Основи мікробіології, вірусології та імунології - 2001
Частина І. Загальна мікробіологія
МІКРОБИ ТА НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ. ГЕНЕТИКА ТА МІНЛИВІСТЬ МІКРООРГАНІЗМІВ. БАКТЕРІОФАГИ. АНТИБІОТИКИ
ГЕНЕТИКА МІКРООРГАНІЗМІВ
Розвиток генетики сприяв подальшому розквіту медичної мікробіології. Знання генетичних закономірностей формування незвичних видів мікроорганізмів дозволяє прогнозувати їх появу та поширення серед населення. За допомогою генної інженерії отримують штами мікробів із заданими властивостями. Застосовуючи генетичні методи, виробляють інтерферони, інтерлейкіни, антибіотики, ферменти, гормони тощо. Мінливість мікроорганізмів ураховують при діагностиці та лікуванні захворювань.
Особливості генетики мікроорганізмів:
1. Хромосома бактерій розміщується в цитоплазмі і містить понад 3000 генів.
2. Вміст ДНК непостійний і залежить від умов росту (може збільшуватися). Ця унікальна властивість забезпечує можливість регулювання швидкості власного розмноження і забезпечує виживання виду.
3. Генетична інформація міститься в генах хромосоми і позахромосомних структур (плазмід).
4. Передача інформації здійснюється по вертикалі (від батьківської клітини до дочірніх) і по горизонталі (від однієї особини до іншої) шляхом генетичних рекомбінацій.
Здатність мікроорганізмів набувати нових властивостей, які відрізняють їх від попередніх поколінь, називають мінливістю. Розрізняють спадкову та неспадкову мінливість.
Неспадкова (модифікаційна, адаптивна) мінливість не зумовлена змінами в генетичному апараті. Змінені ознаки не успадковуються.
Причинами виникнення таких модифікацій є несприятливі умови навколишнього середовища (наприклад, недостатня кількість вологи).
Розрізняють морфологічні, культуральні та біохімічні модифікації.
Морфологічні модифікації — зміна форми (поліморфізм), втрата джгутиків чи капсули, зміна забарвлення; культуральні — зміна характеру росту, втрата пігментів; біохімічні — втрата здатності утворювати окремі ферменти.
Можливість модифікацій необхідно враховувати під час лабораторних досліджень культури мікроорганізмів.
Спадкова (генотипова) мінливість зумовлена змінами генетичних структур унаслідок мутацій і генетичних рекомбінацій. Змінені ознаки успадковуються.
Мутації (від лат. mutatio — міняти) — зміна структури генів. Бувають спонтанні та індуковані мутації. Спонтанні мутації з'являються під дією неконтрольованих факторів. Індуковані мутації виникають унаслідок дії встановлених мутагенів (іонізуюче та ультрафіолетове випромінювання, хімічні речовини, особливо азотна кислота, акридин, Н2О2, антибіотики та ін.).
Виділяють малі (точкові) та великі (хромосомні) мутації. Точкові зумовлені заміною, випаданням або вставлянням азотистих основ; хромосомні — інверсією (поворотом ділянки хромосоми на 180°), транслокацією (переміщенням ділянки хромосоми), значними делеціями (випаданням ділянки хромосоми).
Мутації, як правило, згубно впливають на мікроорганізми. Однак вони виробили відповідні механізми репарації. Ці механізми оберігають мікроорганізми від мутацій або ліквідують їх наслідки.
Мутанти відрізняються від попередніх поколінь морфологічними властивостями, стійкістю до антибіотиків, патогенністю (появою атенуйованих форм). Вони не здатні продукувати деякі ферменти та ін. Зміна одних властивостей, як правило, призводить до зміни інших. Прикладом такої мінливості є дисоціація (утворення колоній R- і S-форм). S-форми колоній утворюються в гострий період захворювання. Мікроорганізми біохімічно більш активні, повноцінні в антигенному відношенні. Ці колонії гладенькі, з рівними краями, блискучі. R-форми колоній шорсткі, мутні. Мікроорганізми в них менш вірулентні та біохімічно менш активні. Частіше утворюються при хронічних інфекціях.
Генетичні рекомбінації зумовлені перенесенням генів із клітин-донорів до клітин-реципієнтів. Вони відбуваються in vitro (у живильному середовищі) або in vivo (у живому організмі).
Серед генетичних рекомбінацій виділяють такі: трансформація, трансдукція, кон'югація.
Трансформація — передача генів із чужорідною ДНК, яку живі мікроорганізми захоплюють у загиблих. Безкапсульні (авірулентні) пневмококи здатні захоплювати ДНК загиблого капсульного (вірулентного) пневмокока, набуваючи вірулентності.
Трансдукція — перенесення генів за допомогою фагів.
Кон'югація — перенесення генів за допомогою F-фактора від клітини-донора до клітини-реципієнта при безпосередньому контакті через F-пілі.
Позахромосомні фактори спадковості не є життєво важливими структурами мікробних клітин, оскільки вони не несуть інформації стосовно процесів метаболізму. Наявність цих структур може надавати певні переваги мікробній клітині (стійкість до антибіотиків, здатність продукувати токсин та ін.).
До позахромосомних факторів спадковості відносять:
1. Плазміди — молекули ДНК, які мають кільцеву структуру. Якщо вони розміщуються у цитоплазмі клітини, то здатні до самостійної реплікації (поділу). Якщо плазміди інтегруються в геном, то вони не мають кільцевої структури і діляться разом з геномом клітини. Вивчено понад 20 плазмід, але найбільше значення мають профаги, F- і R-плазміди, соl-плазміди. Профаги в лізогенній культурі здатні спричинювати низку змін, у тому числі токсигенність. F-плазміда — фактор фертильності (плодючості). Він бере участь у кон’югації. R-плазміди надають мікробним клітинам стійкості до лікарських засобів, що значно ускладнює проведення хіміотерапії. Бактеріоциногенні плазміди контролюють синтез бактеріоцинів. Бактеріоцини — це речовини білкової природи, що згубно діють на бактерії того виду, які їх утворюють, і на генетично близькі їм види.
Бактеріоциногенна плазміда вперше була виявлена в Е. соlі, тому її називають соl-плазмідою.
2. Транспозони. Вони складаються з кількох тисяч нуклеотидів (частинок молекул ДНК), мають кільцеву структуру, але, на відміну від плазмід, не здатні до автономної реплікації. При інтеграції в хромосому діляться разом з нею.
3. Is-послідовності. Ці структури складаються з тисячі нуклеотидів. Вони зв'язані з хромосомою.
Транспозони та Is-послідовності здатні мігрувати в клітині між плазмідами та хромосомою, а також із однієї клітини в іншу, поширюючи певну генетичну інформацію в популяції.
Практичне значення мінливості мікроорганізмів.
Мінливість мікроорганізмів слід ураховувати при ідентифікації культури, оскільки можлива поява нових варіантів патогенних збудників. Так був виявлений новий збудник холери — V. cholera О139 ("Бенгал"), який виник, можливо, внаслідок мутації О-антигену.
За допомогою селекції отримують штами мікроорганізмів, які використовують для виробництва атенуйованих вакцин, антибіотиків, ферментів тощо.
За допомогою генної інженерії змінюють структуру генів, включають у хромосому бактерій гени інших мікроорганізмів та макроорганізму. Такі штами використовують для синтезу лікарських засобів (інсуліну, інтерферону, гормонів, імуноглобулінів тощо), вакцин (проти гепатиту В, ВІЛ-інфекції).
Фаги
Фаги — це віруси, які паразитують на бактеріях, тому їх назвали бактеріофагами. Явище бактеріофагії описав український учений М. Ф. Гамалія (1898), а потім англійський дослідник Ф. Туорт (1915). У 1917 р. більш детально це явище вивчив французький учений д’Еррель, який запропонував термін "бактеріофаг". Пізніше були відкриті віруси, здатні руйнувати клітини синьо-зелених водоростей, грибів, актиноміцетів. Тому цю групу вірусів стали називати фагами.
До складу фагів входить нуклеїнова кислота (дволанцюгова ДНК, рідко РНК і одноланцюгова ДНК). За формою розрізняють ниткоподібні, сферичні та сперматозоїдні фаги. Найбільш вивчені типові фаги (Т-фаги): непарні — Т1, Т3, Т5, Т7 та парні — Т2, Т4, Т6.
Т-фаги за формою схожі на сперматозоїди. Вони складаються з головки та хвостового відростка, на кінці якого є базальна пластинка із шипами та фібрилами. На вільному кінці відростка міститься фермент лізоцим або гіалуронідаза.
Фаги широко поширені там, де є відповідні мікроби. Фаги більш стійкі, ніж вегетативні форми бактерій, у яких вони розмножуються. Фаги витримують нагрівання до 75 °С, висушування, pH від 2 до 8,5, дію антибіотиків і хлороформу. Ці властивості використовують для виділення фагів із культури мікроорганізмів.
На фаги згубно діють кислоти, дезінфекційні розчини, ультрафіолетове та іонізуюче випромінювання.
Фаги здатні розмножуватися в клітинах бактерій, що зумовлено наявністю рецепторів у фагів і на оболонці відповідних мікробних клітин. В основі номенклатури фагів лежить назва виду бактерій: дизентерійний фаг, сальмонельозний фаг та ін.
За специфічністю розрізняють:
· видові фаги, що паразитують у клітинах тільки одного виду бактерій (холерний, дифтерійний);
· полівалентні фаги — що паразитують у клітинах близьких видів бактерій, які відносяться до одного роду (полівалентний дизентерійний фаг);
· типові фаги, що паразитують у клітинах окремих варіантів мікроорганізмів, які відносяться до одного виду (стафілококові, сальмонельозні).
Типові фаги називають літерами латинського алфавіту або цифрами.
Типи взаємодії фага з чутливою клітиною. Розрізняють вірулентні та помірні фаги.
Вірулентний фаг спричинює лізис чутливих клітин. Цикл розмноження включає такі послідовні стадії:
1) адсорбція на поверхні клітини хвостовим відростком;
2) проникнення нуклеїнової кислоти фага в бактеріальну клітину (оболонка фага залишається поза клітиною — "тінь");
3) реплікація фагової нуклеїнової кислоти та синтез його білкової оболонки;
4) формування нових частинок фагів;
5) лізис (із середини) бактеріальної клітини і вихід фагів із клітини.
Якщо на клітині адсорбується велика кількість фагових віріонів, то може відбуватися лізис і ззовні. Вірулентні фаги, нанесені на колонії агарової культури, зумовлюють появу прозорих плям — негативних колоній фага, а в рідкому середовищі каламутна бульйонна культура стає прозорою.
Помірний фагнелізує мікробні клітини. Його нуклеїнова кислота інтегрує в бактеріальний геном і реплікує разом з ним. У такому разі фаг називають профагом, явище — лізогенією, а бактеріальну клітину — лізогенною. Помірний фаг може перетворитися на вірулентний і спричинити лізис бактеріальної клітини. Цей процес може бути спонтанним, але частіше він відбувається під дією факторів, які ослаблюють бактеріальну клітину (суббактерицидні дози ультрафіолетового випромінювання, хімічні речовини). Помірні фаги, особливо помірні дефектні фаги, спричинюють мінливість мікроорганізмів.
Активність фага визначають за Апельманом і Граціа.
Титр за Апельманом — це найбільше розведення фага, в якому він пригнічує ріст тест-культури в умовах досліду. Частіше використовують фаг, титр якого становить 10-5—10-7.
Титр за Граціа — це кількість частинок фага в 1 мл матеріалу (41 · 108).
Практичне застосування фага:
1. Для фагодіагностики — визначення виду культури (чумний фаг).
2. Для фаготипування при визначенні джерел інфекції (черевнотифозні, стафілококові типові фаги).
3. Для виявлення патогенних мікроорганізмів у навколишньому середовищі за допомогою реакції наростання титру фага (РНТФ).
4. Для фаготерапії та фагопрофілактики (дизентерійний, сальмонельозний, коліпротейний, стафілококовий фаги).
5. У генній інженерії.