Возникновение и развитие микробиологии. Работы Левенгука, Бейеринга, Коха. Роль Луи Пастера в формировании микробиологии.

Возникновение и развитие микробиологии. Работы Левенгука, Бейеринга, Коха. Роль Луи Пастера в формировании микробиологии.

Микробиология — наука о живых организмах, невидимых невооруженным глазом (микроорганизмах): бактерии, архебактерии, микроскопические грибы и водоросли, часто этот список продляют простейшими и вирусами. В область интересов микробиологии входит их систематика, морфология, физиология, биохимия, эволюция, роль в экосистемах а также возможности практического использования.

Разделы микробиологии: бактериология, микология, вирусология и т. д.

Донаучный этап развития.За несколько тысяч лет до возникновения микробиологии как науки человек не зная о существовании микроорганизмов, широко применял природные процессы, связанные с брожением, для приготовления кумыса и других кисломолочных продуктов, получения алкоголя, уксуса, при мочке льна.наиболее близко к открытию микромира подошел Джироламо Фракасторо (1478—1553), предположивший что инфекции вызывают маленькие тельца, передающиеся при контакте и сохраняющиеся на вещах больного.

Описательный этап. В 1665 Роберт Гук впервые увидел растительные клетки. Однако 30 кратного увеличения его микроскопа не хватило чтобы увидеть простейших и тем более бактерии. Левенгук считал обнаруженных им микроскопических существ «очень маленькими животными» и приписывал им те же особенности строения и поведения, что и обычным животным. Повсеместное распространение этих «животных» стало сенсацией не только в научном мире. В течение следующих 100—150 лет развитие микробиологии проходило лишь с описанием новых видов. Отто Фридрих Мюллер к 1789 описал и назвал по линнеевской биномиальной номенклатуре 379 различных видов. Христиан Готтфрид Эренберг описал множество пигментированных бактерий, первые железобактерии, а также скелеты простейших и диатомовых водорослей в морских и лиманных отложениях, чем положил начало микропалеонтологии. В России одним из первых микробиологов был Л. С. Ценковский (1822—1887), описавший большое число простейших, водорослей и грибов и сделавший вывод об отсутствии резкой границы между растениями и животными. Им также была организована одна из первых Пастеровских станций и предложена вакцина против сибирской язвы.

Золотой век микробиологии.1880-е и 1890-е ознаменовались для микробиологии всплеском числа открытий. Во многом это было связано с подробной разработкой методологии. Прежде всего здесь следует отметить вклад Роберта Коха, создавшем в конце 1870-х ряд новых методов и общих принципов ведения исследовательской работы. Пастер использовал для выращивания микроорганизмов жидкие среды. Жидкие среды были недостаточно удобны. Сложно было выделить Чистую культуру, в связи с чем можно было изучать только обогащённые самой природой культуры. Твёрдые среды впервые использовались для изучения грибов. Для бактерий твёрдые среды применял Кон во Вроцлаве зимой 1868/69 годов, однако только в 1881 Роберт Кох положил начало широкому применению желатиновых и агаровых пластинок. В 1887 году введены в практику чашки Петри. Коху принадлежат также знаменитые постулаты:

- возбудитель заболевания должен регулярно обнаруживаться у пациента;

- он должен быть выделен в чистую культуру;

- выделенный организм должен вызывать у подопытных животных те же симптомы, что и у больного человека.

Бейеринк сделал правильное заключение о небактериальной природе патогена. Бейеринк показал, что фильтрация не помогает удержать возбудителя заболевания табачной мозаики на керамических фильтрах Чамберлена,. Бейеринк показал, что патоген способен репродуцироваться и распространяться в клетках хозяина, но не может быть культивирован в растворе подобно бактериям. Бейерлинк впервые ввёл понятие вирус для обозначения особой, небактериальной природы возбудителя.

Роль отечественных учёных в развитии микробиологии. Исследования Самойловича, Л.С. Ценковского, С.Н. Виноградского, В.Л. Омельянского, Д.И. Ивановского, И.И. Мечникова. Главные направления развития современной микробиологии.

Исследования И. И. Мечникова (1845—1916) показали, что большую роль в формировании иммунитета играют особые клетки — макро- и микрофаги. Эти клетки поглощают и переваривают чужеродные частицы, в том числе бактерии. Исследования И. И. Мечникова по фагоцитозу убедительно доказали, что, помимо гуморального, существует клеточный иммунитет. И. И. Мечников, ближайший помощник и последователь Л. Пастера, заслуженно считается одним из ос­новоположников иммунологии. Его работы положили начало изучению иммунокомпетентных клеток как морфологической основы иммунной системы, ее единства и биологической сущности.

Д.И.Ивановский (1864— 1920) открыл вирусы — представителей царства Vira. Один из основоположников вирусологии. Впервые открыл проходящий через бактериологические фильтры возбудитель табачной мозаики, названный впоследствии вирусом. Труды по фитопатологии и физиологии растений.

ЦЕНКОВСКИЙ ЛЕВ СЕМЕНОВИЧ (1822–1887) – рус. ботаник и микробиолог. Предложил метод получения эффективной сибиреязвенной вакцины. Его важнейшие исследования, посвящённые истории развития миксомицет (слизевых грибов) и монад, дали ему возможность сблизить тех и других. Весьма важно открытие Ценковского у водорослей, флагеллат, а впоследствии и у бактерий, пальмеллевидного состояния, то есть способности клеток выделять слизь и образовывать слизевые колонии.

Серге́ й Никола́ евич Виногра́ дский (1 (13) сентября 1856, Киев — 24 февраля 1953, Париж)открыл хемосинтез.Подтвердил наблюдения Уорингтона о том что процесс нитрификации идет в две стадии и выделил культуры бактерий-нитрификаторов.В 1895 выделил первую азотфиксирующую бактерию Clostridium pasterianum.

Омелянский Василий Леонидович 26.2(10.3).1867, Полтава, — 21.4.1928, Гагра, советский микробиолог, академик АН СССР. Ученик С. Н. Виноградского.Предложил методы выделения и культивирования нитрифицирующих бактерий, изучал их морфологию и физиологию. Впервые выделил культуры анаэробных и спороносных бактерий, сбраживающих клетчатку с образованием органических кислот и водорода. Изучал аэробную азотфиксирующую бактерию (из рода азотобактер) и доказал существование бактерий, образующих метан из этилового спирта. Установил, что количество усвояемого азотфиксирующими микроорганизмами азота пропорционально усвоению органического вещества. Первый указал на возможность применения микроорганизмов как химических индикаторов.

 

Риккетсии и хламидии.

Риккетсии (лат. Rickettsiae) — семейство бактерий. Названы по имени X. Т. Риккетса (1871—1910), в 1909 впервые описавшего возбудителя пятнистой лихорадки Скалистых гор. В том же году сходные наблюдения были сделаны Ш. Николем и его коллегами при исследовании сыпного тифа. В 1910 Риккетс погиб от сыпного тифа, изучением которого занимался в Мексике. В честь заслуг учёного возбудители этих инфекций были названы «риккетсиями» и выделены в род Rickettsia. Строение. В оптимальных условиях клетки риккетсий имеют форму коротких палочек размером в среднем 0, 2—0, 6 × 0, 4—2, 0 мкм, почти такие же, как и наиболее крупные вирусы (около 0, 3 мкм). Их форма и размеры могут несколько меняться в зависимости от фазы роста (логарифмическая или стационарная фазы). При изменении условий роста они легко образуют клетки неправильной формы или нитевидные. На поверхности мембраны клеточной стенки располагается капсулоподобный слизистый покров и микрокапсула, содержащие группоспецифичный «растворимый» антиген. В клеточной стенке локализуются основные белки, большинство из которых являются видоспецифичными антигенами, а также липополисахарид и пептидогликан. В цитоплазматической мембране преобладают ненасыщенные жирные кислоты, она осмотически активна, имеет специфическую транспортную систему АТФ-АДФ. Нуклеоид клетки риккетсий содержит кольцевую хромосому. Размножаются путем бинарного деления, обладают независимым от клетки-хозяина метаболизмом. Источником энергии у внеклеточных риккетсий служит глутамат. Возможно, что при размножении получают макроэргические соединения из клетки-хозяина. Способны индуцировать свой фагоцитоз эукариотной клеткой. Описаны 4 морфологических типа риккетсий: кокковидные, короткие палочковидные, длинные палочковидные и нитевидные. Жизненный цикл. Жизненный цикл риккетсий имеет две стадии — вегетативную и покоящуюся. В вегетативной стадии микроорганизмы представлены палочковидными, бинарно делящимися и подвижными клетками.Покоящиеся формы риккетсий — сферические и неподвижные клетки, располагающиеся в клетках членистоногих и теплокровных.Репродукция, за исключением одного вида, происходит только в живых клетках, то есть, как и вирусы, риккетсии являются облигатными внутриклеточными паразитами, рост и размножение которых происходят в клетках подходящего хозяина. Паразитируют в цитоплазме и ядре или только в цитоплазме клеток членистоногих и теплокровных животных. Лишь один вид риккетсий (Rochalimaea quintana), вызывающий окопную лихорадку, может расти вне клеток в кишечнике вши, а также в бесклеточной питательной среде. В жизненном цикле большинства риккетсий членистоногие являются первичными хозяевами или переносчиками. Устойчивость. Чувствительны к большинству антибиотиков широкого спектра действия, особенно тетрациклинового ряда. Окрашивание и культивирование. Риккетсии культивируются в желточных мешках куриных эмбрионов, перевиваемых культурах клеток, легких белых мышей.Невозможность культивирования риккетсий обычными микробиологическими методами составляла основную трудность для создания вакцины против сыпного тифа. Эффективные методы культивирования риккетсий в лабораторных условиях вне организма- «хозяина» разработал основатель Пермской школы микробиологии Алексей Васильевич Пшеничнов. Он разработал оригинальный метод заражения кровососущих насекомых на эпидермомембранах для культивирования риккетсий, метод питания кровососущих насекомых дефибринированной кровью через пленку эпидермиса с целью поддержания их жизнедеятельности или заражения риккетсиями в лабораторных условиях.

Разработал среду КЖМ (кровь-желток-молоко) для выращивания риккетсий in vitro. Новые методы культивирования помогли А. В. Пшеничнову в 1942 году создать эффективную вакцину для профилактики сыпного тифа. Широкое применение вакцины позволило предотвратить эпидемию тифа в действующей армии и в тылу во время Великой Отечественной войны.Риккетсии идентифицируют в мазках при окраске по Романовскому—Гимзе, Хименесу, Маккиавелло, Здродовскому, в мазках, обработанных флюоресцирующими и энзим-мечеными антителами. Для первичного выделения риккетсий используют преимущественно взрослых самцов морских свинок и взрослых белых, линейных и бестимусных мышей.

Хламидии — мелкие грамотрицательные кокковидные БАКТЕРИИ, размером 250—1500 нм (0, 25—1 мкм). Хламидии имеют все основные признаки бактерий, как то:

• содержат два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновую и рибонуклеиновую кислоты, несущие в себе генетическую информацию и информацию о синтезе белка соответственно);

• рибосомы;

• мурамовую кислоту (это компонент клеточной стенки, аналогичный компоненту клеточных стенок грамотрицательных бактерий).

Хламидии размножаются бинарным делением и чувствительны к некоторым антибиотикам. На основании этих фактов и некоторых других, хламидии, после многочисленных споров (которые, кстати, не прекращаются и поныне) были отнесены учеными мужами к бактериям.Цикл размножения хламидий и вирусов условно можно разделить на раннюю и позднюю фазы (периоды). «Ранний» и «поздний» — удобные термины для описания фаз, приведенных ниже, однако их не следует понимать слишком буквально. Для некоторых этапов эти процессы несколько размыты. Начальным периодом («ранней фазой») считается прикрепление элементарного тельца к поверхности (рецепторам) чувствительных клеток (чувствительными клетками для хламидий являются: цилиндрический эпителий слизистых оболочек, эпителиальные клетки различных органов, клетки ретикулоэндотелия, лейкоциты, моноциты и макрофаги.). Затем хламидии как и вирусы адсорбируются с помощью рецепторов клетки-хозяина: происходит слияние оболочки возбудителя с мембраной клетки, а через 4 часа происходит проникновение лишенной оболочки хламидий (в виде элементарного тела) в цитоплазму клетки хозяина. Хламидии, как и вирусы, образуют цитоплазматические включения. Образование колоний этих микрооргнизмов зависит от одних и тех же факторов в клетке-хозяине. Все изменения и трансформации хламидий, как и вирусов, происходит в цитоплазме, где осуществляются все стадии цикла развития возбудителя. Через 8—10 часов после заражения клеток можно наблюдать подавление синтеза ДНК и РНК в инфицированных клетках. Морфологические изменения, сопровождающиеся подавлением синтеза ДНК, также свойственны хламидиям, как и вирусам.

Далее, в результате контакта между возбудителями (как хламидиями, так и вирусами) и чувствительными к ним клетками наблюдается серия одинаковых для этих микроорганизмов реакций, ведущих к появлению внутри клеток свободно «плавающего» генетического материала возбудителей (провируса и ретикулярного тельца). Так после заражения возникает период эклипса (так называемый скрытый период инфекции) в течение которого инфекционность не обнаруживается. Он продолжается как у вирусов, так и хламидий от 2 до 4 часов. Это латентный период, во время которого не удается выявить образования нового вируса или хламидии. Успех этого цикла развития для вирусов и хламидий зависит от того, выйдут ли микроорганизмы (вернее, их свободно плавающий генетический материал) из этого латентного состояния — смогут ли оказаться инфекционными.По окончании латентного периода наступает стадия, когда у хламидий, как и у вирусов, начинается быстрое созревание и подъем инфекционности. Этот период начинается экспоненциальной фазой (то есть, рост можно описать экспоненциальной кривой), когда инфекционность возрастает с постоянной скоростью, и завершается на фазе снижения скорости прироста инфекционности, которая в конечном итоге достигает максимума. Как оговаривалось выше, подобный цикл развития происходит и у вирусов, и у хламидий. Подводя итог всему сказанному выше, можно сделать следующий вывод: в начале цикла развития — при взаимодействии с клетками — у хламидий и вирусов наблюдаются весьма сходные процессы. Только впоследствии у вирусов сохраняется одна-единственная нуклеиновая кислота до конца цикла репродукции, а у хламидии на поздних стадиях развития появляется вторая (ДНК и РНК). Хламидии, как и вирусы не способны производить собственную АТФ (аденазинотрифосфорную кислоту — другими словами, энергию), так как не имеют собственных митохондрий и живут за счет энергии клетки хозяина, которую они инфицировали. Они подавляют синтез клеточной ДНК и зависят от энергии клетки, которая становится теперь доступной для них. Хламидии, как и вирусы, обладают еще одной общей способностью — выходить из клетки без ее лизиса (разрушения клетки), что является важным фактором, обеспечивающим возможность умеренной инфекции.

 

Микоплазмы. Архебактерии.

Микоплазмы (плевропневмониеподобные микроорганизмы) — прокариотные одноклеточные, грамотрицательные микроорганизмы, не имеющие клеточной стенки, которые были открыты при изучении плевропневмонии у коров. Микоплазмы, по всей видимости, являются наиболее простыми самостоятельно воспроизводящимися живыми организмами, объём их генетической информации в 4 раза меньше, чем у Escherichia coli.Строение. Микоплазмы отличаются от остальных бактерий отсутствием жёсткой клеточной стенки (в результате чего от внешней среды их отделяет лишь цитоплазматическая мембрана) и ярко выраженным полиморфизмом. От вирусов микоплазмы отличаются способностью расти на бесклеточных средах и способностью метаболизировать ряд субстратов. Так, для роста микоплазме необходимы стеролы, например, холестерин. Микоплазмы содержат одновременно ДНК и РНК, а также чувствительны к некоторым антибиотикам.В культуре одного вида можно выделить крупные и мелкие шаровидные, эллипсообразные, дисковидные, палочковидные и нитевидные, в том числе ветвящиеся (из-за этого все микоплазмы одно время причислялись к актиномицетам), клетки. Описаны и разные способы размножения: фрагментация, бинарное деление, почкование. При делении полученные клетки не равноценны по размеру, часто одна из них даже нежизнеспособна. К микоплазмам относятся формы с самыми мелкими из известных клеточных микроорганизмов размерами, в том числе меньше теоретического предела самостоятельного воспроизводства на питательной среде (этот предел для сферических клеток составляет 0, 15—0, 20 мкм а для нитевидных — 13 мкм в длину при 20 нм в диаметре). Экология. Микоплазмы способны расти на широком диапазоне сред: от простых минеральных, до сложных органических, часть — только в организме хозяина. Продукты обмена микоплазм (перекиси, нуклеазы, гемолизины) оказывают разрушающее воздействие на клетку хозяина.Раньше считалось что микоплазмы в основном паразитируют на человеке и высших животных, так Mycoplasma pneumoniae — возбудитель респираторной инфекции, так называемой лёгкой атипичной пневмонии, а три вида микоплазм являются генитальными Mycoplasma hominis, Mycoplasma genitalium и Ureaplasma urealyticum. Сейчас показано что распространение микоплазм в природе и экологическая роль гораздо шире. Они найдены в почве, каменном угле и горячих источниках, обнаружены сапротрофы, симбиотические формы.Разные виды являются либо строгими аэробами, либо облигатными анаэробами. Вызываемые заболевания. Некоторые исследователи считают, что Mycoplasma hominis и Ureaplasma urealyticum ответственны за развитие патологий респираторного и урогенитального трактов, имунной, эндокринной и нервной систем, а также опорно-двигательного аппарата. Другие отрицают существенную роль микоплазм в патогенезе человека.Кроме того, mycoplasma genitalium — паразитическая бактерия, которая живёт в половых и дыхательных системах приматов. Mycoplasma genitalium была впервые выделена из образца отделяемого уретры пациентов с негонококковым уретритом. Она может быть найдена в реснитчатых клетках эпителия мочеполового и дыхательного трактов.

АРХЕБАКТЕ́ РИИ (от греч. archaios — древний и бактерии), группа микроскопических одноклеточных организмов-прокариот, резко отличающихся по ряду физиолого-биохимических свойств от истинных бактерий (эубактерий). Группу архебактерий выделили в 1977. Название говорит о том, что эти организмы в настоящее время многими исследователями считаются древнейшими живыми организмами на Земле. Среди них нет возбудителей инфекционных болезней. Архебактерии существенно отличаются от других микроорганизмов (эукариот и прокариот) по составу и последовательности нуклеотидов в рибосомных и транспортных РНК. Архебактерии разнообразны по типу обмена веществ, физиологическим и экологическим особенностям: среди них встречаются аэробы и анаэробы, хемогетеротрофы и хемоавтотрофы, нейтрофилы и ацидофилы. Некоторые архебактерии (галобактерии) обладают особым типом фотосинтеза, при котором свет поглощается не хлорофиллом, а бактериородопсином. Только некоторым архебактериям свойствен энергетический процесс, в результате которого образуется метан. Описано более 40 видов архебактерий (25 родов), относящихся к 5 различным группам: метанобразующим, сероокиcляющим термоацидофилам, серовосстанавливающим термофилам, галобактериям, термоплазмам.

Некоторые исследователи выделяют архебактерий в самостоятельное царство живых организмов – Archaebacteria, другие рассматривают архебактерий на уровне отдела (Mendosicutes) и класса (Archaeobacteria) царства прокариот.

 

19. Изменчивость микроорганизмов и её виды. Фенотипическая изменчивость. Привести примеры.

Изменчивость представляет собой явление, при котором изменяются отдельные признаки и свойства живого организма в процессе его развития. Изменчивость свойственна каждому виду микробов и возникает в определенных условиях внешней среды или в результате переноса генетического материала от одной клетки к другой.

Существующие формы изменчивости микроорганизмов подразделяются на две группы: первую группу составляет фенотипйческая изменчивость, которая включает модификации, описанные в литературе под названием диссоциации с характерными изменениями морфологических, культуральных, ферментативных и некоторых других биологических свойств микробов; вторую группу составляет генотипическая изменчивость, которая включает: 1) мутации, т. е. наследуемую изменчивость микробов, не связанную с поступлением новой генетической информации, 2) рекомбинации ― наследуемую изменчивость, связанную с поступлением новой генетический информации.

Модификационная изменчивость

Модификации представляют собой фенотипические ненаследуемые изменения, которые возникают у бактерий в результате воздействия факторов внешней среды.

Фенотип ― форма выражения генотипа, проявляющаяся комплексом новых признаков и свойств микроорганизма в определенных условиях внешней среды. Для фенотипа характерны появление нитевидных, шаровидных форм штаммов, образование споры, капсулы и атипичная ферментация углеводов. Примером может служить штамм Е. coli с генотипом 1ас +, который синтезирует фермент р-галактозидазу, катализирующий ферментацию лактозы, но этот генотип проявляется в фенотипе при условии их культивирования на среде с лактозой. Переход типичной формы микробов в атипичные затрудняет микробиологический диагноз болезни.

Впервые сообщения об изменении культуральных свойств микробов появились в работах Поль де Крайфа (1921), наблюдавшего расщепление культуры кроличьей септицемии на вирулентные и авирулентные штаммы. Сущность этого явления состоит в том, что при рассеве на плотной питательной среде бактериальной культуры из одного типичного штамма (вида) в основном появляются два типа колоний, отличающихся друг от друга определенными формами. S-форма (гладкая) является нормальным типом колоний для многих грамотрицательных бактерий, кишечной и других групп; R-форма (шероховатая)― измененный тип колоний. Бактерии кишечно-тифозно-дизентерийной группы вирулентны в S-форме колоний, а в R-форме не обладают вирулентными свойствами. Бактерии чумы, туберкулеза, сибирской язвы вирулентны в R-форме, а бруцеллы ― в S-форме.

В условиях культивирования микробов возможен переход от S-формы к R-форме. При этом капсульные бактерии теряют капсулы, лишаются биохимической активности и становятся неполноценными в антигенном отношении, приобретая неспецифические антигены. Подвижные бактерии теряют жгутики.

Переход S-формы в R-форму происходит в основном через промежуточные О- и слизистые М-колоиии. В процессе расщепления культур еще наблюдаются карликовые (D-dwarf), G-колонии (gonidial), появляющиеся как дочерние колонии на поверхности или на краю нормально развивающихся.

В условиях нарушения температурного режима, старения культуры, повышенной концентрации солей, применения антибиотиков и'фагов понижается вирулентность, изменяются антигенные и иммуногенные свойства, появляются антибиотикоустойчивые и фагоустойчивые штаммы, аэробы становятся факультативными анаэробами, утрачивают некоторые имеющиеся ферменты или приобретают новые ферменты. Если культивировать кишечные палочки па среде с добавлением лактозы, то у нее появляется новый, фермепт р-галактоза. Изменение метаболизма у бактерий можно вызвать ультрафиолетовым облучением и рентгеновскими лучами. Изменяя параметры среды обитания, можно установить пределы и границы отклонения микробных клеток. Таким образом, широк диапазон феиотипических изменений. В основе этих изменений лежит прежде всего приспособительная активность обменных функций. Адаптация – это закон живого, и по этому закону живут и развиваются микроорганизмы.

1 Историческое наблюдение и экспериментальные исследования показывают, что наследственность и изменчивость представляют собой как бы две стороны одного и того же явления, т. е. в природе происходит закономерный процесс не только изменчивости, по и передачи наследственных свойств. Живой организм, находясь в условиях внешней среды, в одном случае приспосабливается к новым условиям, изменяя свой обмен веществ, а в другом ― погибает, если происходит резкое изменение внешней среды.

 

Рекомбинации – обмен генетической информацией. Механизмы рекомбинаций у прокариот. Трансформация. Открытие явления трансформации. Опыты М. Гриффитса. Механизмы.

Рекомбинация — процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов. У прокариот — конъюгация, трансформация и трансдукция, а у вирусов — совместная инфекция.

Конъюга́ ция (от лат. conjugatio — соединение), парасексуальный процесс — однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Трансформация – направленный перенос и встраивание в генетический аппарат клетки небольшого фрагмента чужеродной ДНК. Она происходит без участия вирусов – бактериофагов. Наблюдается лишь у немногих бактерий. Посредством генетической рекомбинации часть трансформирующей молекулы ДНК может обмениваться с частью хромосомной ДНК донора. Трансформацию используют также в экспериментах для определения порядка генов, расстояний между ними в молекулах ДНК и построения генетических карт. Известно, что бактерия Pneumococcus pneumonie имеет несколько форм. Вирулентность ее определяется наличием мукополисахаридной капсулы на поверхности клетки, которая защищает бактерию от воздействия со стороны организма – хозяина. Капсула – слой полипептидов или полисахаридов, липидов или гетерополисахаридов и до 90% воды, расположенных поверх клеточной стенки и выполняющий функции осмотического барьера, защиты от высыхания и механических повреждений. В результате размножившиеся бактерии убивают зараженное животное. Бактерии этого штамма (S-штамм) образуют гладкие колонии. Авирулентные формы не имеют защитной капсулы и образуют шероховатые колонии (R-штамм). Микробиолог Ф. Гриффитс в 1928 году инъецировал мышам культуру живого пневмококка R-штамма вместе с S-штаммом, убитым высокой температурой равной 65 градусов Цельсия.

Спустя некоторое время ему удалось выделить из зараженных мышей живые пневмококки, обладающие капсулой. Таким образом, оказалось, что свойство убитого пневмококка – способность образовывать капсулы – перешло к живой бактерии, то есть, произошла трансформация этих клеток. От этого превращения клеток и возник сам этот термин. Поскольку признак наличия капсулы является наследственным, то следовало предположить, что какая-то часть наследственного вещества от бактерий штамма – S перешла к клеткам штамма – R. В 1944 году О. Эвери, К. Мак – Леод и М. Мак-Карти показали, что такое же превращение типов пневмококков может происходить в пробирке in vitro. Эти исследователи установили существование особой субстанции – «трансформирующего принципа» – экстракта из клеток штамма – S, обогащенного ДНК. Как далее выяснилось, ДНК, выделенная из клеток S-штамма и добавления в культуру R-штамма, трансформировала часть клеток в S-форму. Клетки стойко передавали это свойство при дальнейшем размножении. Обработка трансформирующего фактора ДНК-азой – ферментом, разрушающим ДНК, блокировала трансформацию. Открытие этого явления было первым прямым доказательством того, что генетическим материалом является именно ДНК (а не белки, как предполагалось ранее).Известны два типа бактериальной трансформации: естественная, например у Bacillus subtilis, и индуцированная, которая связана с тем, что бактериальная клетка специально готовится к процессу переноса ДНК, то есть она приобретает компетентность к трансформации.Весь процесс можно разделить на несколько стадий. Контакт с поверхностью клетки. Проникновение ДНК в клетку. Соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом хромосомы реципиента. Репликация включенной в хромосому новой информации.Трансформацию наблюдали у многих бактерий, в частности у представителей родов Bacillus, Rhizobium, Streptococcus.Компетентные клетки несут на поверхности новый антиген. Называемый фактором компетентности. При добавлении факторов компетентности в культуру бактериальных клеток изменяются клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана. Стенка становится более пористой. Дополнительные впячивания мембраны внутрь клеток обеспечивают приближение присоединенного к ней нуклеоида к клеточной поверхности, что облегчает взаимодействие между донорной и реципиентной ДНК.

Условиями, существенными для присоединения ДНК к компетентным клеткам, являются ее размеры (молекулярная масса не менее 3*10^5 и интактность двуцепочечной структуры). По этим причинам ДНК, разрушенная ДНК-азой, не обладает трансормирующей активностью. Увеличить компетентность можно обработкой некоторыми химическими агентами или воздействием сильным электрическим полем (электропорация). В ходе трансформации одна из двух цепей ДНК деградирует и в клетку проникает другая, которая спаривается с гомологичным цчастком ДНК в реципиентной клетке, с цепью, являющейся комплементарной ей. Затем в результатае двойного кроссинговера между однонитчатой донорной ДНК и двунитчатой ДНКреципиента происходит образование рекомбинантной хромосомы реципиента. При этом у участке ДНК, ограниченном сайтами кроссинговера, одна нить ДНК имеет реципиентный сегмент, а вторая – донорный. Такие районы ДНК с различающимися последовательностями нуклеотидов в двух нитях называют гетеродуплексами. Уже после первого раунда репликации ДНК образуются два типа клеток: исходные и трансформированные, которые несут ДНК донора. Первые стадии трансформации – присоединение ДНК к клеточной оболочке, ее поглощение и деградация одной цепи – осуществляются с равной эффективностью независимо от ее гомологии с ДНК реципиента.Однако, процесс рекомбинации специфичен в отношении гомологичной ДНК и с негомологичной происходит с очень низкой частотой. Минимальная длина цепочки ДНК, способной интегрироваться в реципиентную хромосому, составляет около 500 пар нуклеотидов. Обычно в рекомбинации участвуют фрагменты донорной ДНК длиной около 200 тысяч пар нуклеотидов, или около 1 /200 всей бактериальной хромосомы.Частота трансформации по хромосомным маркерам зависит от свойств данного препарата ДНК, ее концентрации, состояния клетки реципиента, вида бактерий. У пневмококков при селекции по одиночному маркеру частота трансформации составляет 10^ -2 – 10^ -3 на одну клетку реципиента. У гемофильных бактерий частота трансформации варьирует от 10^ -3 до 10^ -7.

Трансформация, хотя и с очень низкой частотой, может происходить даже между разными видами бактерий, что помогает установить степень родства между ними. ДНК, освобождающееся в окружающуюся среду при лизисе стареющих культур бактерий, в природных условиях обладает трансформирующей способностью. Это значит, что трансформация является одним из природных способов обмена генетическим материалом у бактерий.Очень редко бывает, что единичная бактериальная клетка приобретает в результате трансформации более чем одно новое свойство. Передача через ДНК большего числа признаков наблюдается лишь в том случае, если культура микроба-донора генетически близка к клеткам микроба-реципиетна.С помощью трансформирующей ДНК могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, синтез необходимых клетке веществ, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и другим лекарственным веществам. Трансформация используется также для генетического картирования у бактерий. Как уже отмечалось, при трансформации в хромосому реципиента встраивается сравнительно небольшой фрагмент ДНК. Если два гена находятся в хромосоме на значительном расстоянии друг от друга, они не могут локализоваться в одном и том же фрагменте, трансформирующий ДНК. Одновременная котрансформация двумя независимыми фрагментами, содержавшими эти гены, - событие крайне мало вероятное. Таким образом, частота котрансформации двух генетических маркеров служи показателем расстояния между ними.

 

Специфическая трансдукция

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага λ. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10− 3—10− 5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена — собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction).

История изучения

Эстер Ледерберг была первой учёной, кому удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K-12 в 1950 году.

Собственно открытие трансдукции связано с именем американского учёного Джошуа Ледерберга. В 1952 году он совместно с Нортоном Циндером обнаружил общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 — специфической.

Фаговая Конверсия

изменение св-в, наступающее в результате инфекции бактерий умеренным фагом, причем гены, кодирующие новое св-во, находятся в геноме фага, а не бактерии. напр., инфекция коринебактерии дифтерии фагом приводит к синтезу транспортного полипептида дифтерийного токсина и превращению ее атоксигенного варианта в токсигенный.

Фаг λ (фаг лямбда) — умеренный бактериофаг, который заражает Escherichia coli. Был обнаружен Эстер Ледерберг в 1951 г.

Как только фаг попадает внутрь клетки хозяина, он может интегрировать себя в его ДНК. В этом состоянии λ называют профагом, он остается в геноме хозяина, внешне не проявляя своё присутствие. Профаг размножается с каждым делением клетки хозяина.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: