Бактериялардың генетикасы

Барлық организмдер өздерінің ата – тектеріне ұқсас болады. Ал микроорганизмдер де осындай жалпы биологиялық заңдылыққа бағынады. Бұл әрине ұрпақтан сол ата-тектеріне тән ерекше құрылысымен қасиетін сақтау және оларды ұзақ уақыт бойына тұрақтандыру болып табылады, яғни басқаша айтқанда тұқым қуалаушылық. Тұқым қуалаушылық белгілердің ұрпақтан-ұрпаққа берулуін және оның заңылықтарын зерттейтін ғылым-генетика болып табылады.

Организмде болатын эволюцияның басты факторлары: өзгергіштік бейімдеушілік (адаптация), тұқым қуалаушылық және тіршілік үшін күресте жеңіп шығу болып табылады.

Организмді қоршаған ортаның өзі өзгеріп құбылып тұтратындықтан, мұнда тіршілік ететін микроорганизмдер біраз бекіп, ұрпақтан – ұрпаққа біріліп отыруы үшін, орта жағдайлары да бір шама тұрақты болуы мүмкін. Мұның өзі микроорганизмдердің жаңа ортаға бейімделуін талап етеді.

Л. Пастер өз еңбектеріне организмнің тіршілік ортасын өзгерте отырып, ондағы пайдалы қасиеттерді ұзақ уақыт жоғалтпай, сақтап қалуға болатынын дәлелдеді. Қазіргі кезде микроорганизмдер клеткасының құрылысы біршама жақсы зерттелді.

Оның тұқым қуалаушылық қасиеті клеткада болатын дезоксирибонуклеин қышқылына (ДНК) тікелей байланысты екені анықтайды. Ол клеткада сақина тәрізді көмкерілген жіпшелерден тұратыны да дәлелденеді. Бұл жіпшелерді бактериялар хромосомалары деп атайды. Хромосомдарда жеке бөлшектер болады. Оны ген деп атайды. Міне осы ген клеткадағы болып жатқан барлық процестерге жауапты және ол микроорганизмдердің тұқым қуалаушылығын анықтайды. Әрбір тұқым қуалашылық касиетті оның гені бақылайды. Ал гендердің жинағы – микроорганизмдергеномын құрайды. Қазіргі кезде генетикалық заттардың шоғырланған жері эукорит клеткаларда нуклеотидтер болып есептеледі.

Бактериялар ядросында ДНК мыңға жуық болады және олардың әрқайсысының ұзындығы түрліше болуы мүмкін. Клеткада болатын гендер тобын өзара байланыстырып ұстап тұру үшін, ДНК бір сызық бойымен, тізбектеле орналасуы керек. Мәселен бактериялар ДНК-сы молекуларының ұзындығы 56-58 микрон. Осындай ірілігіне қарамай ДНК молекуларының құрылысы қарапайым. Олар бұраста жасалған басқыш тәрізді, өз ара байланысқан екі тізбектен құралады. Осы тізбектің ішкі жағында – пурин және пиримидиннен құралған азотты негіздер болады. Ал шеттері фосфорлы – көміртегіндік қосылыстармен көмкерілген.

Генетикалық зерттеулер микроорганизмдердің нақты белгілері ферменттер көмегімен жасалатынын анықтады. Сонда әр ген ерекше ферменттің түзілуін анықтайды, яғни бір химиялық реакцияның, барысын бақылайды. Ал бұл реакцияны тиісті фермент атқарады.

Тұқым қуалаушылық белгі микроорганизмдердің бір ұрпағынан екінші ұрпаққа, әр клеткадағы нуклеитидтерде болатын гендер арқылы беріледі. Геннің ішіндегі белгі көрінісі ерекше белок – фермент құрауға қолданады. Фермент – микроорганизмдегі бір бөлігінің химиялық негізін құрайды. Сайып келген де барлық тұқым қуалаушылық белгі биохимиялық процестердің ақырғы өнімі болып есептеледі.

ДНК молекуласының құрылысын үстіміздегі ғасырдың 50- жылдарында американдық ғалымдар Уотсон мен Креек ашқан болатын.

Микроорганизмдер клеткасында гендердің толық жиынтығы болса, осы микроорганизмнің генотипі болып есептеледі. Ал жеке организмде тұқым қуалаушылықтықтың морфологиялық белгілері мен физиологиялық процестері белгілі болса, ол фенотип деп аталады. Генотипі жөнінен бір-біріне өте жақын микробтардың фенотипі жағынан бір-бірінен айырмашылық модификация деп атайды. Сонда генотиптің сыртқы ортамен әрекетінен барып фенотиптегі айырмашылықтар пайда болуы мүмкін. Бірақ бұл айырмашылықтардың ерекшелігін организмдегі генотип әрдайым бақылап отырады. Модификация құбылысы, оны туғызған ерекше сыртқы орта жағдайлары әрекет етіп тұрғанда ғана бөлінеді. Олар ұрпақтан – ұрпаққа берілмейді, яғни тұқым қуаламайды. Мәселен, жіпшелері бар бактерияларды фенолмен өңдегенде жіпшелер өспей қалады. Бірақ олардың ұрпағын фенолсыз қоректік ортада өсіргенде бұрынғысынша бірқалыпты жіпшелер пайда болған.

Қазіргі кезде микроорганизмдердің морфологиялық және физиологиялық белгілері солардың клеткасындағы ДНК-да орналасқан гендердің толық бақылауында болатыны анықталып отыр.

Микроорганизмдердің тұқым қуалаушылығындағы кенет өзгерісті – мутация деп атайды. Ол латынның Mytatio – өзгеріс деген сөзінен шыққан. Бұрын ғылымда ұрпақтан ұрпаққа берілетін тұқым қуалашылық өзгерістерінің барлығы дерлік мутацияға жатады деген пікір басым болды. Қазір мутацияға хромосомдар структурасында және олардың химиялық құрамында болатын молекула дәрежедегі өзгерістерді жатқызады.

Бұл өзгерістер морфологиялық қасиеттердің өзгеруіне, демек зат алмасуының қажетті бөлімінің өзгеруіне әкеліп соқтырады. Мұндай өзгерістер сәуле энергиясы (ренген, ультракульгін сәулелер) түрлі химиялық заттардың арқасында генетика тілмен айтқанда мутагендер жатады. Мәселен, ультракүлігін сәулемен әсер ету арқылы пенициллум саңырауқұлағының жаңа формасы алынды. олар бастапқы формаға қарағанда пенициллинді мың есе артық түзеді. Сол сияқты ренген және басқа да күшті сәулелермен әсер етіп, мукор, ашытқыш саңырауқұлақтардың (ашытқылар), азотобактердің тұқым қуалаушылық қасиетіне берілетін және ол қасиеттер біржолата бекінген жаңа топтары алынды. 1963 жылы тек Жапонияның өзенінде ғана микробиологиялық жолмен 48000 тонна кристалл күйіндегі глютанин қышқылы өндірілді. Жалпы бақылауға көнетін химиялық немесе физикалық агенттердің көмегімен жүзеге асырылатын мутацияларды индукциялық мутация деп атайды. Алғаш рет 1825 жылы Г.А. Надсон мен Г.С.Филиппов ашытқылардың осындай мутантын алды.

Диссосация барысында микроорганизмдерді қатты қоректік ортада өсіргенде морфологиялық жағынан бір –бірінен айырмашылығы бар екі типті колония түзіледі.

1 S- типті (ағылшынша smoth – тегіс) – мөлдір, ептен шырышталған, ығалды және жиектері тегіс дөнгелек колониялар.

2 R-типті (ағылшынша – Rough – қыртысты) – құрғақтау, пішіні және шеттері тегіс емес, қатпарлы колониялар).

Диссоциация бактериялардың қолайсыз орта жағдайларына байланысты беретін жауабы деп түсіндіріліп жүр. Бұған орта қышқылдығы, температура, радиациялық әсерлер, мутагендік заттар әсері және т.б. жатады. Мәселен аэробты бактерияларды ет- пептонды сорпада өсіргенде, оның бет жағындағы бактериялар аса қолайлы жағдайда болса, түбіндегілріне қолайсыз.

Өзгергіштіктің мутациядан басқа да түрлері бар. Оған адаптация, яғни жаңа жағдайда микроорганизмдердің бейімделуі жатады. Бұл өзгерістер бейімделеушілікті қамтамасыз етіп қана қоймайды. Сонымен бірге қуашалыққа , өтіп онда бекиді.

Ал осы өзгерістерді туғызған жаңа жағдайлар микроорганизмдардің тіршілігі үшін ең қажетті факторға айналады. Бұған ауруларды емдеуге қолданылып жүрген антибиотиктерге төзімді микробтар тобының болуы айқын мысал бола алады.

Клеткадағы гендердің өзара алмасуы нәтижесінде микроорганизмдерде тұқым қуалайтын өзгерістерді алу үшін трансформация, трансдукция және коньюгация әдістерін қолдануға болады.

Трансформация кезінде ДНК бір клеткадан бөлініп шығып, екінші бактерия клеткасына енеді. Мұны қолдан жүзеге асыруға да болады. Мәселен, антибиотикке төзімді бактериялардан бөлініп алынған ДНК көмегімен антибиотикке шыдамсыз бактерияларға осы қасиетті беруге болады. Сонда басқа клеткаға енетін ДНК, оның болашақтағы тұқым қуалаушылық қасиетін анықтай алады екен.

Трансдукция немесе оны конверсия деп те атайды. Бұл бактериофаг көмегімен бактериалар клеткаларының бірінен екіншісіне генетикалық материалдардың ауысуы. Бактериофагтар енуі үшін бактериялар клеткаларын зақымдайды.

Қазір трансдукцияның басты-басты екі типі белгілі:

А) Жалпы немесе ерекше емес трансдукция :

Б) Локалданған яғни бір жерге жинақталған ерекше трансдукция. Бірінші жағдайда ДНК бөлшектерін бір клеткадан екінші клеткаға бір қалыпты фагтар тасымалдайды. Ал екінші жағдайда олар тек белгілі бір ғана гендерді екінші клеткаға жеткізеді.

Бактерияларда ген заттарының (ДНК) бір клеткадан екінші клеткаға цитоплазмалық көпіршелер арқылы берулуі де мүмкін. Сонда пайда болған клеткада ата-аналардың екеуінің де касиеті байқалады. Бұл құбылысты коньюгация деп атайды. Мұны ішек таякшасы клеткаларының бір- біріне жансуынан анық байқауға болады.

Зат алмасу барысында тұқым қуалаушылық қасиеті жоқ өзгерістерді де микроорганизмдерден байқауға болады.

Бұл клетканың жартылай зақымдануынан пайда болады да, ұрпақтан ұрпаққа беріледі. Мұны модификация өзгеріштігі деп атайды. Мәселен топалан микробы орташа температурасы 45о және одан да жоғарырақ болғанда спора түзуін тоқтатады, ал температура 35-37о болғанда спора түзу қайтадаг байқалады. Демек бұл қасиет тұқым қуалаушылыққа берілмеген, бекімеген қасиет болып есептеледі.

Индуциялық жолмен микроорганизмдің өзгерген формаларын алудын өнеркәсіп, ауыл шаруашылығы және медицина салалары үшін зор маңызы болып отыр. Мұнда көбінесе түрлі мутагендерді қолдана қасиеті пайдалы бағытта өзгерген микроорганизмдерді алу, еі негізгі бағыт болып саналады. Ондай мутанттарды бұрынғы ата-тегіне қарағанда бір затты (антибиотикті, амин қышқылдарын, витаминді т.б. ) ондаған және жүздеген есе көп береді.

Бактериялар плазмиді.

Хромосомнан тысқары орналасқан тұқым қуалаушылық заттарды ® плазмидтер деп атайды. Оларды хромосомға тәуелді емес екі шынжырлы сақина тәрізді әртүрлі молекулярлық массасы бар репликондық, яғни тәуелсіз түрде репликацияға қабілеті бар ДНК молекулары бар. Сонымен қатар плазмидтер коньюгация кезінде генетикалық материалды (F – плазмидтер) тасымалдаушы, антибиотикьерге, сульфаниламид препаратына төзімді (R- плазмидтер), түрлі уларды синтездеуге қабілеті бар ( Ent –плазмидтер) ішек таяқшалары ішек ұлпаларына бекуге қажетті фимбрийларды түзеуге қатысады. Барлық белгілі плазмидтерді коньюгативті және коньюгативті емес деп ажыратады. Коньюгативті плазмидтер коньюгация кезінде меншікті ДНК-ны донор клеткадан, рецепиент клеткаға тасымалдайды. Ал коньюгативті емес терінде мұндай қасиет болмайды. Коньюгативті плазмидтің молекулярлық массасы 26-дан 75-106 дейтін болса, коньюгатвті еместігі –10 × 106 артық емес. Кейбір плазмидтер, мәселен,- плазмид бактериялар клеткасында хромосомға тәуелсіз өз алдына тіршілік ете алады. Бір-біріне туыстас плазмидтер бір бактерия клеткасында тіршілік ете алмайды. Бұлардың осы қасиеті

Систематикалау кезінде қолданылады.

Плазмидтер бактерияларда кеңінен тараған. Оларды сыртқы ортада және иесінің организмде бактериялардың тіршілікке қабілеттілігін арттырушы деп қарастырады.Микроорганизмдер генетикасы практикада қолдану.

Тұқым қуалаушылық қасиеті өзгерген микроорганизмдердің жаңа формаларын алуда генетика жетістіктерін кеңінен қолдануға жол ашылып отыр. Әсіресе бұл тәсіл ауыл шаруашылығы өндірісінде, түрлі өнеркәсіптерде қолданылуда. Бұл әдістің негізгі бір тірегі әр түрлі заттармен, яғни мутагендермен (жарық және химиялық заттар) табиғатта кездесетін, жабайы микроорганизмдерге әсер ету арқылы жүзеге асады. әрине мол өнімді микроорганизмдердің штамдарын алу процесі оңай емес және бірнеше кезеңдерден тұрады. Алдымен микроорганизмдер культурасына мутаген заттармен әсер етеді де, одан әрі ең өнімді деген формаларды сұраптап алады.

Соңғы жылдары радияциялық және химиялық мутаген әдісімен өнеркәсіпте өнімді мол беретін (антибиотиктер, ферменттер, витаминдер бағалы тамақтық амин қышқылдары, өсуді қолданушы заттар) микроорганизмдердің көптеген формалары алынады. Бұл бағытта генетикалық инженерия әдісінің тұқым қуалаушылықты қайтадан құруға зор болашағы бар дей аламыз.