1.5. СПАДКОВІСТЬ І МІНЛИВІСТЬ МІКРООРГАНІЗМІВ

Усім живим істотам, зокрема мікроорганізмам, притаманні спадковість і мінливість. Спадковість — здатність передавати своєму потомству власні ознаки й властивості, мінливість — здатність змінювати ознаки і властивості під впливом різних чинників. Спадковість і мінливість — взаємопов’язані явища, які забезпечують збереження гомеостазу та пристосування виду до навколишнього середовища, яке динамічно змінюється.
Механізм мінливості та спадковості, закономірність цих процесів вивчає наука генетика. Розвиток генетики відбувався у постійній боротьбі двох спрямувань — ідеалістичного та матеріалістичного.
Основні закони спадковості і мінливості сформульовані Ч. Дарвіном у 1859 р., який довів, що всі види живих істот на Землі відбулись завдяки серії змін властивостей якоїсь однієї чи кількох форм. Пізніше цілий ряд дослідників зробили серйозний внесок у генетику, зокрема Г. Мендель, Т. Моргай, Г. Мюллер, М. Вавилов, Н. Кольцова, М. Дубінін та ін. Вони довели, що ознаки живої істоти закодовані у хромосомах ядра клітини і під час поділу її передаються потомству, зберігаючи таким чином сталість видів на Землі.
Незважаючи на явні успіхи з приводу використання явища мінливості мікроорганізмів, тривалий час велась жорстока боротьба дослідників. Одні (мономорфісти) вважали, що мінливість неможлива (Ф. Кон, Р. Кох), інші (плеоморфісти), навпаки, переоцінювали її, надаючи меншого значення механізму спадковості (К. Негелі та ін., 1874).
Роботами Л. Пастера, І. Мечникова, Л. Ценковського, С. Виноградського, М. Гамалеї та інших учених було показано нежиттєздатність обох спрямувань і доведено динамічний взаємозв’язок спадковості й мінливості.
Л. Пастеру та Л. Ценковському вперше вдалося отримати змінені форми збудника сибірки зі спадково закріпленою вірулентністю. Це були перші успішні досліди отримання живих ослаблених мікроорганізмів з метою застосування їх як специфічних засобів профілактики інфекційної хвороби. Скориставшись методологією цих учених, інші дослідники невдовзі запропонували активні препарати проти класичної чуми свиней, бешихи та інших хвороб.
Нині генетика активно розвивається. Багато пов’язаних з генетикою питань вивчається на мікроорганізмах, оскільки вони швидко розмножуються і є значно зручнішими для маніпуляцій порівняно з макроорганізмами.
Новим спрямуванням у генетиці стала генна інженерія. Дослідники навчилися маніпулювати з генами, конструювати біологічні системи, які продукують цінні для людини речовини: інтерферони, антигени та ін.
Матеріальною основою апарату спадковості живих істот можуть бути дезоксирибонуклеїнова (ДНК) та рибонуклеїнова (РНК) кислоти. Остання властива багатьом вірусам.
Нуклеїнові кислоти складаються з нуклеотидів, які містять три компоненти: 1) азотисту основу — тимін (урацил), аденін, гуанін, цитозин; 2) вуглевод — дезоксирибозу (рибозу); 3) залишок фосфорної кислоти.
ДНК може бути компонентом хромосоми або плазмідою — фактором позахромосомної спадковості. Хромосомна ДНК детермінує життєво важливі компоненти мікробної клітини, а плазмідна — такі, що не є визначальними для їх росту та розмноження. Фрагмент молекули ДНК, що кодує синтез одного білка, називається геном. Повний набір генів становить генотип. Генотип визначає структуру і функцію білків, потенційну можливість вияву властивостей мікроорганізму. Бактерійна клітина містить багато генів. Вони поділяються на структурні та регуляторні. У структурних генах закодована інформація про первинну структуру конкретного білка, функціональні гени (гени-оператори, гени-регулятори) забезпечують функціонування структурного гена.
Властивості мікроорганізмів, що виявляються у конкретних умовах їх існування, називають фенотипом. Інакше кажучи, генотип виявляється у фенотипі — сумі реалізованих ознак, закодованих у генотипі (утворення джгутиків, капсул, ферментація вуглеводів тощо). Мікробна клітина часто успадковує не певну ознаку, а здатність появи її за конкретних умов зовнішнього середовища. Так, відомо, що вирощені в рідкому середовищі певні види бактерій мають добре розвинені джгутики, тоді як ці самі бактерії, вирощені на агарі, джгутиків можуть і не утворювати. Це, до речі, має практичне значення. Під час ідентифікації бактерій важливо знати, рухлива вона чи ні. І якщо знехтувати сказаним раніше, можна припуститись помилки, маніпулюючи з бактеріями, вирощеними на щільному середовищі. Це саме стосується й інших умов культивування. Так, лістерії, вирощені при 22 °С, мають джгутики і надзвичайно рухливі, вирощені при 37 °С — малорухливі.
Відомо, що під впливом деяких речовин, наприклад антибіотиків, бактерії можуть змінювати свою форму, паличкоподібні можуть стати округлими. Так, під впливом пеніциліну збудник сибірки набуває кулястої форми і його ланцюжки нагадують намисто. До речі, цей факт використовують під час ідентифікації збудника сибірки.
Досить часто мікроорганізми трапляються у фільтрівній, так званій L-формі, яка виникає під впливом різноманітних чинників. При цьому змінюється не лише морфологія (L-форми кулясті, не мають щільної клітинної стінки), а й антигенні, культуральні, тинкторіальні та патогенні властивості збудника. На агарі L-форми утворюють дрібні колонії з потовщеним центром. Після ліквідації причин, що сприяли утворенню L-форм, мікроорганізми набувають попередніх, притаманним їм ознак. Разом з тим нерідко трапляються випадки, коли це не спостерігається. Такі L-форми називають стабільними. З цього прикладу видно, що морфологічні зміни можуть бути тимчасовими і постійними. Перші — результат фенотипової, другі — генотипової мінливості. Фенотипові зміни, так звані модифікації, зникають після того, як зникає фактор, що зумовив їх появу, генотипові залишаються навіть після усунення факторів, які їх індукували.
Яскравим прикладом мінливості у бактерій є дисоціація мікробних культур. Багато видів бактерій ростуть на щільному середовищі, утворюючи колонії з рівними краями та гладенькою й блискучою поверхнею. Це так звані колонії S-форми (від англ. smooth — гладкий). Під час культивування на живильних середовищах можуть з’являтися колонії з нерівними краями і шорсткою поверхнею — колонії R-форми (від англ. rough — шорсткий). У таких випадках нерідко виявляються й колонії з проміжною характеристикою, тобто у них можуть бути нерівні краї та гладенька поверхня або, навпаки, рівні краї й шорстка поверхня. Здебільшого модифікація колоній з гладенького типу в шорсткий супроводжується зниженням чи навіть втратою вірулентності у патогенних видів, за винятком збудника сибірки, у якого ці явища співвідносяться навпаки: R-форма вірулентна, S-форма — слабовірулентна.
Прикладом мінливості властивостей у бактерій може бути здатність їх синтезувати ферменти залежно від наявності відповідного субстрату в навколишньому середовищі (зокрема, живильному). Йдеться про адаптаційні ферменти. У разі відсутності у середовищі, де розмножується мікроорганізм, відповідних речовин синтез ферменту може призупинятись і відновлюватись, якщо необхідний субстрат з’явився. Наприклад, деякі мікоплазми втрачають здатність ферментувати глюкозу, якщо цей цукор тривалий час не вносити у живильне середовище, на якому їх пасажують, проте здатні відновлювати синтез відповідного ферменту після внесення до середовища глюкози. Це слід мати на увазі при використанні ознак ферментативної активності мікроорганізмів для визначення їх виду.
Особливе значення для фахівця ветеринарної медицини має розуміння можливої зміни вірулентних властивостей патогенних видів мікроорганізмів. Загальновідомо, що в природі можуть циркулювати високо-, слабко- або помірно вірулентні штами збудників інфекційних хвороб. Важливо уявляти обставини, що сприяють появі високовірулентних штамів, їх може бути багато. Встановлено, що пасажування мікроорганізму через високочутливий, особливо зі зниженою резистентністю, організм закономірно призводить до підвищення вірулентності у патогенів. Відомо також, що зростання вірулентності може відбуватись як результат формування рекомбі-нантних штамів, коли у рекомбінант порівняно з батьківськими штамами збільшується кількість факторів патогенності. Важливо уявляти те, що детермінантами окремих факторів патогенності можуть бути плазміди — позахромосомні фактори спадковості, які під час кон’югації бактерій можуть поширюватися від однієї мікробної клітини до іншої, передаватися спадково. Знаючи умови появи високовірулентних штамів, можна свідомо запобігати цьому негативному явищу.
Відомі також обставини, що призводять до зниження вірулентності мікроорганізмів. Це передусім тривале культивування їх у лабораторних умовах. Так, здійснюючи пасажування збудника туберкульозу, французькі дослідники А. Кальмет і Ш. Герен добилися послаблення його патогенних властивостей настільки, що отримали препарат, придатний для імунізації новонароджених дітей. Нині цю вакцину широко використовують у медичній практиці.
Механізми спадкової мінливості. Спадкова мінливість пов’язана зі зміною структури генетичного апарату — ДНК. Зміна його структури може відбуватися в результаті мутацій та рекомбінацій.
Мутації — порушення послідовності нуклеотидного ланцюга, випадання окремих нуклеотидів — можуть відбуватися спонтанно (без реєстрованих фактів впливу на мікроорганізм) або ж через свідомі маніпуляції з ними. У першому випадку йдеться про спонтанні, в другому — про індуковані мутації. Чинниками, що спричинюють мутацію, можуть бути йонізуюча радіація, УФ-випромінювання, хімічні речовини. Мікробні клітини, в яких відбулася мутація, називають мутантами. Останні набувають ознак, що передаються спадково. Якщо ж мутація зумовила зміни в генетичному матеріалі клітини, пов’язані з її життєздатністю, такий мутант гине (летальна мутація).
Рекомбінація — поява клітин з набором генів, притаманним не одному, а двом мікробним клітинам. Генетична рекомбінація у бактерій можлива в результаті явищ, які називають трансформацією, трансдукцією та кон’югацією.
Трансформація — перенесення генетичної інформації від бактерії донора (у вигляді фрагментів ДНК) в клітину реципієнта. Бактеріальні клітини, що перебувають у стані компетентності, тобто здатності сприймати донорську ДНК, приймають фрагменти нуклеїнової кислоти. При цьому в хромосому реципієнта включається лише одна нитка ДНК донора, в результаті чого утворюється молекулярна гетерозигота. Під час трансформації можуть переноситися найрізноманітніші гени, що детермінують ті чи інші властивості, наприклад утворення капсули, синтез ферментів тощо. Найкраще трансформація відбувається у представників одного й того самого виду або у близькоспоріднених бактерій. Трансформацію можна здійснити в експериментальних умовах, культивуючи мікроорганізм на живильних середовищах, куди внесено ДНК донора або його інактивовані клітини.
Трансдукція — перенесення генів (фрагментів ДНК) від мікроорганізму-донора до мікроорганізму-реципієнта за допомогою фага. Під час репродукції фаги можуть включати у свою структуру ділянки бактерійної ДНК (гени). При подальшому проникненні в іншу клітину, репродукуючись у ній, ці фрагменти ДНК можуть включатись у бактерійну хромосому реципієнта, зумовлюючи появу нових, відповідних надбаним генам, ознак (зміна вірулентності, ферментативна активність та ін.).
Кон’югація — перенесення генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої через утворені між ними цитоплазматичні містки, які формуються за рахунок згаданих вище структур — пілей. Через такий місток може передаватись уся хромосома, окремі її ділянки або ж плазміда. Результатом кон’югації є утворення клітин-транскон’югантів, які набувають нових властивостей. У такий спосіб може передаватися резистентність до лікарських препаратів, здатність утворювати ферменти, токсини тощо.
Знаючи закономірності явищ спадковості й мінливості у бактерій, можна цілеспрямовано отримувати мікроорганізми з певною характеристикою, зокрема авірулентні вакцинні штами, високоефективні продуценти корисних речовин тощо. Особливо ефективною в цьому напрямі виявилась генна інженерія. Користуючись методиками цього розділу експериментальної біології, вдається сконструювати продуцент практично будь якого корисного продукту. Проте це вже є предметом науки біотехнології, яка нині бурхливо розвивається.

До змісту