Практичне значення генетики бактерій

РЕФЕРАТ на тему:

Практичне значення генетики бактерій

ПЛАН.

1. Поняття про генетику бактерій.

2. Використання досягнень генетики бактерій на практиці.

Використана література.

1. Поняття про генетику бактерій Генетика — наука про спадковість і мінливість усіх живих істот, її основи були закладені відкриттями, зробленими Г. Менделем у 1866 р. Процеси спадковості й мінливості широко вивчаються у світі мікро­бів, оскільки мікроорганізми є найзручнішим об'єктом для генетич­них досліджень, бо за короткий час утворюють велику кількість гене­рацій.

Відомо, що ядра в еукаріотних клітинах, а нуклеоїди в прокаріот-них є місцем локалізації генетичного матеріалу. Генетичний апарат у бактерій складається з молекули ДНК, замкненої в кільце. Довжина кільця може сягати 1,0−1,4 мм. Воно міститься в нуклеарній ділянці бактеріальної клітини. Гігантська кільцева молекула ДНК, яка скла­дається із функціонально неоднорідних генетичних детермінант генів, дістала назву бактеріальної хромосоми (рис. 23). У нормі генетичний апарат у бактерій являє собою одну хромосому, яка є репліконом. Однак у бактеріальній клітині може бути кілька копій бактеріальної хромосоми. Бактерії, як і всі прокаріоти, на­лежать до гаплоїдних організмів, тобто генетичний матеріал у них представлений одним набором генів.

Гени прокаріотної клітини складаються із безперервно кодуючої послідовності нуклеотидів, тобто прокаріотам властиве тіс­не зчеплення генів. Хромосоми бактерій володіють однією групою зчеплення генів. Інформація в генах записана однаковим генетич­ним кодом для всіх прокаріотів, і принципи її реалізації також одна­кові у всіх організмів. У структурі гена запрограмовані два основні етапи його вираження (експресії) — транскрипція і трансляція. Гени бактерій складаються із промотора, білок-кодуючої ділянки і термінатора транскрипції.

Послідовність розміщення генів на бактеріальній хромосомі мо­же бути відображена на генетичній карті, яка є умовною схемою хромосоми бактерії. На цій карті зазначено послідовність розміщення окремих генів, відносну довжину самих генів і відстань між ними, виражену в умовних одиницях рекомбінації. За таку оди­ницю умовно прийнята частота рекомбінації, яка дорівнює 1%. До 1972 р. було встановлено 460 генів на хромосомній карті кишкової палички. Окрім цієї бактерії, генетичні карти складені для сінної палички та інших мікроорганізмів.

У багатьох видів бактерій є ще один тип генетичних елементів, що існують у клітині автономно, тобто поза хромосомами. Це плазміди, які є типовими репліконами (О.П.Пехов, 1979). Як і всі реплікони вони мають здатність до саморегуляції незалежно від механізмів, які регулюють розмноження бактеріальної хромосоми. Вважається, що генетична інформація, яка міститься у плазмідах та інших позахромосомних елементах (помірних фагах, транспозомах, IS-елементах), не є обов’язковою для життєдіяльності бактерій. Про­те ці елементи розширяють можливості існування бактеріального виду.

Численні дослідження бактерій, проведені в першій половині XX ст., показали, що популяція одного виду за тривалого культивування або вирощування в різних умовах піддається помітним змінам. Однак механізм, який лежить в основі цієї мінливості, був не відомим. Вияснення цієї важливої проблеми пов’язане з успіхами, досягнутими у вивченні будови і функціонування генетичного апарату бактерій останніми роками.

Для вивчення мінливості бактерій доцільно насамперед ознайомитися з термінами «генотип» і «фенотип». Ці терміни були введені в генетику В. Йогансеном ще в 1909 р. Генотипом, або геномом, називають сукупність усіх генів, які властиві даному організму. Фенотип — це весь комплекс зовнішніх і внутрішніх ознак організму, таких як форма, розміри, забарвлення, хімічний склад, поведінка, макроі мікроскопічні особливості тощо.

У бактеріальній хромосомі (нуклеоїді) всі гени розміщено в лінійній послідовності. Подібні за генотипом мікроорганізми можуть істотно відрізнятися за фенотипом. Фенотипові відмінності між прокаріотами, що є однаковими за генотипом, називаються модифікаціями.

Зміни, що їх спостерігають у прокаріотів, можна поділити на два типи. До першого відносять ті, які виявляються у більшості особин у популяції зі зміною зовнішніх умов. Вони мають пристосувальний характер і спостерігаються тільки під час дії чинника, який їх зумовив. Такий тип мінливості називається адаптивним, а явище — адаптацією.

Доведено, що модифікація (адаптація) є мінливістю, яка відбувається на рівні фенотипу і не зачеплює генотипу клітини. Хоч добре відомо, що всі ознаки клітини визначаються її генотипом, але в певних умовах вона використовує не ввесь свій геном, якого в ній є набагато більше, ніж необхідно клітині для існування у конкретних умовах. Модифікаційна мінливість є результатом пластичності клітинного метаболізму, який спричинює фенотипове виявлення в конкретних умовах генів, які до цього «мовчали».

Незважаючи на те, що модифікаційна мінливість не є спадковою, вона все ж таки робить певний внесок у процес еволюції. Адаптивні модифікації розширюють можливість організму до виживання і розмноження в ширшому діапазоні довкілля.

Мутації (від лат. mutatio — зміна). Раптові зміни в генетичному апараті клітини, що приводять до появи нових ознак і властивостей, які передаються наступним поколінням, дістали назву мутацій. Мутації, які виникають у нормальних умовах самовільно і мають випадковий характер як у часі, так і просторі, називаються спонтанними. Індуковані мутації виникають після дії на прокаріотні клітини фізичних і хімічних чинниківїх можна штучно викликати і вони піддаються контролю. Чинники (ультрафіолет, радіація, температура, хімічні речовини тощо), які спричиняють мутації, називають мутагенами. Індукувати мутації можуть також і мігруючі елементи.

2. Використання досягнень генетики бактерій на практиці.

Вивчення генетики бактерій та інших мік­роорганізмів має дуже важливе як теоретичне, так і практичне значення для спрямованої селек­ції високопродуктивних штамів, які останнім часом почали широко застосовуватися в різних галузях народного господарства. Викорис­тання в селекції мікроорганізмів методів природного добору, індуко­ваного мутагенезу, популяційної мінливості, клонування, гібридизації соматичних клітин тощо дало можливість одержати високопродук­тивні штами мікроорганізмів. Останні знайшли широке застосуван­ня в мікробіологічній промисловості для виробництва кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, антибіотиків, бактеріаль­них добрив, засобів захисту рослин, анатоксинів, лікувально-про­філактичних препаратів — вакцин, інтерферонів, гормонів, інтер-лейкінів та ін. Наприклад, з індукованих мутантів із наступною се­лекцією їх було одержано штами — продуценти амінокислот, продуктивність яких у 100 разів вища від такої у вихідних штамів. Продуцент лізину дає в 300−400 разів більший вихід цієї незамінної амінокислоти, ніж природний штам.

Багатонадійні перспективи для сільського господарства, біології та медицини й інших галузей народного господарства відкриваються у зв’язку з розробкою і вдосконаленням методів генної і клітинної інженерії, за допомогою яких експериментальне доведена можли­вість передачі не тільки природних генів, а й штучно синтезова­них, які кодують синтез різноманітних біологічно активних сполук. Наприклад, ще в перших дослідах з генної інженерії, проведених у 1973 p., було введено за допомогою фага в геном Е. соїі ген LIG, який контролює синтез лігази. Внаслідок цього вміст лігази в кліти-нах-реципієнтах збільшився в 500 разів. Тепер у клітини кишкової палички клоновані і функціонують гени інтерферонів, гормону рос­ту, інсуліну та ін. За допомогою клонованих штамів Е. соїі одержують препарати інтерферону, інсуліну і соматотропіну.

Є також дані про те, що успішно функціонують клоновані у бак­терії гени вірусів грипу, гепатиту В, герпесу, ген білка оболонки вірусу ящуру, що в найближчий час дозволить розробити технологію ви­робництва молекулярних вакцин без баластних білків.

Останнім часом інтенсивно вивчаються методи трансплантації генів за допомогою плазмід, які ще часто називають «генною інжене­рією в природі». Вони відіграють велику роль у передачі генетичного матеріалу між бактеріями, які належать навіть до віддалених філоге­нетичних груп. Плазміди є фактично каналом генетичної комуніка­ції в бактеріальному світі. Наприклад, методами генної інженерії бу­ло зроблено пересадку гена nif з азотфіксуючої бактерії в неазотфіксуючу, і остання набула властивості фіксувати молекулярний азот. Тепер ведуться роботи з перенесення генів від бактерій до клітин ви­щих рослин.

В лабораторних умовах одержано рекомбінантні плазміди, які містять гени двох різних бактерій, бактерій і вірусів, бактерій і рос­лин, бактерій і тварин, бактерій і людини. Дуже важливим є те, що такі рекомбінантні плазмід й, інтродуковані в бактеріальні клітини, дали експресію.

Особливої ваги набувають нині методи одержання енергії та пе­реробки відходів промисловості і сільського господарства з метою одержання цінних біопродуктів і захисту біосфери від забруднення за допомогою мікроорганізмів. Мікробіологічна наука і мікробіологіч­на індустрія можуть зробити помітний внесок у розв’язання енерге­тичних проблем, які пов’язані зі значним зменшенням запасів нафти і вугілля на нашій планеті.

Відомо, що поверхня Землі щорічно отримує таку кількість соня­чної енергії, яка в тисячі разів перевищує рівень виробленої у світі енергії з паливних ресурсів, що видобуваються. Сучасне вирощуван­ня рослин використовує фотосинтез із ККД запасання фотосинте­тичне активної радіації (ФАР) в урожаї на рівні 0,1−0,5%. У XXI ст. інтенсифікація рослинництва має забезпечити ККД агрофітоценозів приблизно до 3−5% ФАР. Мікроорганізми здатні трансформувати сонячну енергію в хімічну з ККД до 15−18%, що свідчить про наба­гато вищу ефективність цього процесу в мікроорганізмів порівняно з вищими рослинами.

У США, Німеччині, Індії, КНР, Англії та в інших країнах здійс­нюється мікробіологічна переробка гною і різних побутових та сіль­ськогосподарських відходів на біогаз. Це відбувається шляхом мета­нового бродіння в анаеробних умовах. У спеціальних газових уста­новках метаноутворюючі бактерії перетворюють до 95% вуглецю органічного субстрату на метан. Одержуваний на очисних спорудах біогаз в Англії використовують для освітлення вулиць уже протягом десятків років. У США біля 2% енергії одержують внаслідок пере­робки міських відходів на біогаз.

Останніми роками проводяться також інтенсивні дослідження з розробки мікробіологічних методів одержання рідких нафтоподіб-них продуктів — рідких вуглеводнів і гліцеролів із біомаси мікро­скопічних водоростей. Виявлено понад 100 видів фототрофних мікроорганізмів, які мають здатність утворювати водень внаслідок розщеплення води, а як вважають, водень є найперспективнішим екологічно чистим паливом майбутнього.

Не применшуючи значення класичної селекції та генної інжене­рії, необхідно зазначити, що сьогодні народжується принципово но­вий перспективний напрямок повністю безклітинної біотехнології - використання в біотехнологічних процесах не живих клітин, а заміна їх біореакторами, в яких вибірковий синтез будь-яких заданих про­дуктів здійснюється за допомогою безклітинних систем, які містять лише необхідний набір очищених клітинних компонентів.

Розшифрування геному людини поки що взагалі важко оцінити. Цю подію прирівнюють до розщеплення атомного ядра або польоту в Космос. Відкриваються перспективи вирощування органів для трансплантації, клонування тварин і людини, створення принципо­во нових трансгенних організмів, розробки методів боротьби з хво­робами, які раніше вважалися невиліковними.

Використана література.

1. 1.Векірчик К.М. Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. — К.: Либідь, 2001. — 312 с.

2. 2.Ґудзь С.П. та ін. Основи мікробіології. — К., 1991.

3. 3.Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. — М., 1987.