Особенности размножения микроорганизмов

Генетика

Среди микроорганизмов, ставших объектами генетических исследований, известны многие грибы, водоросли, бактерии и вирусы.

Грибы и большинство водорослей имеют обычную организацию ядра, свойственную растительной клетке, хотя у разных представителей этих организмов детали строения ядра могут различаться. Для бактерий характерно особое строение ядра: в нем имеется, как правило, одна очень маленькая хромосома, лишенная видимых под световым микроскопом морфологических особенностей; под электронным микроскопом видна связь этой хромосомы с клеточной мембраной. Ядро бактерий не отделено от толщи цитоплазмы мембраной. При делении ядро не претерпевает реорганизации, подобной той, которая происходит во время митотического цикла в клетках высших организмов, и веретено деления не образуется.

Организмы, имеющие ядро, сходное с бактериальным, называют прокариотами в отличие от высших организмов — эукариотов. Ядро бактерий и актиномицетов содержит ДНК в виде нитей диаметром 25—30 Å. Такое ядро называют нуклеоидом. Оно окрашивается по Фельгену. Число нуклеоидов в бактериальной клетке различно: в одной клетке их может быть один или несколько, причем разной формы. Дочерние нуклеоиды воспроизводятся прямым делением. С помощью радиоактивной метки установлено, что репликация ДНК в нуклеоиде осуществляется полуконсервативным путем. Генетически нуклеоид соответствует хромосоме (геному), что дает нам известное право в дальнейшем называть геном бактериальной клетки хромосомой.

Размножение неспороносных бактерий состоит из повторяющихся делений вегетативных клеток (Salmonella, Escherichia, Schigella и др.). Установлено, что в процессе размножения культура микроорганизма проходит пять фаз:

лаг-фазу
фазу ускорения
логарифмическую (экспоненциальную)
фазу замедления
стационарную

Размножение клеток, помещенных в свежую питательную среду, на некоторое время задерживается. Такое состояние культуры называют задержкой размножения (лаг-фазой). В следующей фазе происходит ускорение роста, и частота делений клеток за единицу времени постепенно нарастает (фаза ускорения). Затем следует фаза, когда скорость размножения клеток за единицу времени постоянна (фаза логарифмического роста). Истощение питательной среды вызывает фазу торможения скорости деления, и затем наступает так называемая стационарная фаза, когда число жизнеспособных бактерий в культуре не меняется. Следующая, последняя, фаза связана с отмиранием клеток.

Фазы размножения микроорганизмов

Все эти фазы проходит одна культура без дополнения питательной среды. При смене фаз меняются численность клеток в культуре, морфология клеток и число нуклеоидов в клетке.

Типичный половой процесс обнаружен не у всех микроорганизмов. Однако многие грибы и водоросли имеют половой процесс, который в принципе сходен с таковым у высших растений. У этих организмов гаплоидные продукты мейоза некоторое время сохраняются вместе, что дает возможность применять тетрадный анализ и непосредственно изучать результаты расщепления в мейозе. Гаплоидное состояние клеток позволяет легко устанавливать частоту и характер возникающих рецессивных мутаций, поскольку отсутствие соответствующих доминантных аллелей исключает необходимость перевода этих мутаций в гомозиготное состояние.

У некоторых грибов, наряду с нормальным половым процессом, имеется парасексуальный (дословно — возле полового) цикл, который также обеспечивает рекомбинацию наследственных факторов.

Термин «парасексуальный» был предложен для обозначения процесса рекомбинации наследственных факторов, осуществляющегося в митозе и не связанного с оплодотворением и мейозом. Например, у плесневого гриба аспергилла его можно выявить следующим образом. Гифы мицелия многоядерны; большинство ядер находится в гаплоидном состоянии. При совместном выращивании двух разных мутантных мицелиев между их гифами возникают цитоплазматические анастомозы, через которые происходит обмен ядрами. В результате такого обмена образуется гетерокарион, % е. мицелий с гаплоидными ядрами разных генотипов.

Парасексуальный цикл Aspergillus — образование гетерокариона, т. е. мицелия с гаплоидными ядрами разных генотипов

При образовании одноядерных конидий гетерокарион распадается на два исходных мутантных генома. Редко, но с определенной частотой при вегетативном росте гетерокариона может происходить слияние двух гаплоидных ядер с мутантными геномами и образование диплоидного гетерозиготного ядра. Это явление называют диплоидизацией.

Клетка с диплоидным ядром путем ряда делений дает диплоидные гетерозиготные гифы. В процессе деления диплоидных клеток независимо друг от друга могут протекать еще два различных процесса: во-первых, редкий митотический кроссинговер и, во-вторых, случайная (нерегулируемая), не связанная с мейозом, гаплоидизация ядер. И тот, и другой процессы приводят к расщеплению в потомстве гетерозиготного диплоида. При этом гаплоидные и диплоидные участки мицелия можно различать как по размеру конидий — у первых мельче, чем у вторых, так и генетически — у гаплоидных форм выявляются рецессивные гены всех групп сцепления, а у диплоидных форм эти гены проявляются лишь в участках хромосом, претерпевших митотический перекрест, т. е. там, где они оказываются в гомозиготном состоянии.

При гаплоидизации в ходе парасексуального цикла отсутствует синапсис хромосом, и поэтому гены каждой из хромосом обнаруживают полное сцепление. Гены негомологичных хромосом перекомбинируются независимо.

Следовательно, гаплоидизация в парасексуальном цикле облегчает разбивку генов по группам сцепления. Механизм гаплоидизации пока точно не выяснен. Ясно лишь, что при этом происходит постепенное уменьшение числа хромосом в ряду митотических делений вплоть до их гаплоидного числа.

Определение местоположения гена, т. е. его локализации в пределах группы сцепления, в случае парасексуального процесса производят на диплоидной стадии на основе митотического кроссинговера. И хотя митотический кроссинговер осуществляется лишь при случайной и очень редкой конъюгации гомологичных хромосом у гетерозиготного диплоида, тем не менее его можно использовать для локализации. Очевидно, частота выхода гена в гомозиготное состояние характеризует его расстояние от центромеры. На этом принципе были построены карты хромосом аспергилла и других грибов.

Генетические карты хромосом Aspergillus

Если у аспергилла парасексуальный процесс существует наряду с обычным половым процессом, то для ряда других грибов он является единственным способом рекомбинации генов. К таким грибам относится, например, пеницилл. Обнаружение у него парасексуального цикла позволило использовать процесс рекомбинации в селекции этого важнейшего продуцента антибиотиков. При изучении парасексуального процесса удалось также провести генетический анализ свойства вырабатывать антибиотик.

Гибридизация у микроорганизмов может осуществляться несколькими путями:

копуляцией
конъюгацией
трансдукцией
трансформацией

Копуляция известна у грибов и водорослей. При копуляции происходит слияние гамет и образование зиготы, совмещающей в себе ядро и цитоплазму обеих гамет.

Гибридизация путем конъюгации, трансдукции и трансформации характерна для бактерий. При данных способах гибридизации наследственные факторы передаются односторонне — от донора к реципиенту и только частично в виде отдельных фрагментов ДНК. Клетка-реципиент, получающая лишь часть наследственной информации от клетки-донора и возникшая в результате любого из этих трех типов гибридизации, называется мерозиготой.

Вирусы размножаются и гибридизируются иным путем, отличным от всех других организмов: они размножаются только внутри клеток.

Вирусы являются паразитами клеток животных, растений и бактерий. Вирусы, паразитирующие в бактериях, называют фагами (бактериофагами). Фаги поражают определенный для каждого из них вид и даже определенный штамм бактерий. Они имеют характерную форму и размеры, отличающие их от других вирусов. Например, фаги серии Т (Т₁, Т₂, Т₄ и т. д.) кишечной палочки по форме на поминают сперматозоиды млекопитающих и состоят из головки и хвоста. Размер частиц фагов колеблется от 200 до 500 ммк, размер головки от 45 до 80 ммк, длина хвоста от 100 до 170 ммк.

Схема строения бактериофага

Фаг состоит из белковой оболочки и внутреннего содержимого – ДНК. Нуклеиновая кислота находится в головной части фага. Конец хвоста фага морфологически довольно сложен. Им фаг прикрепляется к поверхности поражаемой клетки. На кончике хвоста фага имеется фермент лизоцим. Вслед за прикреплением к бактериальной клетке, фаг локально разрушает (лизирует) оболочку, и содержащаяся в нем ДНК впрыскивается внутрь клетки. Так осуществляется заражение клетки. При этом белковая оболочка фага остается на поверхности клетки, а внутрь ее проникает, по-видимому, лишь ДНК фага.

Внутри бактерии ДНК фага начинает воспроизводиться, реплицироваться, используя ферментные системы и материалы клетки-хозяина. В первый период репродукции фага внутри бактерии фаговый белок не обнаруживается. Он выявляется позднее, когда уже накапливается в достаточном количестве ДНК фага. Затем частицы ДНК фага окружаются специфическим белком, в результате чего образуются зрелые частицы фага. Одна частица фага, попавшая в клетку, способна дать начало сотне и более новых частиц. Через 10—45 мин после заражения бактериальная клетка лизируется, и из нее в среду выходят зрелые частицы фага (от 100 до 300 частиц), которые способны вновь заражать здоровые бактерии.

Размножение фага в жидкой бактериальной культуре выявляется просветлением суспензии из-за лизиса клеток. На агаровой среде размножение фагов выявляется в виде пятна лизиса на сплошном газоне культуры в чашках Петри. Эти зоны лизиса называются негативными колониями фага, так как каждая такая колония является результатом размножения одной исходной фаговой частицы.

Фаг, способный вызвать лизис зараженной бактерии, называют вирулентным. Наряду с вирулентными фагами существуют так называемые, умеренные. Последние, проникая в клетку, не разрушают ее, а остаются в ней в качестве «жильцов» — симбионтов. При этом умеренный фаг пребывает в ней в форме профага, который размножается синхронно с делением самой клетки. Профаг, таким образом, представляет собой невирулентное состояние фага.

Присутствие профага в бактерии делает ее иммунной по отношению к заражению частицами генетически родственного фага. К частицам фага другой генетической природы бактерия не имеет иммунитета, и она может быть ими заражена. Поэтому в клецку, могут проникать частицы фагов разной генетической природы.

Нормально размножающаяся бактерия с находящимся в ней профагом называется лизогенной бактерией. Явление симбиотических отношений фага с бактерией называют лизогенией. Отношение бактериальных клеток к фагам, лизирование бактерии, или лизогенизация ее, определяются генотипом бактерии и фага. Вопрос о том, каким образом воспроизводится наследственная основа фага в лизогенных бактериях, до сих пор остается загадкой. Но очевидно, что профаг тесно связан с ядерным веществом бактерий.

Состояние лизогении не абсолютно устойчиво. Иногда происходит нарушение лизогенного состояния бактерий (индукция фага), при этом начинается синтез фаговых частиц, не контролируемый клетками, и клетки разрушаются. Затем из бактерии выходят зрелые частицы фага, способные заражать другие бактерии Лак же, как и в случае вирулентности фага. Индукция синтеза фаговых частиц в бактерии и выход фага из нее вызываются рядом внешних агентов, многие из которых являются мутагенными.

Фаги, как правило, имеют двунитчатую спиральную структуру ДНК и весьма разнообразную по химическому составу белковых Молекул оболочку. Лишь некоторые фаги (фХ-174) содержат однонитчатую структуру ДНК, однако в момент репликации у них молекула ДНК двунитчатая.

Среди животных вирусов известны такие, которые имеют ДНК, и такие, которые имеют РНК (например, вирусы, вызывающие заболевание полиомиелитом).

Наиболее изученным растительным вирусом является вирус табачной мозаики (ВТМ), поражающий растения рода табак (Nicosia). Особенностью этого вируса является то, что он имеет однонитчатую молекулу РНК, свернутую в виде спирали. Она находится внутри полого цилиндра, оболочка которого состоит из одинаковых белковых молекул — субъединиц. Установлено, что в такую белковую субъединицу входит 158 аминокислот и найдена последовательность расположения их в этих субъединицах. Размножение ВТМ происходит внутри растительной клетки лишь в том случае, если вирусная частица попадает через поврежденную клеточную оболочку. Чистая РНК ВТМ способна заражать клетку и воспроизводить белок для каждой вирусной частицы за счет аминокислот хозяина.