Основні властивості бактерій із С- і Р-колоній

Більшість бактерій патогенні в с-формі, але є винятки: так, збудники туберку-льозу, чуми, сибірки більш патогенні у К-формі.

У рідких поживних середовищах с-форма бактерій зазвичай утворює рівномірне помутніння, р-форма — осад, пристінковий ріст, плівку, а середовище залишається прозорим.

Мінливість ферментативних функцій проявляється в тому, що мікроби виробляють певні ферменти (адаптивні) тільки за наявності субстрату, тобто субстрат індукує синтез ферменту. Так, стафілокок виробляє фермент пеніциліназу тільки за наявності пеніциліну.

Мінливість біологічних властивостей проявляється у знижен­ні ступеня патогенності хвороботворних видів мікроорганізмів, але при цьому зберігаються їх антигенні властивості. Такі штами мікроорганізмів були використані для виготовлення атенуйованих (ослаблених) живих вакцин. Атенуйовані штами мікроорганізмів можна отримати шляхом тривалого пересівання культури на несприятливих поживних середовищах. Так, французькі вчені А. Кальмет і П. Герен пересівали штам мікобактерій туберкульозу протягом 13 років через кожні 14 діб (зробили 230 пасажів) на картопляному середовищі з бичачою жовчю (несприятливе поживне середовище для мікобактерій туберкульозу). Штам мікроорганізмів втратив патогенні властивості і був використаний для виготовлення живої вакцини проти туберкульозу. Цю вакцину назвали ВСО — Васіїїе СаїтеШ—Оиегіп (БЦЖ).

Розрізняють дві форми мінливості: неспадкову — фенотипову і спадкову — генотипову.

Фенотипова мінливість(модифікаційна) виникає зі зміною факторів навколишнього середовища, які не змінюють структуру генетичного апарату, а отже, не передається у спадок. Фенотипова мінливість не має значення для еволюції мікробів, але вона сприяє виживанню мікробної популяції. У разі відновлення оптимальних умов набуті зміни втрачаються. Модифікації можуть стосуватися різних властивостей мікробів: морфологічних, культуральних, біохімічних. При цьому діапазон модифікаційних змін обмежений нормою реакцій, зумовленою генотипом. Прикладом морфологічних модифікаційможе бути тимчасова втрата клітинної стінки і перетворення бактерій на Ь-форму. Після усунення факторів, що спричинили це перетворення, настає реверсія нестабільних Ь-форм у вихідну форму.

Зниження вмісту кисню спричинює порушення пігментоутворення у мікобактерій туберкульозу, стафілокока, що призводить до культуральних модифікацій. Вважають, що змінені умови навколишнього середовища активують гени, які за інших умов були заблоковані ("мовчазні" гени).

Біохімічні модифікації проявляються в індукції або репресії структурних генів, що перебувають під контролем гена-регулятора. Так, кишкова паличка виробляє фермент бета-галактозидазу (фермент, що розщеплює дисахарид лактозу до моно-сахаридів глюкози і галактози) тільки за наявності лактози. Модифікаційні зміни слід враховувати під час ідентифікації культури мікроорганізмів.

Генотипова мінливістьпов 'язана зі змінами генетичних структур клітин, тому передається у спадок. Вона проявляється у вигляді мутацій і рекомбінацій.

Мутації — це зміни в генотипі, якістабільно успадковуються. Змінені внаслідок мутацій мікробні клітини називаються мутантами, а фактори, які спричинюють появу мутантів — мутагенами. Мутації відіграють важливу роль в еволюції мікробів. За походженням мутації бувають спонтанні й індуковані. Спонтанні мутації виникають у мікробних популяціях іп уіуо (в живому організмі) та іп уіго (поза живим організмом) внаслідок порушень структури генів під час реплікації нуклеїнової кислоти під впливом неконтрольованих факторів. Середня частота мутацій — 1 мутантна клітина на 1 000 000 нормальних клітин.

Індуковані — це спрямовані мутації, які виникають унаслідок штучного впливу на мікроорганізми спеціальних мутагенів: іонізуючої радіації, ультрафіолетового випромінювання, антибіотиків, температури, хімічних речовин тощо. Молекулярні механізми спонтанних і індукованих мутацій однакові.

За величиною змін у геномі розрізняють генні і хромосомні мутації. Генні мутації частіше бувають точковими. Вони пов'язані з випаданням (делеція), додаванням (дуплікація) або заміною однієї основи на іншу в молекулі ДНК (рекомбінація). Це призводить до того, що замість однієї амінокислоти кодується інша або утворюється кодон, що не кодує жодної амінокислоти (нонсенсмутація).

Хромосомні мутації (геномні перебудови) супроводжуються випаданням або зміною відносно великих ділянок генома: випадання значної кількості нуклеотидів (протяжна делеція), поворот сегмента хромосоми на 180° (інверсія), переміщення ділянки хромосоми з однієї позиції в іншу (транслокація), повторення будь-якого фрагмента ДНК (дуплікація). Такі мутації найчастіше незворотні і призводять до порушення різних функцій бактеріальної клітини.

Ефекти мутацій можуть стосуватися будь-яких ознак мікроорганізмів: морфологічних, культуральних, біохімічних, біологічних та ін.

За фенотиповими наслідками розрізняють мутації нейтральні, умовно-летальні і летальні. Нейтральні мутації фенотипово не проявляються зміною ознак, оскільки вони не впливають на функ­ціональну активність ферментів, що синтезуються. Мутації, що спричинюють зміну, але не призводять до втрати функціональної активності ферменту, називають умовно-летальними. Летальні мутації характеризуються втратою здатності синтезувати життєво важливі для бактеріальної клітини ферменти.

Основним механізмом передачі генів є вертикальний, тобто пе­редача генів від материнської клітини в спадок дочірнім. Але для бактерій важливою формою обміну генетичною інформацією є перенесення генів по горизонталі, тобто від клітини-донора до клітини-реципієнта. Ці форми передачі спадковості називають генетичними рекомбінаціями.

Генетичні рекомбінації — це обмін генетичним матеріалом між привнесеною ДНК і хромосомою клітини-реципієнта. Іншими словами, це поява нових поєднань генів, що призводить до появи нових ознак у нащадків. Рекомбінують між собою тільки двониткові ДНК, тому коли переноситься одна і штка ДНК, вона спочатку добудовується другою ниткою за законом комплементарності.

Передача генів від однієї бактеріальної клітини до іншої відбува­ється по-різному, але найчастіше шляхом трансформації, трансдукції та кон'югації.

Трансформація полягає в тому, що клітина-реципієнт поглинає із зовнішнього середовища фрагмент чужорідної ДНК (найчастіше не більше ніж 0,01 довжини бактеріальної хромосоми). Трансформація може бути спонтанною та індукованою. При індукованій (штучній) трансформації до культури бактерій, що досліджується, додають очищену ДНК ін­шої культури бактерій, від якої намагаються їй передати генетичні ознаки. Спонтанна трансформація відбувається у природних умовах у разі змішування клітин мікроорганізмів, що генетично відрізняються. ДНК мікробів виділяються у навколишнє середовище у разі лізису клітин або внаслідок активного виділення ДНК життєздатними клітинами-донорами.

Трансформації піддаються не всі клітини в популяції. Клітини, що здатні поглинати донорську ДНК, називають компетентними. Клітина з рекомбінатною ДНК називається мерозиготою. Під час поділу мерозиготи дочірні клітини наслідують ознаки клітини-донора і клітини-реципієнта. При цьому фрагмент молекули донора включається в хромосому реципієнта і витісняє гомологічну ділян­ку ДНК реципієнта, тобто відбувається заміщення реципієнтного гена на донорський. Ефективність рекомбінацій залежить від ступеня гомологічності ДНК донора і реципієнта, тому внутрішньовидова трансформація відбувається частіше, ніж міжвидова. У природ­них умовах цей процес відбувається не дуже часто, тому що у бактерій, як і в інших організмів, є система самозахисту геному.

Ефективність генетичної трансформації підвищується за умови оброблення електричним імпульсом суміші бактеріальних клітин і чужорідної ДНК. Цей метод застосовують для отримання рекомбінантних штамів бактерій.

Трансдукція — це перенесення генетичного матеріалу від одних бактерій до інших за допомогою фагів. Трансдукцію можуть здійснювати як вірулентні, так і помірні фаги різних видів бактерій.

Розрізняють три види трансдукції: неспецифічну (загальну), специфічну (локалізовану) й абортивну. У разі неспецифічної трансдукції в процесі репродукції (в момент збирання фагової часточки) в головку разом з фаговою ДНК може проникнути будь-який фрагмент ДНК бактерії-донора (він становить близько 1—2,5 % довжини бактеріального геному). У разі проникнення цього фага в іншу бак- теріальну клітину (клітину-реципієнт) разом із фаговою ДНК можуть бути перенесені будь-які гени клітини-донора (наприклад, гени, що контролюють синтез токсинів, гени резистентності до антибіотиків).

Специфічна трансдукція полягає в тому, що фаг переносить тільки певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта. Цей вид трансдукції здійснюється лише помірними фагами, які у вигляді профага включаються тільки в певні ділянки хромосоми бактеріальної клітини.

Абортивна трансдукція полягає в тому, що привнесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора не включається в хромосому бактерії-реципієнта, а розміщується в її цитоплазмі у вигляді транспозона. Він не здатний до реплікації. Під час поділу клітини-реципієнта цей фрагмент передається одній дочірній клітині і врешті-решт втрачається у потомстві.

Фаги трансдукції сприяють обміну генетичною інформацією між бактеріями не тільки одного виду, а й різних видів і навіть родів. Це визначає їх велику роль в еволюції бактерій. Вивчення явища трансдукції дає змогу пояснити випадки фагової (лізогенної) конверсії — зміни метаболізму лізогенної бактеріальної клітини, а отже, і зміни її властивостей. Так, токсигенність багатьох видів бактерій (коринебактерій дифтерії, клостридій ботулізму, стрептококів) зумовлена фаговою конверсією непатогенних штамів, тобто бактерії набувають здатність продукувати екзотоксин у тому випадку, коли в них проникає помірний фаг разом з тох-геном.

Кон'югація— це процес перенесення генетичного матеріалу через донорські війки під час безпосереднього контакту клітин донора і реципієнта. До кон'югації схильні бактерії, що містять кон'югативні плазміди. Найбільш типовим представ-ником кон'югативних плазмід є Г-плазміда, яка забезпечує донорськими функціями ентеробактерії. Г-плазміда може перебувати в автономному стані або інтегруватися в хромосому клітини і реплікуватися разом із нею.

До позахромосомних факторівспадковості належать плазміди, транспозони, інсерційні послідовності. Всі ці фактори є молекулами ДНК, які різняться за молекулярною масою, об'ємом закодова­ної вних інформації, здатністю до автономної реплікації та іншими властивостями. Вони не є життєво необхідними для бактеріальної клітини, тому що не несуть інформації про синтез ферментів.Фенотипова мінливістьзумовлена клітиною хазяїна, в якій відбувається репродукція вірусів. Вона проявляється зміною хімічного складу суперкапсиду (зовнішньої оболонки віріону), пов 'язаною з включенням до її складу ліпідів і вуглеводів клітини-хазяїна.

Генотипова мінливістьможе проявлятися у вигляді мутацій і рекомбінацій.

Спонтанні мутації виникають під час реплікації їх нуклеїно­вих кислот і можуть стосуватися різних властивостей вірусів.

Індуковані мутації виникають під впливом тих самих фізичних і хімічних мута-генів, які зумовлюють мутації у бактерій. Одні з них (азотиста кислота, нітрозо-гуанідин) діють на позаклітинний вірус (віріон), інші (акредин, аналоги азотистих основ) — на внутрішньоклітинний вірус під час реплікації його нуклеїнової кис-лоти.

Мутанти вірусів різняться за антигенною структурою, чутливістю до температу-ри та іншими властивостями.

Рекомбінації відбуваються у разі одночасного зараження двома вірусами чутливої до них клітини-хазяїна.

Розвиток молекулярної генетики створив умови для вивчення молекулярно-генетичних механізмів патогенних та імуногенних властивостей мікроорганізмів, причин появи нових варіантів патогенних і умовно-патогенних мікроорганізмів, селекції патогенних мікроорганізмів зі зниженою вірулентністю (ці мікроби часто втрачають вдатність спричинювати формування імунітету). А це призводить до формування латентних (прихованих) і хронічних форм інфекцій, появи штамів патогенних мікроорганізмів, резистентних до лікарських і дезінфекційних препаратів, появи атипових форм інфекційних хвороб. Це дало змогу пояснити зміни в патогенетичному і клінічному перебігу інфекційних хвороб, причини поширення внутрішньолікарняних інфекцій і розробити заходи їх профілактики.

За допомогою генетичних методів отримані культури мікроорганізмів, які використовуються у виробництві вакцин, анатоксинів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків, продуктивність яких в 200— 1000разів вища за таку у диких штамів.

Велике наукове і практичне значення має новий розділ генетики — генна інженерія. Методи генної інженерії дають змогу створити штучні гени із нуклєотидних послідовностей, які несуть задану ге­нетичну інформацію, а також розробити способи перенесення генів в інші клітини прокаріотів або еукаріотів. Унаслідок цього мікроорганізми стають продуцентами таких речовин, які хімічно отримати дуже важко, а інколи і неможливо. Нині завдяки розвитку генної інженерії методом мікробіологічного синтезу виробляють лікувально-профілактичні препарати: інсулін, інтерферони, інтерлейкіни, гормони, вітаміни, високоочищені вакцини (так, після введення гена вірусу гепатиту В у дріжджові клітини була отримана рекомбінантна вакцина). Мінливість мікроорганізмів слід враховувати при ідентифі-кації культури атипових форм мікроорганізмів під час проведення діагностичних і профілактичних лабораторних досліджень.

Результати досліджень генетики мікроорганізмів були використані під час вивчення молекулярно-генетичних закономірностей вищих організмів.