Глава 3. Наследственность и изменчивость микроорганизмов. Роль микробов в превращении веществ в природе

Генетика — наука о наследственности и изменчивости живых организмов, в том числе микробов. Огромна заслуга в развитии учения об изменчивости микробов Л. Пастера и Л.С. Ценковского. Они получили измененные формы возбуди­теля сибирской язвы с наследственно закрепленной ослабленной вирулентностью. Это были первые успешные опыты эксперимен­тального получения живых ослабленных микробов для использо­вания их в целях активной профилактики инфекционных болез­ней. Применение этих принципов привело затем к созданию вакцин против туберкулеза, классической чумы свиней, чумы крупного рогатого скота, рожи свиней и др.

Веществом, ответственным за передачу наследственных при­знаков, является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Даль­нейшие исследования позволили изучить механизмы переноса генетического материала. Расшифровка структуры молекулы ДНК позволила раскрыть генетический код (систему «записи» наследственной информации), тем самым выявить закономер­ность механизма синтеза полипептидов (органических соедине­ний, состоящих из аминокислотных остатков) и белков всех живых существ.

Генетика составляет основу молекулярной биологии, основ­ная часть вопросов которой изучается именно с использованием микроорганизмов. Бактерии, вирусы, бактериофаги имеют боль­шие преимущества для использования их в генетических иссле­дованиях. Это обусловлено простотой их строения, быстротой размножения, возможностью получения многочисленного по­томства из одной клетки, изучения обмена веществ и воздейст­вия различных факторов внешней среды, а также воздействия различных мутагенных факторов.

Результатом этих исследований было доказательство положе­ния о том, что законы наследственности по биологической сущ­ности едины для всей живой природы и имеют единую матери­альную основу.

Новым направлением в молекулярной биологии и генетике стала генетическая инженерия. Предметом изучения в этом случае служат гены, т.е. отрезки молекул ДНК, отве­чающие за наследование определенного признака. Человек давно создает породы домашних животных, сорта культурных расте­ний, штаммы микроорганизмов путем скрещивания и отбора. Генетическая инженерия решает эти вопросы другим путем — непосредственной манипуляцией с наследственным веществом, т.е. ДНК. На сегодняшнем уровне знаний ДНК удается выде­лить из микроорганизмов, с помощью ферментов вырезать из нее участок, отвечающий за определенную функцию, соединить с другой молекулой ДНК (плазмидой) для активации и получен­ную гибридную молекулу внести в бактериальные или дрожже­вые клетки, которые берут на себя функцию воспроизводства нового варианта с новыми свойствами.

Что же такое наследственность и изменчивость? Наследствен­ность — это свойство, присущее всем живым организмам, заклю­чающееся в способности передавать следующему поколению одинаковые признаки и особенности развития, благодаря чему достигается сходство между родителями и потомством.

Материальную основу наследственности, как уже указыва­лось, составляют нуклеиновые кислоты, как правило, ДНК, и в отдельных случаях (для некоторых вирусов) — рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов, которые содержат три компонента: 1) азотистое основание — тимин (урацил), аденин, гуанин или цитозин; 2) углевод — дезоксирибоза (рибоза); 3) остаток фосфорной кислоты.

В основе управления наследственностью лежит генотип — со­вокупность (набор) генов, определяющих наследственную основу организмов, в том числе микробов. Генотип проявляется в фено­типе — сумме уже реализованных признаков, которые были за­ложены в генотипе (образование жгутиков у микробов, фермен­тация углеводов и т.п.). Микробная клетка наследует не при­знак, как таковой, а потенциальную способность к проявлению этого признака, реализация которой зависит от конкретных ус­ловий внешней среды.

Функциональной и структурной единицей наследственности служит ген. Он занимает участок молекулы нуклеиновой кислоты и состоит из отдельных нуклеотидов. Гены осуществляют хране­ние и передачу по наследству генетической информации, которая закодирована в молекуле нуклеиновой кислоты. Систему линей­но расположенных генов называют геномом, а его структурным выражением является хромосома. Она точно воспроизводит свою копию, строго регистрирует происходящие изменения, кодирует с помощью генов наследственные признаки и распределяет их на две равные части в процессе деления клетки. В бактериальной клетке содержится одна хромосома.

Качество, противоположное наследственности, — изменчи­вость, заключающаяся в изменении генов и их проявлении в процессе развития организма. Наследственность и изменчивость представляют собой как бы две стороны одного и того же явле­ния — в природе происходит закономерный процесс изменчи­вости и передачи наследственных признаков.

Какие признаки микроорганизмов при этом могут изменять­ся? Наиболее наглядно — изменение морфологических призна­ков. Влияние различных экзогенных и эндогенных факторов приводит к тому, что некоторые бактерии принимают форму больших шаров, утолщенных нитей, колбовидных образований, ветвлений, напоминающих мицелий грибов. Такое явление на­зывается гетероморфизмом и выражает приспособление бактерий к необычным условиям существования. Эти изменения происхо­дят под действием солей, антибиотиков и других факторов. Из­меняться могут и другие признаки, например образование жгути­ков, спор. Так, листерии, выращенные при 22 °С, обладают жгу­тиками, а листерии, выращенные при 37 °С, как правило, лишены их.

Своеобразной формой изменчивости является образование L-форм бактерий, что связано с разрушением клеточной обо­лочки или утратой способности к ее формированию. Такие изменения возникают под действием ряда факторов, например пенициллина. Формируются колонии с темным плотным цент­ром и рыхлой ажурной периферией. Микробная клетка пре­вращается в большой шар без клеточной стенки, образуются вакуоли и зерна. Изменяются культуральные, антигенные и биологические свойства, микробов. Способность L-форм бак­терий сохранять приобретенные ими признаки и свойства называют стабилизацией. При временной стабилизации эти свойства сохраняются лишь в присутствии факторов, вызывав­ших образование L-форм, при стойкой — полностью утрачива­ется способность к возврату в исходное состояние.

Происходят также изменения культуральных свойств микро­бов. Культуры одного и того же вида бактерий могут отличаться по характеру роста на плотных средах, на которых образуются колонии двух типов: 1) гладкие — S-формы (англ. smooth — гладкий); 2) шероховатые — R-формы (англ. rough — шерохова­тый). Между ними существует несколько переходных типов ко­лоний — О-формы. Такая изменчивость называется диссоциацией. Для большинства бактерий культура в S-форме более типична, а клетки из такой культуры более вирулентны. Возбудитель сибир­ской язвы представляет исключение — наиболее вирулентны и типичны культуры этого микроба в R-форме.

Под влиянием различных воздействий у некоторых микробов изменяется обмен веществ, а также потребность в метаболитах. Появляются такие варианты микробов, которые для своего раз­вития нуждаются в определенных аминокислотах, витаминах. Эти штаммы называют ауксотрофами в отличие от исходных штаммов — прототрофов. Меняются и ферментативные способности бактерий. Добавле­нием в питательную среду определенных веществ удается уси­лить или ослабить синтез ферментов, а также лишить микробов способности продуцировать различные ферменты — индуциро­ванный синтез.

Изменение биологических свойств. Очень важное в практичес­ком отношении свойство выявлено у болезнетворных микро­бов — под влиянием различных воздействий снижается их виру­лентность, причем в ряде случаев это сопровождается сохранени­ем способности вызывать у животных иммунитет. Таким путем были получены аттенуировапные (ослабленные) штаммы микро­бов, которые используют в качестве живых вакцин. Снижение вирулентности достигается несколькими способами: культивиро­ванием при повышенных температурах (вакцины Л. Пастера и Л. С. Ценковского против сибирской язвы); пассажем через мозг кролика (вирус фикс, полученный Л. Пастером и используемый для прививок против бешенства); длительными пассажами на специальных питательных средах (вакцина А. Кальметта и Ш. Герена против туберкулеза) и др.

Рис. 8. Формы изменчивости микроорганизмов

Формы изменчивости микроорганизмов подразделя­ются на две группы (рис. 8):

1) фенотипическая изменчивость, в том числе модификация, индуцированный синтез;

2) генотипическая изменчивость, включающая мутации — наследуемую из­менчивость микробов, не связанную с поступлением новой гене­тической информации, и рекомбинации — наследуемую измен­чивость, связанную с поступлением новой генетической информации.

Модификация (модификационная, ненаследственная изменчи­вость) является результатом воздействия внешних факторов. Воз­никающие изменения не наследуются и касаются только фенотипических особенностей. Они могут быть относительно ста­бильными и лабильными. Иногда возникают длительные модификации, при этом признаки могут сохраняться в течение нескольких поколений. После прекращения действия внешних факторов микробы восстанавливают свои основные свойства. Ге­нетических изменений при этом не происходит.

Генотипическая изменчивость. В результате изменения генети­ческих структур у бактерий осуществляется наследственная из­менчивость, которая проявляется в виде мутаций или рекомби­наций.

Мутации — это стойкое наследственное изменение свойств микроба, которое не связано с рекомбинацией и возникает в результате повреждения одного или группы генов. Мутации бы­вают спонтанными, возникающими под действием внешних фак­торов без вмешательства экспериментатора, и индуцированными, которые возникают при воздействии на микробную популяцию радиацией, температурой, химическими веществами.

Рекомбинации — это обмен генетическим материалом между двумя микробными клетками, которые отличаются друг от друга генетическими признаками. В результате возникают новые инди­видуумы, наделенные свойствами родительских форм. Различают рекомбинации генов, происходящие в результате трансформации, трансдукции и конъюгации. Трансформация — перенос генетичес­кого материала (отдельных фрагментов ДНК) из хромосомы одно­го микроба (донора) в хромосому другого (реципиента). При по­мощи трансформации один признак микроба может быть заменен другим, например, можно превратить чувствительный к антибио­тикам штамм в резистентный, и наоборот. Трансдукция — перенос генетического материала с помощью умеренного фага. По своему механизму трансдукция близка к трансформации. Конъюгация бак­терий — перенос генетического материала от одной микробной клетки другой путем непосредственного контакта. Это явление принято считать подобием полового процесса.

В передаче наследственных признаков участвует не только ДНК ядерного (хромосомного) аппарата, но и ДНК цитоплазмы. Эти генетические элементы цитоплазмы называют плазмидами (эписомами). К ним принадлежат геномы умеренных фагов, факторы передачи множественной резистентности к лекарствен­ным препаратам, токсигенный фактор, бактериоциногенные факторы.

Практическое значение изменчивости микробов. Используя способность микробов к изменчивости, с помощью генетических приемов получены специальные культуры дрожжей, микробов — продуцентов антибиотиков, а также созданы высокоэффектив­ные вакцины. Получены штаммы микробов, которые более ин­тенсивно продуцируют некоторые аминокислоты, витамины, ор­ганические кислоты, что имеет большое значение для промыш­ленной микробиологии.

Практическое значение генетической инженерии связано с перспективами создания микроорганизмов, потерявших свою патогенность, но сохранивших иммуногенность, с проблемами синтеза антибиотиков, аминокислот, гормонов, витаминов, фер­ментов, иммуноглобулинов и других веществ. С помощью этих методов уже получен ряд лекарственных препаратов — инсулин, соматотропин (гормон роста человека), а также некоторые вак­цины (против ящура, бешенства).

Большое значение имеет изменчивость микробов в диагности­ке инфекционных болезней. В последнее время под влиянием огромного числа антимикробных препаратов и широко осущест­вляемой иммунизации животных все чаще выделяются при лабо­раторном исследовании атипичные формы микробов, что затруд­няет диагностику болезней. Некоторые возбудители инфекцион­ных болезней стали обладать болезнетворностью слабой степени. Они утрачивают способность вызывать выработку иммунитета. Все это приводит к возникновению латентных инфекций, а также болезней с измененными клиническими и патоморфологическими признаками. Определенная роль в появлении атипич­ных форм болезней принадлежит L-формам бактерий, которые возникают при неправильном применении антибиотиков. Пос­леднее способствует возникновению лекарственной устойчивости микробов, что также связано с их изменчивостью.