Генетика микроорганизмов

Содержание

Слайд 2

План: Понятие о фенотипической и генотипической изменчивости микроорганизмов. Трансформация, конъюгация, трансдукция.

План:

Понятие о фенотипической и генотипической изменчивости микроорганизмов.
Трансформация, конъюгация, трансдукция.
Молекулярно-биологические технологии в

медицине. Применение в диагностике инфекционных заболеваний.
Биотехнологии. Генная инженерия.
Слайд 3

Бактерии - удобный материал для генетики. Их отличает: - относительная простота

Бактерии - удобный материал для генетики. Их отличает:
- относительная простота генома

(совокупности нуклеотидов хромосом);
- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;
- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК;
- половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;
- легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.
Слайд 4

Helicobacter Pylori в желудке:

Helicobacter Pylori в желудке:

Слайд 5

Полученное с помощью электронного микроскопа изображение Helicobacter Pylori.

Полученное с помощью электронного микроскопа изображение Helicobacter Pylori.

Слайд 6

Streptococcus pneumoniae: пневмонии

Streptococcus pneumoniae: пневмонии

Слайд 7

Бактерии кишечной палочки:

Бактерии кишечной палочки:

Слайд 8

Ресничная палочковидная бактерия. Типичные палочковидные бактерии включают кишечную палочку и сальмонеллы. Источник: https://fishki.net/35668-bakterii-pod-mikroskopom-13-foto.html © Fishki.net

Ресничная палочковидная бактерия. Типичные палочковидные бактерии включают кишечную палочку и сальмонеллы.  Источник: https://fishki.net/35668-bakterii-pod-mikroskopom-13-foto.html ©

Fishki.net
Слайд 9

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение

кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц - оперонов.
Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:
кодон ? ген ? оперон ? геном вирусов и плазмид ? хромосома прокариот (нуклеоид) ? хромосомы эукариот (ядро).
Слайд 10

Слайд 11

Слайд 12

Генетический материал бактерий. 1.Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды

Генетический материал бактерий.
1.Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная

ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали - от родительской клетки - к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами - в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.
Слайд 13

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными

(вставочными) или IS- последовательностями.
Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.
Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием

ряда общих свойств - отсутствием собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка, саморепликацией генома, абсолютным внутриклеточным паразитизмом.
Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.
1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).
2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.
3.Геном представлен двунитевой ДНК.
4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.
Слайд 17

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали,

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали,

прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы).
Слайд 18

Слайд 19

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по

степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).
Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:
- контроль генетического обмена бактерий;
- контроль синтеза факторов патогенности;
- совершенствование защиты бактерий.
Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.
Слайд 20

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос

между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозоны. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (IS- элементы) или вставочные элементы, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.
Слайд 21

Слайд 22

Слайд 23

Слайд 24

Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент

Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент

ДНК, несущий специфические гены, и два Is- элемента. Каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.
Слайд 25

Понятие о генотипе и фенотипе. Генотип- вся совокупность имеющихся у организма

Понятие о генотипе и фенотипе.
Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.
Фенотип-

совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.
Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации).
Слайд 26

Слайд 27

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на

изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.
Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении S? R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.
Слайд 28

Слайд 29

Слайд 30

Слайд 31

Слайд 32

Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные

Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные

(изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).
Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов- эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.
Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.
Слайд 33

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.
Мутации

– изменение генотипа, сохраняющееся в ряду поколений и сопровождающееся изменением фенотипа. Особенностями мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления.
Слайд 34

Мутации Мутация - изменение первичной структуры ДНК, проявляющееся наследственно закрепленной утратой

Мутации Мутация - изменение первичной структуры ДНК, проявляющееся наследственно закрепленной утратой или 

изменением какого-либо признака или группы признаков. Факторы, вызывающие мутации, известны как мутагены. К появлению спонтанных мутаций приводят ошибки репликации, неправильное формирование пар оснований или структурные искажения ДНК под действием естественных мутагенов.           Индуцированные мутации получают под влиянием каких-либо мутагенов (химические вещества, излучение, температура и др.) в эксперименте. По количеству мутировавших генов различают генныеи хромосомные мутации.  Генетические  рекомбинации  Бактерии способны обмениваться генетическим материалом и, по аналогии с половым размножением, давать начало потомству с новыми свойствами. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства, или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов.
Слайд 35

По локализации различают мутации: 1) генные (точечные); 2) хромосомные; 3) плазмидные.

По локализации различают мутации:
1) генные (точечные);
2) хромосомные;
3) плазмидные.
Рекомбинации – это обмен генетическим материалом

между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом.
У бактерий существует несколько механизмов рекомбинации:
1) конъюгация;
2) слияние протопластов;
3) трансформация;
4) трансдукция.
Слайд 36

Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных,

Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных,

комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов.
Незаконная рекомбинация не требует наличия протяженных комплементарных участков ДНК.
По происхождению мутации могут быть:
1) спонтанными (мутаген неизвестен);
2) индуцированными (мутаген неизвестен).
Слайд 37

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой

основе рекомбинанта.
2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).
3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды
Слайд 38

Слайд 39

Слайд 40

Трансдукция — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую

Трансдукция  — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. 
Неспецифическая:  трансдуцирующие фаги являются

только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фагоная ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.
Специфическая:  характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии- реципиенту.
Абортивная: принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому бактерии реципиента, а располагается в цитоплазме.
Слайд 41

Слайд 42

Слайд 43

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков

цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.
Слайд 44

Слайд 45

Слайд 46

Слайд 47

Генетика вирусов. Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и

Генетика вирусов.
Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК-

вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную ( - ) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются.
Слайд 48

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников: двух внутренних

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:
двух внутренних (мутации,

рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).
Комплементация- функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.
Слайд 49

Фенотипическое смешивание- при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с

Фенотипическое смешивание- при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с

гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.
Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.
Слайд 50

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов: - восстановления изменчивости

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:
- восстановления изменчивости за

счет мутаций;
- резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;
- буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.
Слайд 51

Слайд 52

Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК

Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма(клеток), осуществления

манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых,
более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях.
Биотехнология (от греч. bios - - жизнь, teken -
 - искусство, мастерство, logos -наука, умение, мастерство) . это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.
Слайд 53

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека

(например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение
препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных
препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.
Слайд 54

Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами: 0 клетки являются своего рода

Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:
0 клетки являются своего рода Ібиофабриками⌡,

вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.). Эти продукты, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения Інебиотехнологи-ческими⌡ способами из-за сложности технологии процессов или
экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного производства;
Слайд 55

клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно

клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно

нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;
- биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия Іработы⌡ клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса . значительно
ниже;
Слайд 56

возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического

возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического

оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.
Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными
физико-химическими свойствами и биологическим действием.
Слайд 57

Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории: - сами клетки

Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории:
- сами клетки как

источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины;
- дрожжи - как кормовой
белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;
- крупные молекулы (макромолекулы), которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;
- первичные метаболиты . низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нук-леотиды, органические кислоты);
- вторичные метаболиты (идиолиты) . низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).
Слайд 58

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, ! которое в результате

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, ! которое в результате

технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:
Слайд 59

Слайд 60

Слайд 61

Слайд 62

Слайд 63

Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина –

Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной

железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желёз свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным бы решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 году инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии. Основное