка маркує перехід до елонгації транскрипції (Рис. 7. Ініціація транскрипції бактеріальною РНК-полімеразою ).


Рис. 7. Ініціація транскрипції бактеріальною РНК-полімеразою


Елонгація транскрипції, у кожному елементарному акті якої приєднується черговий нуклеотид до 3'-кінця РНК і кор-фермент пересувається на один нуклеотид уздовж матриці. При цьому разом із полімеразою переміщується також і розплавлена ділянка ДНК: одна пара основ руйнується попереду від полімерази, одна - відновлюється позаду. Синтез РНК відбувається із середньою швидкістю 40 нуклеотидів за секунду.

Термінація транскрипції - визволення транскрипту, після чого кор-фермент знову взаємодіє з ?-субодиницею і здійснює новий пошук промотора. Сигнал термінації являє собою послідовність, транскрипція якої приводить до утворення у складі мРНК комплементарної дволанцюгової шпильки, безпосередньо фланкованої polyU послідовністю: цей елемент структури мРНК розпізнається полімеразою, унаслідок чого система руйнується. Іноді процес полегшується додатковими білковими факторами термінації [15, С. 63].

РНК-полімераза характеризується асиметричною структурою: дві великі субодиниці - ? і ?' - формують характерні «щелепи», із внутрішньою поверхнею яких взаємодіє ДНК, розташована «нижче» у напрямку руху полімерази. Глибоко між щелепами міститься каталітичний активний центр. Ці риси структурної організації є загальними для всіх інших РНК-полімераз: еукаріотичних і мономерних полімераз деяких бактеріофагів.

Асиметрична будова РНК-полімерази зумовлює два можливі способи, якими фермент може бути орієнтованим відносно ДНК: кожній із цих орієнтацій буде відповідати два протилежні напрямки руху при транскрипції. Відповідно, один із двох ланцюгів ДНК буде обиратися як матричний - той, з якого зчитується інформація у напрямку 3'-5'. Послідовність ланцюга ДНК, який є комплементарним матричному, збігається з послідовністю РНК, що синтезується. Тому саме цей нематричний ланцюг називають кодуючим, або змістовним, - його послідовність прийнято наводити як послідовність даного гена (відповідно, матричний ланцюг називають антикодуючим). Нуклеотид кодуючого ланцюга, який відповідає стартовому нуклеотиду РНК (частіше пуриновий), позначається як +1, наступні нуклеотиди (чи пари основ) у напрямку руху полімерази нумерують з позначкою «+»: +2, +3 і т. д. У зворотному напрямку нуклеотиди нумерують із позначкою «-» (починаючи з -1) [10, С. 156].

Типовий бактеріальний промотор складається з двох елементів послідовності, розташованих на відстані приблизно -10 і -35 від стартової точки. Консенсусна (узагальнена для різних промоторів) послідовність елемента -35 має вигляд T82T84G78A65C54A45 (числами позначено частоту зустрічальності даної основи у відсотках) (Рис. 8. Типовий промотор Е. coli (зелена стрілка позначає старт транскрипції всередині розплавленої зони)).

Послідовність елемента -10 (називається також боксом Прибноу): T80A95T45A60A50T96. Варіабельність послідовностей визначає різну ефективність ініціації - силу промоторів. Саме елементи -35 та -10 безпосередньо впізнаються ?-фактором при ініціації транскрипції. Наведені послідовності розпізнаються варіантом ?-фактора із молекулярною вагою 70 кДа (?70), який є досить широко застосовуваним, однак він не єдиний. Кільком іншим варіантам ?, під контролем яких перебувають певні групи промоторів, відповідають інші консенсусні послідовності -35 та -10. Взаємодія ?-фактора з промотором чітко орієнтує РНК-полімеразу щодо ДНК, тобто визначає як стартову точку транскрипції, так і її напрямок (вибір одного з двох ланцюгів як матричного).


Рис. 8. Типовий промотор Е. coli (зелена стрілка позначає старт транскрипції всередині розплавленої зони)


Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білкових генів є те, що молекула мРНК звязується з рибосомами безпосередньо під час транскрипції - прокаріотична транскрипція і білковий синтез є єдиним процесом. При цьому мРНК, що синтезується на так званих оперонах - кластерах кількох генів, які містить кілька послідовних рамок зчитування та кілька стартових кодонів. Ініціація трансляції відбувається окремо на кожному з них усередині мРНК, і розпізнання цих стартових кодонів не залежить від їхнього розташування щодо 5'-кінця матриці (так звана внутрішня ініціація). Специфічне розміщення стартового кодона в Р-сайті рибосоми при ініціації трансляції у прокаріотів забезпечується комплементарним упізнанням між ділянкою рРНК 16S і консервативною послідовністю Шайна-Дальгарно, розміщеною в мРНК за 5-9 нуклеотидів від стартового кодона в напрямку до 5'-кінця. Саме наявність цієї послідовності й робить даний кодон AUG стартовим, відрізняючи його від звичайного метіонінового кодона. Якщо рибосоми з тих чи інших причин не звязуються з мРНК, транскрипт швидко деградує під дією нуклеаз [10, С. 103].


2.3 Регуляція експресії генів


Зрозуміло, що гени не транскрибуються постійно, а вмикаються та вимикаються в певні моменти залежно від зовнішніх умов, стадій клітинного циклу тощо. Головними елементами, взаємодія між якими зумовлює активацію чи репресію транскрипції, є цис- і транс-елементи.

Цис-елементи - <#"285" src="doc_zip9.jpg" />

Рис. 9. Позитивна регуляція lac-оперона катаболітним активаторним білком САР


Описаний сценарій позитивної регуляції реалізується лише за умови, що lac-оператори не взаємодіють із lac-репресором. У разі відсутності лактози (коли відповідні ферменти її утилізації напевно не потрібні) гомодимери репресора (незалежно від можливої присутності САР) звязуються з обома операторами й при цьому взаємодіють між собою: утворюється тетрамерний комплекс, який утримує петлю ДНК (Рис. 10. Негативна регуляція lac-оператора lac-репресором). Усередині петлі міститься промотор, і це абсолютно запобігає звязуванню з ним РНК-полімерази. Коли зявляється лактоза, її невелика кількість перетворюється на алолактозу, яка спрацьовує як індуктор lac-оперона: звязування алолактози з репресором структурні зміни білка та втрату його спорідненості до оператора. Унаслідок руйнування петлі РНК-полімераза звязується з промотором і оперон починає працювати [11, С. 57-58].


Рис. 10. Негативна регуляція lac-оператора lac-репресором


Система атенюації (attenuation - послаблення), яка використовується зокрема для регуляції активності триптофанового оперона (trp-оперона) E. coli, повязана із використанням сигналів термінації та тієї обставини, що прокаріотична транскрипція тісно узгоджена з трансляцією.

Триптофановий оперон містить пять структурних генів, які відповідають за синтез амінокислоти Trp, перед ними розташовані промотор, оператор і лідерна послідовність, з якої розпочинається транскрипція (Рис. 11. А. Схема trp-оперона, на якому синтезуються два РНК-продукти залежно від внутрішньоклітинної концентрації Trp. Б. Лідерна РНК і два варіанти спарювання основ у її складі залежно від розташування рибосоми).

Лідерна частина РНК містить стартовий кодон, що розпізнається рибосомою, і чотири елементи послідовності: ділянка 1 містить два послідовні триптофанові кодони, ділянки 2-3 та 3-4 є попарно взаємокомплементарними, за ділянкою 4 розташована оліго-U послідовність.

Шпилька 3-4, фланкована оліго-U, є, таким чином, сигналом термінації транскрипції. Коли концентрація Trp низька (є потреба у Trp і тому оперон має бути активним), рибосома зупиняється на триптофанових кодонах ділянки 1 (оскільки відсутня і Trp-тРНК).


Рис. 11. А. Схема trp-оперона, на якому синтезуються два РНК-продукти залежно від внутрішньоклітинної концентрації Trp. Б. Лідерна РНК і два варіанти спарювання основ у її складі залежно від розташування рибосоми


У цьому випадку утворюється шпилька 2-3 (ділянка 3 не залучається до утворення термінуючої шпильки) і РНК-полімераза продовжує синтез повноцінної мРНК. Рибосоми звязуються зі стартовими кодонами, що відповідають структурним генам, і синтезуються відповідні білки. За високого рівня Trp рибосома швидко проходить через ділянку 1 на ділянку 2 і зупиняється на стоп-кодоні. У результаті утворюється шпилька 3-4, тобто формується сигнал термінації, і РНК-полімераза зупиняє транскрипцію після синтезу короткої нефункціональної лідерної РНК. Тоді trp-оперон перебуває також під контролем trp-репресора. Регулятором спорідненості репресора до оператора є сам Trp: у комплексі з ним репресор набуває конформаційної форми, яка має високу спорідненість. Якщо концентрації Trp знижується - репресор дисоціює й ефективність ініціації транскрипції підвищується приблизно в 70 разів.

Атенюація є додатковим, менш ефективним механізмом регуляції: у разі відсутності Trp ефективність транскрипції підвищується приблизно в 10 разів за рахунок атенюації (за наявності Trp близько 10 % РНК-полімераз долають сигнал термінації й продовжують працювати, за відсутності Trp - практично всі). Таким чином, сумісна дія атенюації та негативного контролю за рахунок репресора дозволяє змінювати активність оперона майже в 700 разів залежно від внутрішньоклітинної концентрації Trp [1, С. 84].

мікроорганізм нуклеоїд ген позахромосомний


РОЗДІЛ 3. ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЗНАНЬ З ГЕНЕТИКИ БАКТЕРІЙ


Генетичні феномени знайшли широке практичне застосування в різних галузях науки, техніки, медицини, фармацевтичної промисловості, біотехнології, сільського господарства. Вивчення генетики бактерій та інших мікроорганізмів має дуже важливе як теоретичне, так і практичне значення для спрямованої селекції високопродуктивних штамів, які останнім часом почали широко застосовуватися у різних галузях народного господарства. Використання в селекції мікроорганізмів методом природного добору, індукованого мутагенезу, популяційної мінливості, клонування, гібридизації соматичних клітин тощо дало можливість одержати високопродуктивні штами мікроорганізмів.

Останні знайшли широке застосування в мікробіологічній промисловості для виробництва кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, антибіотиків, бактеріальних добрив, засобів захисту рослин, анатоксинів, лікувально-профілактичних препаратів - вакцин, інтерферонів, гормонів, інтерлейкінів та ін. Наприклад, з індукованих мутантів з наступною їх селекцією було одержано штами - продуценти амінокислот, продуктивність яких у сто разів вища від такої у вихідних штамів. Продуцент лізину дає в 300-400 разів більший вихід цієї незамінної амінокислоти, ніж природний штам.

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 [13, С. 167].

Особливої уваги набувають нині методи одержання енергії та переробки відходів промисловості і сільського господарства з метою одержання цінних біопродуктів і захисту біосфери від забруднення за допомогою спеціально селекціонованих з цією метою мікроорганізмів. Мікробіологічна наука і мікробіологічна індустрія можуть зробити помітний внесок у розвязання енергетичних проблем, які повязані зі значним зменшенням запасів нафти і вугілля на нашій планеті.

Багатонадійні перспективи для сільського господарста, біології та медицини й інших галузей народного господарста відкриваються у звязку з розробкою і вдосконаленням методів генної і клітинної інженерії, за допомогою яких експериментально доведено можливість передачі не тільки природних генів, а й штучно синтезованих, які кодують синтез різноманітних біологічно-активних сполук. Наприклад, ще в перших дослідах з генної інженерії, проведених у 1973 році, було введено за допомогою фага в геном E. coli ген LIG, який контролює синтез лігази. Внаслідок цього вміст лігази в клітинах-реципієнтах збільшився в 500 разів. Тепер у клітини кишкової палички клоновані і функціонують гени інтерферонів, гормону росту, інсуліну та ін. За допомогою клонованих штамів E. coli одержують препарати інтерферону, інсуліну. Про високу ефективність генно-інженерних методів одержання хімічно чистих біологічно активних речовин свідчить й такий факт - щоб одержати 5 мг соматотропіну раніше використовували мозок 500 000 овець протягом 5 років, в той час як аналогічну кількість гормону сьогодні дають 9 л бульйонної суспензії E. coli.

Медична наука стоїть на порозі розробки методів генної хірургії. Наприклад, клонований з макрофагів людини ген фактору некрозу пухлин у E. coli при введенні її білим мишам із саркомами викликає їх руйнування. Широкі перспективи відкриває генна інженерія на шляху створення високоефективних засобів специфічної профілактики інфекційних захворювань. Введення в геном кишкових паличок, вірусів вісповакцини, дріжджів деяких генів вірусів гепатиту В, ящура дозволили розробити субодиничні вакцини [3, С. 89].

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.

Вона народилась у 1972 році, коли американським дослідникам П. Бергу, Г. Бойеру, С. Коену вдалось одержати гібрид вірусу мавпи SV-40 і бактеріофага ? [11, С. 43].

Останнім часом інтенсивно вивчаються методи трансплантації генів за допомогою плазмід, які ще часто називають «генною інженерією у природі». Вони відіграють велику роль у передачі генетичного матеріалу між бактеріями, які належать навіть до віддалених філогенетичних груп.

Плазміди є фактично каналом генетичної комунікації в бактеріальному світі. Наприклад, методами генної інженерії було зроблено пересадку гена nif з азотфіксуючої бактерії в неазотфіксуючу, і остання набула властивості фіксувати молекулярний азот. Тепер ведуться роботи з перенесення генів від бактерій до клітин вищих рослин.

У лабораторних умовах одержано рекомбінантні плазміди, які містять гени двох різних бактерій, бактерій і вірусів, бактерій і рослин, бактерій і тварин, бактерій і людини. Дуже важливим є те, що такі рекомбінантні плазміди, інтродуковані в бактеріальні клітини, дали експресію [10, С. 122].

Дослідження проведені у 2013 році Г. О. Іутинською, В. А. Циганковою, Л. О. Білявською та В. Є. Козирицькою у польових та тепличних умовах на культурах огірка сорту Гравіна та картоплі сорту Беллароза дають підстави стверджувати про високу біозахисну щодо нематод активність нових комплексних препаратів на основі авермектинів (продукту метаболізму стрептоміцету S. avermitilis), які знижували ураження рослин паразитичними нематодами і підвищували урожайність: огірків і картоплі. Методом Дот-блот гібридизації мРНК із si/miРНК встановлено, що авермектинвмісні препарати знижують відсоток гомології si/miРНК до мРНК у інфікованих рослинах відносно контрольних рослин в діапазоні від 6 до 23 %. Отримані розбіжності в показниках відсотків гомології можуть бути наслідком активації препаратами у клітинах рослин синтезу малих регуляторних si/miРНК з антинематодними властивостями. На користь цього припущення свідчать також результати щодо підвищення мікробними препаратами в клітинах інфікованих рослин рівня сайленсингової активності si/miРНК (до 38-65% інгібування трансляції мРНК інфікованих рослин), унаслідок чого значно підвищується стійкість рослин до паразитичних нематод [9, С. 56].

Таким чином, генетика бактерій дозволяє створити струнку систему взаємоповязаних галузей біотехнології, які мають унікальну перевагу - вони засновані на функціонуванні природних систем, які підпорядковуються інтересам людини.


Висновки


Здійснене дослідження дає підстави зробити такі висновки:

. Проаналізувавши організацію геномів бактерій, можемо стверджувати, що найважливішими ознаками живих організмів є мінливість та спадковість. Основу спадкового апарату бактерій складає ДНК. Поряд з цим спадковий апарат бактерій і можливості його вивчення мають ряд особливостей. Бактерії - гаплоїдні організми, тобто вони мають одну хромосому - нуклеоїд. У звязку з цим при успадкуванні ознак відсутнє явище домінантності. Геном бактерій представлений не тільки хромосомними генами, а й позахромосомними факторами, які надають надають клітинам різні фенотипові ознаки й підвищують життєздатність бактерій.

. Розглянувши особливості функціонування геномів бактерій зясували, що в основі генотипової мінливості лежать мутації і рекомбінації. У бактерій є кілька механізмів рекомбінацій при яких утворюється мерозигота, яка несе цілком генетичну інформацію реципієнта і частину генетичної інформації донора у виді доповнення й при цьому у бактеріальної клітини-рекомбіната змінюється не тільки якість, але і кількість генетичної інформації. Розглянувши експресію генів у бактерій, можемо сказати, що утворення однієї спільної молекули мРНК відбувається на структурних генах оперону.

3. Зясували як застосовуються знання з генетики бактерій на практиці. Довели, що завдяки генотиповій та фенотиповій мінливості бактерії є зручним обєктом для досліджень, так як простота геному дозволяє виявляти мутанти з частотою 10-9 та нижче, бактерії мають високу швидкість розмноження і за короткий проміжок часу (за добу) змінюється кілька десятків поколінь, що дає можливість вивчати величезні за чисельністю популяції. З розвитком сучасних технологій генетика бактерій зробить ще чималий вклад в різні сфери нашого життя.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ


1.Атлас по генетике / [авторский коллектив: Н. В. Чебышев, М. Ш. Вербицкий, С. Н. Ларина, М. В. Кобзарь, Г. С. Гузикова, А. Н. Демченко]. - М. : Русь-Олимп, 2009. - 318 с.

2.Бочков Н. П. Клиническая генетика: [учебник] / Н. П. Бочков, В. П. Пузырев, С. А. Смирнихина. - М.: ГЭОТАР, 2011. - 592 с.: ил.

.Бужієвська T. I. Основи медичної генетики / Т. І. Бужієвська. - К. : Здоровя, 2001. - 136 с.

.Воробєй Є. С. Бактеріофаги та їх вплив на бактеріальні біоплівки / Є. С. Воробєй, О. С. Воронкова, І. В. Маліновська, А. І. Вінніков // Мікробіологія і біотехнологія. - 2013. - № 1. - С. 6-19.

.Галкін М. Б. Формування біоплівки бактеріями Lactobacillus Plantarum на коренях рослин Lepidium sativum L. / М. Б. Галкін, Н. В. Ліманська, Т. О. Філіпова, В. О. Іваниця // Мікробіологія і біотехнологія. - 2012. - № 3. - С. 34-43.

.Гусев М. В. Микробиология: [учебник] / М. В. Гусев, Л. А. Минеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2003. - 464 с.

.Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. - Новосибирск: «Сибирское университетское издательство», 2007. - 479 с.: ил.

.Журченко А. А. Генетика / А. А. Журченко, Ю. Л. Гужов. - М. : Колос, 2004. - 480 с.: ил.

.Ігутинська Г. О. Вплив нових біопрепаратів на основі аверкому на розвиток і продуктивність рослин та експресію генів синтезу si/miРНК / Г. О. Ігутинська, В. А. Циганкова, Л. О. Білявська, В. Є. Козирицька // Мікробіологія і біотехнологія. - 2013. - № 1. - С. 48-58.

.Мушкамбаров Н. Н. Молекулярная биология / Н. Н. Мушкамбаров, С. Л. Кузнецов. - М. : ООО «Медицинское информационное агентство», 2003. - 544 с.: ил.

.Покровский В. И. Медицинская микробиология / В. И. Покровский, О. К. Поздеев - М. : ГЭОТАР МЕДИЦИНА, 1999. - 1200 с.: ил.

.Романюк Л. В. Трансдукция, как один из способов преобретения генетической информации у эрвиний / Л. В. Романюк, Н. С. Муквич, Ф. И. Товкач // Мікробіологічний журнал. - 2011, № 1. - С. 51-55.

.Сазанов А. А. Основы генетики / А. А. Сазанов. - СПб. : ЛГУ им. А. С. Пушкина, 2012. - 240 с.

.Сергеева Ж. Ю. Рестрикционное картирование внехромосомного элемента рCA25 Erwinia carotovora / Ж. Ю. Сергеева, Ф. И. Товкач // Мікробіологія і біотехнологія. - 2010. - № 2. - С. 66-68.

.Сиволоб А. В. Генетика: [підручник] / А. В. Сиволоб, С. Р. Рушниковський, С. С. Киряченко. - К. : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2008. - 320 с.


Теги: Генетика бактерій  Курсовая работа (теория)  Биология
Просмотров: 25154
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Генетика бактерій
Назад