Генетика микроорганизмов

В 40-х годах XX в. началась новая эра в изучении генетических закономерностей. Генетическими исследо­ваниями занялись не только генетики, но и физики, хи­мики, микробиологи. Объектом исследований стали про­кариоты. Долгое время существовало мнение, что микро­организмы не обладают наследственностью. Микробио­логи и генетики по-разному оценивали их с точки зрения целостной единицы. Первые считали организмом, т.е. живой единицей, огромную популяцию клеток, иными словами, бактериальную культуру. Вторые же рассмат­ривали культуру микроорганизмов как сообщество сво­бодно живущих клеток, а колонию — как потомство од­ной клетки. Информация, по их мнению, должна переда­ваться от клетки к клетке, а не от культуры. В связи с этим было различным и представление об изменчивости бактерий. Так, по мнению микробиологов, кишечная па­лочка, обычно культивирующаяся на лактозе, в резуль­тате адаптации к условиям существования спустя опре­деленное время после посева может дать рост и на среде с другим сахаром (глюкозой). Генетики же полагают, что способность бактерий расти на глюкозе может раз­виться и без всякой связи с углеводом при условии, если в культуре будет хотя бы одна клетка, сбраживающая этот сахар, и будет время для ее размножения.

Сталкиваясь с разнообразием клеток в культуре, мик­робиологи по-разному объясняли это явление. Некоторые утверждали, что бактерии, обладая огромной биологиче­ской пластичностью, могут принимать любую биологиче­скую форму и изменять физиологическую функцию. Та­кое направление получило название плейоморфизм.

Последователи другого направления — мономорфиз­ма — считали, что потомки одной бактерии обладают строго постоянной структурой и функцией и изменчи­вость является результатом засорения культуры.

По мере более глубокого изучения изменчивости бак­терий, их способности адаптироваться к условиям обитания существующие концепций оказывались все более несостоятельными и вытеснялись новыми гипотезами.

Согласно концепции диссоциации, изменчивость обус­ловливалась превращением одной формы бактерий в другую. Например, шероховатая форма непатогенных пневмококков может диссоциировать в гладкую патоген­ную: R→S.

В то же время сторонники онтогенной (циклогенной) теории считали, что гладкие и шероховатые формы пнев­мококков — это лишь различные фазы жизненного цик­ла одних и тех же бактерий. Все это свидетельствовало об отсутствии четких представлений о причинах изменчи­вости бактериальных клеток.

Бактерии долго не включались в генетические иссле­дования из-за малых размеров, исключающих возмож­ность достаточно четкого цитологического анализа их, отсутствия конкретных представлений о причинах измен­чивости микроорганизмов, а также навыков по гибридо­логическому анализу.

Датой рождения генетики микроорганизмов следует считать 1943 г., когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрюка, которые показали, как следует строить опыты с микроорганизмами, вести учет их признаков, проводить количественный анализ полученных резуль­татов.

Микроорганизмы оказались очень удобным объектом для генетических исследований прежде всего потому, что 1 они являются гаплоидными организмами, у них одна хромосома и она представляет собой молекулу нуклеино­вой кислоты, не связанную с белком. Кроме того, 2 микро­организмы обладают коротким жизненным циклом: не­которые вирусы и бактериофаги живут 20-30 мин, гри­бы— 1-2 ч. За такой промежуток времени вследствие 3 большой скорости размножения они дают многочислен­ное потомство. Это позволяет уловить генетические собы­тия, происходящие с частотой одно на 1 млн. клеток и реже. И, наконец, 4 микроорганизмам присущи два спо­соба размножения — половой и бесполый.

Микроорганизмы как объект генетических исследо­ваний должны обладать рядом достаточно хорошо регистрируемых признаков.Это прежде всего морфологи­ческие признаки, т. е. форма и размер колоний, отдель­ных бактериальных клеток, окраска и характер поверхности (гладкая, шероховатая) колоний и т. д. Эти признаки можно оценить визуально с помощью светового микроскопа или же без специальных приборов и инструментов. Сравнительно несложно учитываются и физиоло­гические (функциональные) признаки бактерий — устойчивость к температуре, свету, химическим веществам, в том числе антибиотикам. Например, фенол или этиловый спирт вызывает у некоторых бактерий образо­вание добавочных жгутиков, а избыток солей кальция подавляет спорообразование. При исключении из среды этих факторов морфологические признаки микроорганиз­мов восстанавливаются. Нарушение способности синте­зировать те или иные необходимые для нормальной жиз­недеятельности бактерий вещества лежит в основе био­химических признаков.

Все микроорганизмы по способу питания делятся на две группы: прототрофы и ауксотрофы. Прототрофы — бактерии дикого типа. Они могут жить на минимальной питательной среде, содержащей лишь минеральные соли и углеводы, и нужные им веще­ства (аминокислоты, витамины и пр.) синтезируют сами. Ауксотрофы — микроорганизмы, потерявшие способность синтезировать определенные вещества. Они живут толь­ко на полной питательной среде, содержащей все нуж­ные для них метаболиты.

Для учета биохимических изменений (мутаций) ис­пользуется метод «отпечатков» и метод «селективных сред». Первый сводится к тому, что на чашку Петри с полной питательной средой высевается исследуемый штамм микроорганизмов и после роста колоний делается отпечаток их на чашки Петри (с минимальной и полной питательной средой) с помощью кусочка бархата, натя­нутого на диск, одинаковый по диаметру с чашкой. За­тем сравнивают колонии, появившиеся на обеих чашках, и отмечают те, которые не дали роста на минимальной среде. Это ауксотрофные мутанты, требующие дальней­шего анализа, чтобы выяснить, какие же вещества они потеряли способность синтезировать. Данный анализ проводится методом селективных сред, т. е. набора сред, содержащих не все метаболиты сразу, а один какой-нибудь (определенный витамин, аминокислоту, азоти­стое основание). В зависимости от того, на какой среде ауксотрофный мутант дает рост, можно определить при­сущий ему биохимический дефект.