Курс лекций: Основные направления микробиологического знания

4. Перенос групп. Отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в виде фосфорного эфира.

3. Типы питания микроорганизмов

По типу питания микроорганизмы делят в зависимости от источников потребления энергии и углерода, различают 2 группы в одном и другом случае. По отношению к энергии:

1) фототрофы - организмы, которые пользуются энергией солнечного света;

2) хемотрофы - пользуются энергией, заключающейся в разнообразных органических соединениях;

По отношению к углероду:

1) автотрофы - микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода углекислый газ;

2) гетеротрофы - получают углерод в составе органических соединений.

Таким образом все микроорганизмы можно разделить на 4 группы: фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В каждой из этих групп выделяют также органотрофы, которые получают энергию за счет разложения органических веществ, и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. То есть, возможно, 8 видов питания.

Наиболее широко распространены 2 вида питания: фотолитоавтотрфный (растения, водоросли, некоторые бактерии) и хемоорганогетеротрофный (все животные, грибы, некоторые бактерии). Остальные виды питания встречаются в специфических условиях. Микроорганизмы, которые питаются мертвой органической материей, - сапрофиты. По источникам азота их делят на 3 группы:

1) могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (молочнокислые, гнилостные бактерии);

2) могут развиваться при наличии одной или двух аминокислот, остальные синтезируют сами (многие грибы, актиномицеты);

3) усваивают азот из атмосферы, затем восстанавливают азот до аммиака, из которого синтезируют аминокислоты (клубеньковые бактерии);

Типы дыхания микроорганизмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делят на 2 группы:

1) аэробы - используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород;

2) анаэробы - используют в качестве конечного акцептора какие-либо другие вещества.

4. Особенности развития и роста микроорганизмов

Все микроорганизмы проходят ряд стадий развития.

1 стадия - лаг-фаза: в это время происходит процесс приспособления бактерий к окружающей среде и процесс приспособления бактериями среды для последующего размножения. На этой стадии бактерии не размножаются, причины могут быть внешними и внутренними. Внешние: не вполне благоприятное значение рН; состав среды не совпадает с тем, к которому уже приспособились бактерии. Внутренние: отсутствие готовности клетки к делению, которое зависит от возраста посевного материала; в клетках повышенное содержание нуклеиновых кислот, увеличивается объем клеток. Длительность этой стадии имеет видовую специфичность.

2 стадия - фаза интенсивного размножения (экспоненциальная). В это время клетки снабжены питательными веществами и не накопили вредных продуктов обмена. Поэтому размножение имеет максимальную скорость.

По мере исчерпания запасов питательных веществ и накопления отбросов жизнедеятельности размножение замедляется, в определенный период количество вновь образующихся и умирающих клеток становится равным. Это 3 стадия - стационарный период.

4 стадия - фаза отмирания. В этот период преобладает отмирание клеток. Если в клетках не содержится активных протеолитических ферментов и нет условий для самопереваривания, то мертвые клетки остаются в среде, создается мутность среды. Если есть активные ферменты, мертвые клетки растворяются и общее число клеток в культуре сильно падает.

Культивирование микроорганизмов. Для выделения микроорганизмов из естественных субстратов, прежде всего, получают накопительные культуры в избирательных условиях. Избирательные (элективные) условия - это условия, благоприятные или переносимые выделенной культурой и неблагоприятные для всех других микроорганизмов. В этих условиях происходит обогащение микробного комплекса выделенными формами и угнетение других организмов. После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Чистая культура представляет собой потомство одной клетки.

В лабораторных условиях микроорганизмы культивируют на питательных средах, которые содержат все вещества, необходимые для их роста. Существуют специальные способы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.

Лекция 5 Генетика микроорганизмов

Вопросы

1. Наследственные факторы микроорганизмов

2. Механизмы, вызывающие изменение генетической информации

3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

1. Наследственные факторы микроорганизмов

В клетках эукариот местом нахождения генетического материала являются ядра, а у прокариот - нуклеоиды. Генетический материал представлен ДНК. Бактериальные клетки ДНК имеют форму нитей, замкнутых в виде кольца, - бактериальная хромосома. Хромосома имеет отдельные участки (фрагменты молекулы ДНК), которые называются генами. Ген - основной фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Кроме того, конкретные признаки микроорганизмов обуславливают отдельные ферменты. Гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах - структурные гены.

Микроорганизмы содержат генетический материал не только в хромосоме, но и в плазмидах, расположенных в цитоплазме. Плазмиды представляют собой молекулы ДНК. Клетка микроорганизма составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов называется фенотипом.

Изменения наследственных признаков, возникающие под влиянием внешней среды, - модификации. Модификации существуют до тех пор, пока действует вызывающий их фактор среды, и не наследуются организмами. Изменения генотипа называются мутациями, они происходят случайно и являются наследственно закрепленными признаками.

2. Механизмы, вызывающие изменения генетической информации

Мутации происходят, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид или в ДНК включается лишний нуклеотид. Различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только 1 ген, а хромосомные распространяются на несколько генов.

Генные мутации:

· точковые мутации - мутации, при которых происходят химическое изменение одного нуклеотида. Среди них различают несколько групп:

1) транзиции - мутации, когда пурин одной из цепей ДНК замещается другим пурином, а пиримидин комплиментарной цепи другим пиримидином.

2) трансверсии - мутации, когда происходит замена пурина пиримидином.

3) мутации со сдвигом рамки - изменения, когда происходит вставка лишнего нуклеотида.

В ряде случаев точковые мутации могут возвращаться к исходной дикой форме в результате процесса обратной мутации - реверсии.

Хромосомные мутации связаны с более крупными перестройками фрагментов ДНК. Среди них выделяются:

1) делеция, которая проявляется в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов;

2) инверсия, которая проявляется в виде поворота участка ДНК на 180^о;

3) дупликация - повторение какого-либо фрагмента ДНК;

Мутации вызывают обычно химические и физические агенты, такие как рентгеновское, ультрафиолетовое излучения, гамма-лучи, соединения тяжелых металлов, перекиси, минеральные масла, алкилирующие соединения, аналоги иприта и другие. Клетки бактерий обладают специальными системами, восстанавливающими поврежденные ДНК. Восстановления осуществляются ферментами, которые находятся под контролем специальных генов.

У микроорганизмов имеются механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененнной наследственности. Эти механизмы заключаются в немедленной перестановке генов (рекомбинации), принадлежащих близкородственным, но генетически различным организмам. У эукариот это образование индивидуумов происходит в результате полового процесса. У прокариот известно 3 процесса рекомбинации генов:

1) трансформация - перенос генов, при котором часть ДНК клетки-донора может проникать в родственную бактериальную клетку. ДНК получается экстрагированием или при естественном растворении клеток.

2) коньюгация - процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи коньюгационных мостиков, через которые происходит обмен генетическим материалом.

3) трансдукция - перенос бактериального материала от одной клетки к другой при участии бактериофага.

3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

Развитие генетики, открывшей методы получения наследственно измененных форм микроорганизмов, расширило возможности использования микроорганизмов в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Основной из этих методов -- это индуцированное получение мутантов воздействием различными мутагенами (излучениями и химическими веществами) на дикие, существующие в природе культуры микроорганизмов. Таким методом удается создать мутанты, которые дают в десятки и сотни раз большее количество ценных продуктов (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и т. д.) по сравнению с дикими формами микроорганизмов.

Процесс получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов состоит из многих этапов. На культуру микроорганизма воздействуют различными мутагенными факторами с последующим отбором наиболее продуктивного штамма. Этот мутантный штамм может подвергнуться дальнейшему воздействию мутагенов и дальнейшему отбору еще более продуктивных мутантов. Часто из тысячи бесполезных мутантов отбирают только один высокопродуктивный штамм. В последние годы методом радиационного и химического мутагенеза микроорганизмов получено большое число промышленных штаммов микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов, ценных пищевых аминокислот, ростовых и других веществ.

Особенно широкие перспективы переделки наследственной природы организмов сулит развитие генной, или генетической, инженерии. Это раздел молекулярной генетики, который разрабатывает методы создания новых генетических структур, несущих заданную информацию, и способов их переноса в клетки прокариот и эукариот.

Полученные методом генной инженерии новые генетические молекулы представляют собой рекомбинантные ДНК, включающие два компонента -- вектор (переносчик) и клонируемую «чужеродную» ДНК. Так как переносчик должен обладать свойствами репликона и обусловливать репликацию вновь созданной рекомбинантной ДНК, то в качестве вектора обычно используют такие репликоны, как плазмиды, умеренные фаги и вирусы животных. Все эти переносчики имеют циркулярно замкнутую структуру ДНК - Клонируемая ДНК -- это фрагмент ДНК, который несет необходимый ген (или гены), контролирующий образование нужного вещества.

Имеются различные приемы получения рекомбинантных молекул ДНК - Наиболее простой из них сводится к обработке изолированных молекул ДНК-вектора и ДНК, несущей необходимый ген, ферментами рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции), расщепляющими взятые молекулы ДНК в строго определенном месте с образованием однонитчатых комплементарных друг другу концов, так называемых липких концов. Это первый этап получения рекомбинантных ДНК -- «разрезание» молекул ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции. Второй этап заключается в обработке полученных линейных молекул ДНК ферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разные молекулы в одну рекомби-нантную ДНК. На третьем этапе рекомбинантные молекулы вводят в клетки тех или иных бактерий методом трансформации. На завершающем, четвертом, этапе проводят клонирование трансформированных клеток.