Фенотипическсш и генотипическая изменчивость

Совокупность генов бактериальной клетки называют ее генотипом, а всех признаков и свойств, проявляемых определенной культурой,— ее фенотипом.

Начало изучению изменчивости микроорганизмов положил Л. Пас-тер. Он доказал возможность ослабления вирулентных свойств микро­организмов при воздействии на них различных факторов — физичес­ких, химических, биологических. Например, при длительном выдер­живании культуры возбудителя холеры в термостате она утрачивала свои вирулентные свойства, но сохраняла иммуногенность. Именно поэтому такая культура была использована Пастером в качестве вакци­ны для специфической профилактики холеры птиц. В 1885 г Л. Пастер путем 183 последовательных интрацеребральных заражений кроликов вирусом бешенства изменил его свойства. Вирус оказался авирулентным, поэтому ученый применил его в качестве вак­цины для профилактики бешенства у людей.

Различают изменчивость наследуемую, связанную с изменением на­следственной основы клетки, ее генотипа, и ненаследуемую, возника­ющую в результате неоднородности условий развития особей одного поколения и приводящих к изменению фенотипа.

Фенотипическая изменчивость. Такая изменчивость имеет значение для отдельных индивидов, генерации, популяции, но не для вида бак­терий в целом. Она проявляется в следующих вариантах: модификация, инволюция, диссоциация.

Модификация (от лат. modificato — видоизменение, адаптация) — из­менение фенотипа, сохраняющееся на время действия какого-либо фактора внешней среды. Например, возбудитель сибирской язвы не образует спор при 12 "С, но приобретает способность формировать их при 37 °С. Этот микроорганизм не образует спор без доступа кислорода, но они возникают при его доступе.

Инволюция (от лат. involution — изгиб) — возникновение в культуре уродливых форм. Например, при длительном выращивании сальмо­нелл в МПБ появляются шарообразные формы этих микробов.

Диссоциация (от лат. dissociation — разъединять) — образование коло­ний разного типа (S-, О-, R-, М-, D-, L -форм) в культуре микробов одного вида. Большинство видов бактерий образуют колонии S (от англ. smooth — гладкий) и R (от англ. rough — шероховатый) типов. Кро­ме того, бывают О-формы колоний (переходные), которые по своим признакам занимают среднее положение между S- и R -колониями, а также М-формы — слизистые (от англ. mucoid— слизеподобный), D- формы — карликовые (от англ. dward — карлик), Z-формы — колонии, формирующиеся на плотной питательной среде при посеве Z-форм бактерий.

Для большинства патогенных микробов S-форма колоний является нормой. Лишь для некоторых видов патогенных микробов S-форма бактерий является типичной (возбудители сибирской язвы, туберкуле­за). Считают, что диссоциацию вызывают мутации, спонтанно возни­кающие в естественной среде обитания бактерий, а также при культи­вировании их на искусственных питательных средах в условиях термо­стата.

Колонии S-типа прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью, круглые, с ровными краями, выпуклые, а колонии R-типа шерохова­тые, непрозрачные, с неровными краями, морщинистые, плоские. Они более прочно связаны с питательной средой, чем колонии в б'-форме. Некоторые виды бактерий образуют колонии небольших разме­ров, напоминающих росинки (пастереллы, гемофилы), но многие виды микроорганизмов формируют колонии, диаметр которых может быть 2-4мм и более (сальмонеллы, эшерихии, микроскопические грибы).

Бактерии, составляющие колонии 5-типа, обладают следующими свойствами: подвижные виды имеют жгутики; у капсульных хорошо выражена капсула или слизистый чехол; биохимически более актив­ны; у патогенных видов выражены вирулентные свойства; полноцен­ны в антигенном отношении; чувствительны к фагу; фагоцитируются слабо; взвесь бактерий в физиологическом растворе гомогенная, стойкая, клетки нормальной величины.

Для бактерий, формирующих колонии Л-типа, характерны следу­ющие свойства: жгутики часто отсутствуют, не имеют капсулы или сли­зистого чехла; биохимически менее активны; слабовирулентные или совсем авирулентные; легко фагоцитируются; неполноценны в анти­генном отношении; слабочувствительны к фагу; взвесь клеток в физ­растворе быстро оседает, осадок крошковидный, клетки полиморф­ные.

Необходимо иметь в виду, что бактерии, формирующие на плотной питательной среде колонии в Л-форме, могут утрачивать специфичес­кую агглютинабельность, что затрудняет их идентификацию.

Генотипическая (наследуемая) изменчивость. Проявляется у бактерий в двух вариантах: мутация и рекомбинация.

Мутация (от лат. mutatio — изменение, превращение) — это необра­тимое изменение генетического материала (генотипа), наступающее под влиянием факторов внешней среды, т. е. мутагенов, действующих на молекулярном уровне (на ДНК). Различают спонтанные и индуци­рованные мутации. Бактерии с измененными признаками под влияни­ем мутагенов называют мутантами. Мутагенами могут быть физичес­кие, химические и биологические факторы.

Спонтанные мутации возникают в естественной среде оби­тания бактерий. Одним из типов спонтанной мутации микроорганиз­мов является ауксотрофность, т. е. утрата клетками способности синтезировать, например, лейцин, который могли продуцировать роди­тельские клетки. В данном случае мутант будет расти и размножаться только в той среде, в которую добавлен лейцин. Такой мутант будет называться ауксотрофным по лейцину, т. е. требующим для своего развития данной аминокислоты. Спонтанные мутации — источник естественной изменчивости микроорганизмов, обусловливающей адаптацию их к условиям обитания. Эти мутации являются основой эволюционного процесса, фактором возникновения разнообразных видов бактерий.

Индуцированные (направленные) мутации появляются в результате целенаправленной обработки микроорганизмов мутагена­ми различной природы — физической, химической, биологической. Индуцированные мутации называют искусственными, так как их вы­зывают экспериментальным путем с целью получения чаще всего вак­цинных штаммов, используемых для производства вакцин, а также штаммов микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, витами­нов, ферментов и других веществ, применяемых в ветеринарии и ме­дицине.

Мутации могут быть медленными, ступенчатыми или скачкообраз­ными, быстрыми.

Рекомбинация (гибридизация) — это химическое необратимое изме­нение генетического аппарата бактерий, наступающее в результате об­мена частями хромосом (генами) с бактериями другого вида, штамма. Различают три способа обмена генетическим материалом: трансфор­мация; трансдукция; конъюгация.

В результате генетического обмена между бактериями образуют­ся рекомбинанты, т. е. микробы, обладающие свойствами обоих родителей. Клетки-рекомбинанты в основном сохраняют генотип бактерии-реципиента, приобретая отдельные свойства бактерии-донора.

Трансформация (от лат. transformatio — превращать) — процесс гибри­дизации, при котором осуществляется перенос участков бактерий (не более 5 % от всего генома) ДНК из клетки донора в клетку-реципиент. Впервые явление трансформации было описано Ф. Гриффетсом. Он одновременно ввел мышкам две культуры пневмококков: одну — непа­тогенную бескапсульную живую (7?-штамм), вторую патогенную кап-сульную (S-штамм), но инактивированную нагреванием. Затем из кро­ви погибших мышей исследователь выделил патогенные бактерии c капсулой — пневмококки третьего типа. Следовательно, инактивиро-ванные (погубленные) нагреванием капсульные бактерии передали способность образовывать капсулу непатогенному, но живому бескапсульному штамму.

Трансдукция (от лат. transductio — перенос) — вид гибридизации, со­вершающийся путем переноса ДНК из клетки донора в родственную фагочувствительную клетку с помощью умеренного бактериофага. Раз­множаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав собствен­ной ДНК участки бактериальной ДНК и передают эти участки клетке-реципиенту при проникновении в нее.

Конъюгация (от лат. conjugatio — объединение) — процесс гибридиза­ции, осуществляющийся путем передачи генетического материала че­рез половые ворсинки. Это наблюдается при контакте разнополовых клеток бактерий. Конъюгирующие бактерии соединяются через конъюгационный мостик, образованный половой ворсинкой Топили донор­ской клетки. Перенос генетического материала происходит от донорс­кой (мужской F+) клетки к реципиентной (женской F~) клетке.

Конъюгация является одним из основных поставщиков измененных форм бактерий и важным фактором их эволюции. В отличие от поло­вого процесса у эукариотов конъюгация бактерий возможна между осо­бями, относящимися к различным видам и родам, например между эшерихиями и сальмонеллами, сальмонеллами и шигеллами.