Хромосомна ДНК) і плазміда (плазмідна ДНК).

У багатьох видів бактерій є ще один тип генетичних елементів, що існують у клітині автономно, тобто поза хромосомами. Це плазміди, які є типовими репліконами (О.П.Пехов, 1979). Як і всі реплікони вони мають здатність до саморегуляції незалежно від механізмів, які регулюють розмноження бактеріальної хромосоми. Вважається, що генетична інформація, яка міститься у плазмідах та інших позахромосомних елементах (помірних фагах, транспозомах, IS-елементах), не є обов'язковою для життєдіяльності бактерій. Про­те ці елементи розширяють можливості існування бактеріального виду.

Плазміда – це позахромосомний генетичний елемент клітини, здатний до самовідтворення. Цей фрагмент ДНК має кільцеву форму і довжину від 2 до 400 тис. пар нуклеотидів. Назву для позахромосомного генетичного матеріалу запропонували у 1952 році американські дослідники Дж. Ледерберг з співавторами.

У одній прокаріотичній клітині може бути близько десяти таких плазмід. Плазміди зустрічаються також у тих компартментах еукаріотичних клітин, які мають власний геном (мітохондріях, пластидах). Це ще один доказ симбіотичного походження мітохондрій. Відповідно до функціональних особливостей, плазміди поділяють на такі основні типи:

· F-плазміди (фертильність або плодючість);

· R-плазміди (резистентність або стійкість до антибіотиків та сульфаніламідних препаратів);

· Col-плазміди (продукують коліцини або бактеріоцини);

· Ti-плазміди (викликають пухлини у вищих рослин).

Плазміди часто реплікуються разом з ДНК хазяїна, але вони не потрібні для виживання його клітини. Деякі вчені розглядають їх як своєрідних внутрішньоклітинних паразитів або симбіонтів, які побудовані більш примітивно, ніж віруси.

Плазміди, переходячи з однієї клітини у іншу, починають інтенсивно розмножуватися. Саме завдяки переміщенню R-плазміди від однієї хвороботворної бактерії до іншої, вони набувають стійкості до дії лікарських препаратів. Це відбувається дуже швидко. Так, наприклад, у 1956 р. у Японії практично не було випадків дизентерії, які б не вилікувалися. Але вже у 1964 р. половина всіх бактеріальних штамів виявилася стійкою до високоефективних раніше антибіотиків.

Висока здатність до самовідтворення, властива плазмідам, знайшла застосування у сучасних біотехнологіях.

Методами генетичної інженерії у клітини-донора “вирізають” необхідний ген. Потім, за допомогою плазміди, його вводять у клітину-реціпієнт. У результаті подібної тонкої операції бактеріальна клітина починає виробляти необхідний продукт у дуже великих кількостях. Таким чином можна не лише різко збільшити виробництво звичайних для даної клітини метаболітів, але і змусити їх виробляти навіть абсолютно невластиві речовини. Так “навчили” E. coli синтезувати білкову частину гемоглобіну кроля.

Молекули ДНК, які складаються з фрагментів геному різних організмів, називаються рекомбінантними ДНК. Плазміди і віруси, які переносять фрагменти ДНК від одного організму до іншого, називаються векторами. Довгий час вчені не розуміли, яким чином відбувається обмін генетичним матеріалом під час кон’югації. Лише розвиток електронної мікроскопії дозволив заглянути у “інтимне” життя мікробів.

У 1957 р. П.Андерсон зумів отримати електронну мікрофотографію двох бактерій, з’єднаних кон’югаційним містком. Але лише у 1964 р. була виявлена природа таких містків. Вони отримали назву пілів або фімбій.

Плазміди можуть існувати в клітині не тільки в автономному, а й в інтегрованому (об'єднаному) стані з бактеріальною хромосомою (подібно до хромосомних генів). У цьому разі їх називають епісомами. До останніх належать F-фактор, помірні фаги X, Р22, Р2 та ін. У хімічному відношенні плазміди являють собою лінійні або кільцеві ковалентне замкнені молекули ДНК, які містять від 1500 до 40 000 пар нуклеотидів. Кількість плазмідної ДНК у клітині не перевищує кілька відсотків від вмісту ДНК у бактеріальній хромосомі, а число плазмід коливається від однієї до чотирьох десятків.

Головними властивостями плазмід є їхня здатність до автономної реплікації і трансмісивність (здатність до самопередавання). Пере­важна більшість плазмід складається із трьох груп генів: ділянки

ДНК, яка відповідає за автономну реплікацію плазміди в клітині; ге­нів, що забезпечують можливість перенесення плазмід із однієї клітини в іншу, і генів, котрі визначають корисні властивості для клітини-хазяїна. Детальне вивчення молекулярної природи плазмід та їхніх функцій в бактеріальній клітині дозволило успішно викорис­товувати їх у генній інженерії.

Відомо, що первинним генетичним матеріалом, з якого безпосе­редньо побудовані хромосоми і гени, а також бактеріальні плазміди і мігруючі елементи (транспозоми, IS-елементи), є ДНК. Вторинним генетичним матеріалом є РНК. Перед поділом клітини ДНК її геном реплікується і до кожного ланцюга добудовується коплементарний ланцюг. Обидві нові подвійні спіралі ДНК складаються з однієї по­чаткової і однієї заново синтезованої нитки. Таке подвоєння ДНК дозволяє зберігати генетичну інформацію клітини. Для реалізації цієї генетичної інформації ДНК спочатку транскрибується в молекули мРНК, які взаємодіють із рибосомами. В останніх інформація з послідовності нуклеотидів переводиться в послідовність амінокислот за такою спрощеною схемою:

Виявлення у прокаріотів спільних із вищими організмами зако­номірностей спадковості і мінливості, тобто принципова схожість у будові та функціях їхніх геномів, дає змогу розглядати результати, які одержують на бактеріях, як загальнобіологічні. У наш час створено генетичні карти геномів жита, пшениці та інших рослин, а в 2000 р. багаторічна праця американських, англійських, японських та інших учених увінчалася одним із найвидатніших відкриттів — розшифру­ванням геному людини: на її генетичній карті нарахували тридцять тисяч генів.