În celula procariotelor, materialul ereditar este cel mai adesea reprezentat de o moleculă circulară de ADN (cromozomul inelar), care, în funcție de condiții, poate fi prezentă ca unul sau mai multe copii. ADN-ul se găsește, de asemenea, în elementele genetice extrachromozomale - plasmide, în majoritatea cazurilor inel, replicând în mod autonom molecule mici. Totalitatea tuturor genelor corpului este numită genotip, iar totalitatea caracteristicilor inerente corpului este un fenotip. Când condițiile externe se schimbă, majoritatea celulelor din populație suferă modificări care sunt adaptive în natură (variabilitate adaptivă). Adapțiile nu sunt moștenite, deoarece nu afectează genotipul și sunt cauzate de reglementarea metabolismului celular. Hop-like modificări în genotip sunt numite mutații. Spontan se referă la mutații cauzate de factori necunoscuți, iar indusele apar sub influența anumitor factori numiți mutageni. Modificarea unui rest de nucleotidă (înlocuire, inserție sau pierdere) se numește mutație punctuală. Mutațiile care duc la o întrerupere semnificativă a secvenței și a numărului de gene afectează mai mult ADN.
Protecția materialului genetic de efectul dăunător al mutagenilor, indiferent de natura lor, se realizează prin sisteme de reparare (fotoreactivare și reparare întunecată).
Pentru manifestarea unei mutații, este necesar ca modificarea să fie fixată în molecula fiică a ADN-ului, adică replicarea ar trebui să apară. Pentru manifestarea fenotipică a unei mutații, este necesară transcripția și traducerea. Deoarece microorganismele nu există sub forma unor indivizi separați, ci sub formă de populații, atunci, de regulă, mai multe diviziuni celulare sunt necesare pentru a face apariția noului semn. Dacă celula are mai multe copii ale cromozomului, mutația se va manifesta, de asemenea, în fenotipul celular prin doar câteva diviziuni celulare.
Variabilitatea ereditară în microorganismele procariote determină recombinarea materialului genetic de trei tipuri principale: conjugarea, transformarea și transducția.
Conjugarea implică contactul direct între celula donator și celula receptorului. Celulele donatoare trebuie să aibă o plasmidă sexuală (factorul F), care poate fi autonomă sau integrată în cromozom. Factorul F determină capacitatea celulei donatoare de a intra în contact cu destinatarul, de a forma sexul F-pili și de a transmite materialul genetic. Atunci când localizarea autonomă de celule donator F-factor la o celulă destinatar transmite o copie a acestuia, celula destinatar dobândește capacitatea de a se angaja în timp conjugare ca donator. În cazul integrării F-factor în cromozomul donatorului (tulpina Hfr) transfer de material ereditar se realizează la o frecvență ridicată. Transferul de material genetic este strict orientat, rupe și transferul ADN-ului cromozomilor are loc la un loc in cadrul factor 0 sex. Rata de transfer în aceleași condiții pentru o anumită tulpină este constantă. Deoarece contactul mobil este foarte instabil și adesea întrerupt, transferul întregului copii cromozomiale în celula destinatar - un fenomen rar. Materialul genetic transferat poate fi încorporat în cromozomul celulei destinatore în prezența unor situsuri omoloage. Deoarece primul destinatar transmis întotdeauna una și aceeași specifice pentru fiecare tulpină, cromozom, genele de transfer de frecvență în picioare în spatele le permite să le aranjeze în ceea ce privește acest locus și de a crea harta genetică a unui cromozom.
În procesul de transformare a fost implicată o celulă receptor și un ADN dizolvat, izolat de un alt microorganism. Fragmentele de ADN dublu catenar trebuie să aibă o masă moleculară semnificativă, iar celula receptor este într-o anumită stare fiziologică (competență) de a absorbi ADN-ul "străin". În prezența unei anumite omologii, fragmentul pătruns poate fi încorporat în cromozomul destinatarului.
În timpul transducției, funcția de vectori ai materialului genetic (vectori) este efectuată de către fagi care capturează aleator un fragment al cromozomului gazdă în timpul formării particulelor de fag mature. Prin infectarea celulei receptor și integrarea ADN-ului său în cromozomul gazdei noi, acest fag include atât fragmentul cromozom cât și fragmentul ADN al primei gazde. Pentru ca un nou semn să apară în celula destinatarului, este necesară o ședere prelungită a fagului într-o stare latentă.
Transferul de material genetic din celulă în celulă este de asemenea realizat prin transferarea plasmidelor.
Disocierea reprezintă apariția unor colonii de morfologii diferite în împrăștierea culturii pure pe un mediu solid. Mecanismul acestui fenomen nu a fost încă dezvăluit pe deplin, totuși, practic oricine lucrează cu microorganisme se confruntă cu acesta în practica cercetării științifice. Are un caracter constant și o frecvență mai mare (
10 -4) decât mutațiile spontane. Cele mai frecvent formate sunt trei colonii morphotype: R - dur, S - netede și M - mucoase. Într-o serie de microorganisme s-au găsit colonii de același tip de morfot, dar au avut modificări minore (de exemplu, netede, dar semnificativ diferite în luciu și apoi desemnate ca S1). Inițial, acest fenomen, numit "variația fazei", a fost observat în microorganismele patogene - Salmonella, Shigella, E. coli. În diferite faze ale evoluției bolii, sa observat o predominanță a unui anumit tip de colonii (S - în faza epidemică, R - în faza post-epidemică).
Diferențele în formă de colonii sunt de obicei detectate nu pe niciun mediu dens, ci doar pe un mediu bogat în carbohidrați. Coloniile cu diferite morfotipuri diferă în diametru, dar conțin același număr de celule ambalate diferit. De regulă, coloniile M și R sunt de două ori mai mari în diametru decât coloniile variantei S. În același timp, fiecare colonie conține deja celule din toate cele trei tipuri. „ambalaje“ colonii de celule groase sau friabile depinde în primul rând de metoda diferenței de divizarea celulelor (sau celule cu lanț format situată pe o linie, în R-formă sau în unghi una față de cealaltă formă în formă de V ca în S- și M-variante). Celulele Diferente Proprietăți dissociants sunt cauzate împărțind diferența dintre compoziția chimică și capsule elektrozaryazhennosti substanță (cu repulsie sarcină negativă apare scoici). Diferențele în membranele celulare (capsule + celule de perete) determina întregul spectru al diferenței de dissociants fiziologice si trasaturi biochimice. In dissociants marcate diferite grosimi și capsulă compoziția chimică (de exemplu, o tranziție S R-opțiune este asociată cu pierderea O-antigen). Peretele celular al variantei R este de 1,5-2 ori mai gros decât cel al formei S. Diferite membrane număr dissociants lipide conținând acizi grași nesaturați, afectează fluiditatea lor (de exemplu, R-variantă are mai puține lipide decât alte forme). Astfel de modificări ale membranelor celulare afectează parametrii funcționali: rata de creștere și recuperare a produsului, rezistență la substanțe toxice și diverși factori fizici și chimici, activitatea enzimelor membranare. BóStabilitatea mai mare a unuia dintre disociații la un factor poate duce la o schimbare completă a compoziției populației până la sfârșitul perioadei de incubație.
Astfel, populația "răspunde" la o schimbare a condițiilor prin schimbarea raportului dintre variantele disociative, care contribuie la conservarea speciilor. Prin urmare, disocierea poate fi numită adaptare la condițiile de mediu în schimbare la nivelul populației.
În habitatele naturale, se observă de obicei predominanța unora dintre disociate, dar se observă prezența tuturor celor trei variante. Luând în considerare eterogenitatea populației, este posibilă prezicerea comportamentului unui număr de microorganisme patogene atunci când condițiile se schimbă.
Fenomenul de disociere ar trebui luat în considerare atunci când se desfășoară procesele de producție microbiologică, deoarece, odată cu cultivarea prelungită, variantele cu creștere lentă sunt înlocuite de creșterea rapidă, dar, de regulă, mai puțin active disociază. În plus, disociații pot sintetiza un număr diferit de substanțe biologic active, a căror spectru poate varia. În celulele M, de regulă, se formează cantitatea maximă de produse exotice, variantele R distrug mai activ xenobioticele, deoarece sunt mai rezistente la substanțe toxice. Condițiile de depozitare a producătorului au, de asemenea, un efect semnificativ asupra compoziției populației sale.
Pentru a stabiliza sinteza substanțelor biologic active în industrie, este necesar: 1) să se respecte condițiile optime pentru depozitarea producătorului; 2) să respecte condițiile de creștere optimă pentru un disociere foarte productivă; 3) efectuarea constantă a selecției; 4) obține o clonă nedisociantă. Studiile asupra procesului de disociere sunt de valoare prognostică și oferă o oportunitate de a controla cursul procesului.
Se arată că toate procesele genetice pot fi folosite în microorganismele studiate de disociere - transformare, transducția, transformarea fagului, elemente genetice migratoare (fagi temperate, plasmide, transpozoni).
Organismele vii, ale căror materiale ereditare sunt modificate în mod intenționat prin intermediul metodelor de inginerie genetică, sunt numite organisme modificate genetic (OMG). Scopul creării oricărui OMG este de a îmbunătăți proprietățile benefice ale organismului original, precum și de a le completa cu o serie de caracteristici neobișnuite, adesea inerente organismelor altor grupuri sistematice. Pentru modificarea genetică, transferul fragmentelor ADN de la alte microorganisme către organismul producătoare (producția de organisme transgenice) este cel mai adesea folosit astăzi.
Microorganismele modificate genetic (GEMOM) reprezintă o parte semnificativă a OMG-urilor. Vectorii procariote sunt plasmide și fagi. Deoarece celulele microbiene sunt structura relativ simple, se dezvoltă rapid și sunt ușor expuse la „proiectare“, hemul este utilizat pe scară largă în cercetarea de bază și câmpurile aplicate. Știința modernă folosește hemului ca modele pentru rezolvarea unei serii de probleme în biologie și medicină (îmbătrânirea și procesele de regenerare și a modelelor de dezvoltare a unor boli, etc.). Pentru producțiile biotehnologice, GEMOM sunt producători promițători de substanțe valoroase. Prin intermediul suplimentelor modificate genetic microorganisme obținute, aminoacizi, vitamine, arome, enzime, produse farmaceutice, vaccinuri, precum și unele compus scump, produs anterior prin sinteză chimică convențională. Prin metode de inginerie genetică este posibilă nu numai pentru a crește eficiența procesului și pentru a reduce costurile, dar, de asemenea, pentru a obține microbiologica neobișnuit pentru produsele metabolice microbiene în condiții fiziologice. Înlocuirea sintezei chimice cu biologia este atractivă din punctul de vedere al siguranței ecologice și al utilizării surselor naturale regenerabile. Standardele internaționale de calitate a producției (GMP) impun ca, după etapa finală de purificare, produsul final să nu conțină ADN microbian.
Recent, numărul HEMOM propus pentru distrugerea diferiților contaminanți, atât în habitatele naturale, cât și în instalațiile de tratare a apelor uzate artificiale, este în creștere. O nouă direcție a ingineriei genetice este crearea de probiotice microorganisme cu proprietăți date pe baza bacteriilor din acidul lactic. Sunt obținute tulpini cu activitate crescută de utilizare a lactozei și hidroliză a proteinelor din lapte care prezintă rezistență la bacteriofagi. Transferul de gene de la tulpini independente face posibilă "adăugarea" unor posibilități suplimentare la microorganismele cu acid lactic (de exemplu, capacitatea de a forma a-ketoglutarat din glutamat).
Probleme potențiale asociate cu introducerea necontrolată a hem în mediu cauzate de dezbatere amplă în comunitatea științifică, care implică agenții guvernamentale și avocați de protecție a mediului. Problema principală a fost cât timp hemului și ADN-ul va exista în mediul natural și dacă genele modificate din hemului fi transferate către microorganisme indigene. Experimentele inițiale au arătat că hem mor repede atunci când sunt încorporate în cenoses naturale, nu concura cu comunitățile microbiene existente. Se presupune că ADN-ul străin a făcut la hem, reduce competitivitatea celulelor vii, în comparație cu tulpinile „sălbatic“ din cauza costurilor ridicate de energie pentru replicarea ADN-ului. Această ipoteză a fost confirmată în studiul supraviețuirii în sol de către Hem Pseudomonas sp. cu introducerea unei plasmide care poartă gena de despicare puternic erbicid 2,4,5-trihlorfenoksiatsetata. Celulele hem-Pseudomonas a dispărut rapid din proba de sol, iar câteva zile mai târziu, nu a apărut în timpul însămânțare directă în mediul înconjurător. Cu toate acestea, după câteva săptămâni de hem -Pseudomonas să fie din nou detectat într-o probă, ceea ce sugerează că nu a murit complet. Rezultatele acestor experimente și ulterioare au arătat că pseudomonadele modificate pot trăi mult timp în sol. Alte observații au arătat existența HEMOM în solurile și ecosistemele acvatice sub formă de forme necultivate de bacterii. Studii speciale, de asemenea, a aratat ca heme-ADN perturbat celulele adsorbite pe particulele de sol, argile, rezistente la DNază și pot exista într-o formă „imobilizat“ suficient de mult timp, și apoi să fie implicate în procesul de transformare. Genele din sol și din ecosistemele acvatice pot fi, de asemenea, transferate ca rezultat al transducției. Astfel, la un an după introducerea în ecosistemul acvatic a unei specii specifice de Pseudomonas sp. B13 a fost detectată în specia ei, clivarea 3-clorbenzen (3-HB), care au fost anterior în acest econiche nu sunt alocate. Mai mult, secvențele aparținând tulpinii B13 s-au găsit în genomul noului izolat. Se crede că noua tulpina este rezultatul schimbului de o parte a genomului dintre nativ bacterie tulpina B13 și contribuțiile nu sunt în stare să dispună de 3-HB. Astfel, transferul de material genetic în nișele naturale posibile pentru o perioadă considerabilă de timp după introducerea de gene străine, iar consecința ar fi o schimbare în microbiota fondului genetic al ecosistemului, care afectează biodiversitatea și stabilitatea comunității.
Orice introducere a HEMOM în ecosisteme naturale este periculoasă din cauza posibilității transferului orizontal al genelor recombinante de la HEMOM la alți reprezentanți ai comunității microbiene. Situația este complicată de lipsa unor metode adecvate pentru detectarea și controlul răspândirii HEMOM în mediul înconjurător. Una dintre căi poate fi introducerea în materialul ereditar transferat a genelor de "moarte celulară programabilă", care va fi exprimată după ce funcția HEMOM în habitatul dat este efectuată. Dacă aceste gene poartă o plasmidă recombinantă, atunci transferarea acesteia la un alt microorganism va provoca moartea. Astfel, se rezolvă problema propagării acestor plasmide în mediu.
Imprint:
Trimiteți-le prietenilor: