История происхождения и развития жизни

3.3.4.1. Стабильность штаммов бактерий

Вид бактерий не всегда можно точно определить. Часто вместо видов речь идет о штаммах.

Стабильность GC-содержания

Мутанты - это особи с измененной ДНК, которые сами проявляют измененный признак и передают его по наследству. ДНК характеризуется первичной структурой, которая представляет собой последовательность нуклеотидов с азотистыми основаниями: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G), тимин (Т). Они определяют генетическую информацию.

Одной из характеристик ДНК является CG - содержание, выраженное в моль  процентах. Определяется оно следующим образом:

100% - (G+С) / (A + Т + C + G)

У бактерий это лежит в пределах 25 - 73%.

Нельзя, однако, сделать вывод о сходстве штаммов только на основании одинакового GS-содержания, так как и у непохожих штаммов может быть одинаковое GS-содержание. Оно определяется кодонами генов, при этом третье основание кодона может быть совершенно различным у генов с одинаковыми функциями в сходных штаммах (ср. Рис. 6.10). Вследствие этого у похожих организмов может быть абсолютно разное GS -содержание.

Ожидалось, что после воздействия ультрафиолетовыми лучами и химическими мутагенами на виды Bacillus и Bacterium и них будет обнаружена скачкообразная мутация, которая приведёт к отличию от исходных штаммов по GS-содержанию на 22%. Однако тщательное исследование показало, что здесь речь шла об инфекциях. Кох и Яновский указывали, что даже в присутствии мутатор-гена mut₁T1 (гена, в значительной мере повышающего частоту мутаций) на протяжении 1000 поколений возможно изменение GS-содержания максимум на 0,5%.

Стабильность бактерии, требующих сложной питательной среды

Лактобациллы (окислые бактерии), которые водятся в молоке и молочных продуктах, а также в желудке и на слизистой оболочке у человека, и животных, проявляют себя высокоорганизованными существами, если судить по требованиям, предъявляемым ими к питательным веществам, так как для роста они нуждаются в многочисленных органических соединениях - они полиауксотрофы: для их развития нужно 12 аминокислот и 4 витамина.

Путем постепенного поэтапного подбора мутагенов удалось настолько изменить мутантов, что их потребность в питательных веществах сократилась до 7 аминокислот и 4 витаминов. Этот мутант проявлял более замедленный рост по сравнению с полиауксотрофным штаммом, и после появления нескольких поколений и отмены селекционного воздействия с ним произошла обратная мутация и снова возникла потребность в шестнадцатисоставном питательном веществе. Графически это показано на нижней части рис. 3.23.

Изменение признаков при внедрении чужеродной ДНК

Экстрахромосомная ДНК из бактериофагов и плазмид может изменить некий штамм бактерий. Обратимое изменение бактерий показано на Azotobacter vinelandii, которые встречаются в почве и способны фиксировать азот. После приема фагов А21 наблюдается полное превращение по форме, строению, пигментации и оболочке клеток (рис. 3.24 и 3.25).

При делении клетки образуются дочерние клетки, половина которых содержит фаги. Колония поэтому получается неоднородной, два типа клеток образуют в ней секторы.

Неудивительно, что такие фагорезистентные клетки, настолько отличающиеся от штаммов по своим свойствам, первоначально принимались за инфекцию. Экспериментально выявлялась следующая картина: только пока фаговая субстанция находилась в клетке, она казалась совершенно другим организмом. Прием фаговой субстанции клеткой бактерии, дальнейшее существование в качестве плазмида или путем встройки в бактериальные хромосомы (конверсия) - все это влияет на свойства клетки, вызывая в ней изменения. Так, происхождение токсинов дифтерии и ботулизма можно объяснить внедрением фагов в Corynebacterium diphtheriae и Clostridium botulinum.

Заключение: приведенные примеры свидетельствуют о большой генетической стабильности бактерий. GC-содержание, характеризующее ДНК, не поддается существенному изменению в результате мутаций. Мутанты, изолированные посредством индуцированной или спонтанной мутации, были затем селекционированы, и оказалось, что они очень часто ведут себя нестабильно, если оказывается выгодной уменьшенная потребность в питательных веществах. Рис. 3.23 наглядно демонстрирует стабильность Lactobacillus исходного типа по сравнению с мутантами. Поддержание путем постоянной селекции продуктивности бактерий, производящих антибиотики, требует огромных затрат. Внедрением чужих ДНК, таких как ДНК бактериофагов или плазмидов, можно достаточно наглядно изменить многие свойства клетки. Если клетка теряет эти чужие ДНК, то в ней опять проявляются ее первоначальные свойства.

Путем изменения условий окружающей среды стимулируется производительность организма. Сначала организм реагирует на это образованием фенотипических модификаций, дающих возможность частично приспособиться к новым условиям окружающей среды. Некоторые разновидности грам-положительных актиномицет образуют на твердых питательных средах с агаром разнообразное по форме переплетение отдельных клеточных волокон в воздухе. Такие фенотипические изменения не передаются по наследству, но отражают способность к адаптивным модификациям.

 

Рис. 3.23. Мутация Lactobacillus сasei, приводящая к уменьшению сложности пищевых потребностей. Кружок в верхнем положении - мутант (неустойчивый тип) - означает, что бактерии нуждаются в соответствующем веществе для роста. Мутантам требуется для роста на 5 видов веществ меньше, чем дикому типу, они, однако, нестабильны и при выпадении селекционного фактора происходит процесс "обратной мутации" к потребности шестнадцатисоставного питательного вещества (нижняя часть схемы). Реверс является в данном случае признаком того, что снижение потребности в питании может иметь, тяжелые последствия для развития бактерии.

Рис.3.24. Отношения "фаг - хозяин у Azotobacter. Если клетка бактерии инфицируется фагом, то это может иметь одно из двух последствий: либо фаги размножаются в клетке-хозяине, пока они не растворится, либо фаговая субстанция остается экстрахромосомной ДНК в клетке-хозяине и вызывает тем самым конверсию. Во втором случае изменяются свойства клетки-хозяина, например, внешний вид. фаговая субстанция может и дальше увеличиваться и стать причиной лизиса. При делении клетки-хозяина фаг может утратиться. И тогда клетка принимает первоначальный вид. (По THOMPSON и др., 1980 сокр).

Рис. 3.25. Снимок Azotobacter vinelandii, сделанный с помощью электронного микроскопа. А - нормальная клетка-хозяин, В - вид клетки-хозяина после приема фагов. (Вирусология, с. 102, 1480, с разрешения редакции)