мінливість мікроорганізмів
Мінливість властива всім мікроорганізмам.
Дослідженнями в області генетики була встановлена генетична роль ДНК, розшифровані структура гена і генетичного коду, механізм реплікації ДНК і регуляції синтезу білка у прокаріотів, з'ясовані закономірності мутагенезу і реплікації пошкоджених ділянок ДНК.
Вивчення спадковості і мінливості мікроорганізмів показало, що змінюватися можуть будь-які властивості мікробної клітини: резистентність до різних факторів, морфологічні, культуральні, біохімічні, вірулентні, антигенні, токсигенні і ін. (Прикладом тому можуть служити вакцини).
Чинники, що викликають цю мінливість, різноманітні. До них відносяться склад живильного середовища, рН навколишнього середовища, концентрація мінеральних солей, температура, ультрафіолетові промені, дія фагів, лікарських та дезінфекційних препаратів, різні хімічні сполуки, ультразвук, іонізуюча радіація і багато іншого.
Успіхи в розвитку генетики мікроорганізмів показали, що основні закони спадковості і мінливості однакові за своєю суттю для всіх живих організмів і мають єдину матеріальну основу. Мікроорганізми в силу швидкості розмноження і гаплоидности є зручною моделлю для вивчення закономірностей мінливості.
Генетичні дослідження, що проводяться в медичній мікробіології, спрямовані на розробку методів управління життєдіяльністю мікроорганізмів і отриманні мутантів, корисних для людини (отримання вакцин, продуцентів антибіотиків, амінокислот, кормового білка і ін.).
Матеріальною основою спадковості, що визначає генетичні властивості всіх організмів, в тому числі бактерій, вірусів, найпростіших, дейтеромицетов тощо. Є ДНК. Виняток становлять тільки РНК - містять віруси, у яких генетична інформація записана в РНК.
Ділянка молекули ДНК, що контролює синтез одного білка, називається геном.
Гени поділяються на структурні, що несуть інформацію про послідовність амінокислотних залишків в конкретних білках, що виробляються клітиною, і гени - регулятори, що регулюють роботу структурних генів.
Повний набір генів, яким володіє клітина, називається генотипом.
У процесі вивчення мінливості мікроорганізмів була виявлена особлива форма мінливості - дисоціація. Цей вид мінливості проявляється в тому, що при посіві деяких культур на щільні поживні середовища відбувається поділ колоній на два типи: 1) гладкі, круглі, блискучі колонії з рівними краями - S-форма (Smooth - гладкий) і 2) плоскі, непрозорі колонії неправильної форми, з нерівними краями - R- форма (Rough - шорсткий).
Існують також перехідні форми: М- форми (слизові) і N- форми (карликові).
Колонії, що відносяться до гладкої S- формі, можуть за певних умов переходити в R- форму і назад. Однак, перехід - R- форми в S- форму відбувається важче.
Хвороботворні бактерії частіше буваю в S- формі. У деяких хвороботворних бактерій колонії представлені r- формою (збудники туберкульозу, чуми).
Зміни, що виникають в бактеріальних клітинах, можуть бути неуспадковане - фенотипическая мінливість і успадковані - генотипическая мінливість.
Фенотипическая мінливість представлена модифікацією - це відповідна реакція клітини на несприятливі умови її існування. Модифікації можуть стосуватися морфологічних, культуральних, біохімічних властивостей мікробів. Морфологічна модифікація змінює форму і величину мікробної клітини.
Культуральная модифікація обумовлює зміну пігментообразованія і розміру колоній, швидкості ділення особин і часу формування колоній та ін.
Біохімічна модифікація проявляється у виникненні адаптивних ферментів, що дозволяють існувати мікробним клітинам в певних умовах.
Модифікація - це спосіб пристосування мікроорганізму до умов зовнішнього середовища. Оскільки придбані властивості не передаються у спадок, вони тільки сприяють в основному виживання мікробних популяцій.
Наприклад, дифтерійні бактерії порівняно легко змінюють морфологічні, культуральні та біохімічні властивості під впливом фізичних і хімічних факторів. Вони можуть утворювати колбовідние, ниткоподібні, дріжджоподібні та кокковидной форми, у них втрачається здатність ферментувати вуглеводи і продукувати токсини. Однак, при відновленні оптимальних умов їх існування, що виникли зміни втрачаються.
Генотипическая мінливість виникає в результаті змін, що передаються у спадок. Генотипическая мінливість представлена мутаціями і рекомбінаціями.
Мутації і рекомбінації - це передаються у спадок структурні зміни генів.
Мутації виникають в результаті впливу зовнішніх факторів (фізичних і хімічних). Мутації поділяються на великі мутації, зумовлені змінами у всій хромосомі, і дрібні (точкові) мутації, що виникають в результаті змін окремих нуклеотидів ДНК.
Мутації виникають в результаті випадання або додавання окремих підстав ДНК, заміни одного підстави іншим або зміщення відносно осі симетрії.
Мікробні мутації ділять на спонтанні та індуковані.
В результаті мутацій можуть змінюватися морфологічні та культуральні властивості, виникати стійкість до лікарських препаратів, знижуватися вірулентні властивості, втрачатися здатність синтезувати амінокислоти, утилізувати вуглеводи та інші поживні речовини.
Якщо мутації виникають під впливом зовнішніх факторів на генну структуру, то рекомбінаційна мінливість виникає в результаті впливу ДНК донора на клітку реципієнта.
Рекомбінація буває трьох видів:
1. Трансформація, яка виникає в результаті здатності клітини-реципієнта вступити безпосередньо в контакт з ДНК донора.
2. Трансдукція, яка обумовлена перенесенням генетичної інформації від донора до реципієнта за допомогою помірного фага. За допомогою помірного фага клітці - реципієнту можна передати здатність продукувати токсин, утворювати спори, продукувати додаткові ферменти і ін.
Дифтерійні бактерії типу mitis в результаті трансдукції, обумовленої бактериофагом, можуть придбати нові властивості, в результаті яких стають більш токсигенними, а отже, і більш вірулентними.
3. Кон'югація - передача генетичного матеріалу від клітки - донора до клітини - реципієнту при безпосередньому контакті особин один з одним.
Крім хромосомних факторів спадковості існують і позахромосомних.
Це плазміди - порівняно невеликі позахромосомних молекули ДНК мікробної клітини. Вони розташовані в цитоплазмі і мають кільцеву структуру. Плазміди забезпечують стійкість бактерій до лікарських речовин, в тому числі і до антибіотиків.
За генетичним механізмам лікарська резистентність мікробів може бути первинною чи набутою.
Первинна (природна) стійкість обумовлена відсутністю відповідних метаболічних реакцій, які блокувалися б певними препаратами.
Придбана стійкість виникає в результаті мутацій в хромосомних генах, що контролюють синтез компонентів клітинної стінки, цитоплазматичної мембрани, рибосомних або транспортних білків.
Найчастіше придбана стійкість виникає в результаті перенесення позахромосомних фактора - плазміди, яка контролює множинну стійкість мікробних клітин (бактерій) до двох, трьох і більше лікарських препаратів, в тому числі і до антибіотиків. Виникає полірезистентність і навіть залежність від того чи іншого лікарського препарату (антибіотика).
Позахромосомних фактори передаються клітинам з дуже високою частотою і обумовлюють широке поширення мікробів і велику їх виживання в навколишньому середовищі.
Біохімічні механізми плазмидной резистентності пов'язані з утворенням ферментів, що інактивують антибіотики або модифікують антибіотики або транспортні білки, які переносять антибіотики в клітку.
Перенесення плазміди від одних бактерій до інших здійснюється шляхом трансдукції або кон'югації.
Стійкість до антибіотиків еукаріотів - грибів і найпростіших - також виникає в результаті мутацій в хромосомних генах, що контролюють утворення структурних компонентів клітини.
Механізми формування антибіотикорезистентності мікроорганізмів складні і різноманітні.
Вони залежать від особливостей механізму дії антибіотиків або хіміопрепаратів на чутливі клітини, від метаболічних властивостей мікробів, а також від хромосомної або плазмідної локалізації маркерів резистентності.
Поряд з придушенням процесів життєдіяльності мікробних клітин, антибіотики, як і інші хіміотерапевтичні препарати, є потужними селективними агентами, які сприяють відбору та розмноженню резистентних до них особин. Навіть якщо в чутливою до антибіотика або хіміотерапевтичне препарату бактеріальної популяції міститься тільки одна резистентна клітина, вона в присутності даної речовини протягом дуже короткого часу може стати родоначальницею нової популяції резистентних мікроорганізмів.
Масової селекції і поширення антибіотикорезистентність мікробних популяцій сприяють багато факторів. Наприклад, широке і часто неконтрольоване застосування антибіотиків для лікування і особливо для профілактики різних захворювань без досить на те підстав (в тому числі і при вірусних захворюваннях), а також широке застосування антибіотиків у ветеринарії як добавки до кормів для прискорення росту тварин, використання антибіотиків в якості консервантів харчових продуктів, для профілактики різних захворювань у тварин.
Генетика вивчає і розробляє шляхи зміни відомих спадкових властивостей організму, закріплених в генетичному коді, змінює їх шляхом впливу на генетичний апарат різними факторами (ультрафіолетовими променями, хімічними сполуками, температурою і ін.).
В результаті цього виникають мутанти - культури зі зміненим генотипом, що володіють більш-менш активними за певною ознакою властивостями.
Ферменти різних видів грибів широко використовуються в генній інженерії. Сучасна генетика, яка користується методами молекулярної біології і новітніми фізико - хімічними методами, показала можливість отримання нових штамів організмів, зі зміненою специфічною активністю. Це стало можливим завдяки картування генів на молекулі ДНК, тобто вивчення їх розташування в полімерного ланцюга ДНК і функціональних їх властивостей. Фізико - хімічні методи дозволяють за допомогою існуючих специфічних ферментів виділяти окремі гени або їх ділянки і з'єднувати їх з певною частиною молекули ДНК іншої особини. В результаті цього отримані штучно життєздатні клітини мають змінену генетичну інформацію.
Цей метод конструювання генетичних властивостей організму носить назву генної інженерії.
Розвиток генетичної і клітинної інженерії дозволяє цілеспрямовано отримувати раніше недоступні препарати (інсулін, інтерферон, вакцини та ін.), Створювати нові корисні штам мікроорганізмів (активніші продуценти різних необхідних метаболітів), сорти рослин, породи тварин.