Mikrobiologia_metodichka / 22 Методичка рус ГЕНЕТИКА для студ

8

Методическое указание для студентов к практическому занятию № 22

Тема: Генетика микроорганизмов.

Цель: Ознакомление с генетическими методами исследований и их практическим использованием в микробиологии и биотехнологии.

Модуль 1. Морфология и физиология микроорганизмов. Инфекция.

Иммунитет.

Содержательный модуль 4. Генетика микроорганизмов. Эволюция и классификация микроорганизмов.

Тема занятия 22. Генетика микроорганизмов.

Актуальность темы. Учение о наследственности и изменчивости организмов было основано Ч.Дарвином в 1859г.

Генетика микроорганизмов составляет основу молекулярной биологии. Наиболее важные проблемы молекулярной генетики изучаются на микроорганизмах.

Ядерные структуры бактерий имеют характерное морфологические признаки, отличающее их от ядер эукариотических клеток; их образуют так называемые хроматиновые тельца или нуклеотиды, лишенные оболочки и включающие в себя почти всю ДНК бактерий. Ядерные структуры можно наблюдать в фазово-контрастный микроскоп, где они выглядят как менее плотные участки цитоплазмы.

Изменчивость микроорганизмов подразделяют на:

1) ненаследственную (модификационную);

2) наследственную, вызываемую мутациями и генетическими рекомби-нациями генов.

Модификация - это изменчивость, которая вызвана действием факторов внешней среды и не оказывающая влияния на развитие. Например, дефицит кальция в среде вызывает повышенное спорообразование и слизистый рост у бактерий сибирской язвы. Уменьшение количества кислорода снижает степень пигментации и увеличивает число гладких колоний у микобактерий туберкулеза.

Изменения, появляющиеся в результате модификации, могут быть стабильными и лабильными. В ряде случаев признаки, индуцированные факторами внешней среды, могут сохраняться в течение нескольких поколений.

Под влиянием неблагоприятных условий существования отдельные виды бактерий претерпевают глубокие изменения с формированием своеобразных мелких колоний (L-колоний) с темным плотным центром и более рыхлой периферией. L-формы бактерий возникают в результате нарушения синтеза клеточной стенки, например при воздействии на культуру пенициллина, иммунной сыворотки, фага, химических веществ и др. неблагоприятных факторов. L-формы колоний могут быть стабильными. В ряде случаев они реверсируют в исходные; такие переходы наблюдаются у микобактерий туберкулеза, стафилококков, холерных вибрионов и др.

Наследственная изменчивость. В клетках бактерий содержится два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, у вирусов только один тип – или ДНК, или РНК. Основную генетическую функцию у бактерий выполняет ДНК. У бактерий также есть цитоплазматические наследственные детерминанты в виде небольших молекул ДНК (внехромосомные молекулы ДНК), которые называют плазмидами. Плазмиды несут от 40 до 50 генов и выполняют регуляторные и кодирующие функции. Первые направлены на компенсацию метаболических дефектов, вторые наделяют бактерии определенными свойствами (токсигенностью – tox-плазмида, резистентностью к антибакте-риальным препаратам – R-плазмида и др.).

Наследственная изменчивость у бактерий осуществляется в результате изменения генетических структур.

Единицей наследственности является ген, который представляет собой участок ДНК, в котором зашифрована последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Гены бывают структурные, регуляторные и гены-операторы. Структурный ген обуславливает синтез определенного белка. Регуляторные гены определяют синтез белковой молекулы, которая регулирует деятельность структурных генов. Гены-операторы служат посредниками между регуляторными и структурными генами. Участок хромосомы, который объединяет ген-оператор и структурные гены называется опероном.

Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные определять свой собственный перенос от одной хромосомы к другой, либо между хромосомой и плазмидой. Простейшим видом мигрирующих элементов являются инсерционные последовательности (IS – элементы). Содержат только гены, необходимые для их собственного перемещения. Транспозоны – (Tn – элементы)содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены и два IS – элемента.

Наследственная изменчивость у бактерий проявляется в виде мутаций и рекомбинаций.

Мутации – изменения в первичной структуре ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков (стойкие наследственные изменения свойств микроорганизма, не связанные с рекомбинационным процессом). В их основе лежат ошибки копирования наследственной информации, возникающие при репликации. Мутации подразделяют на спонтанные (возникают случайно под влиянием внешних факторов) и индуцированные (появляются вследствие обработки микробной популяции мутагенными агентами, такими как радиация, температура, химические факторы и др.). Частота спонтанных мутаций у бактерий находится в пределах 1х10^-12 – 1х 10^-5.

Генетические рекомбинации к этой группе изменчивости относятся рекомбинации генов, которые возникают вследствие трансформации, трансдукции и конъюгации. Генетические рекомбинации бактерий и вирусов обуславливают возникновение рекомбинантов, у которых имеются признаки обоих родителей: основной набор генов реципиента и определенная часть генов донора.

Трансформация – это передача генетического материала от донора реципиенту при помощи изолированной ДНК. Успех трансформации зависит от двух составляющих – компетентности реципиента и качественных свойств трансформирующей ДНК.

«Компетентность» - особое состояние реципиента, при котором он способен воспринимать донорскую ДНК – зависит от присутствия в мембране специальных белков, имеющих сродство с ДНК.

К качественным характеристикам трансформирующей ДНК относят: гомологичность, наличие двойной спирали ДНК, значительная молекулярная масса (более 10⁷Д).

Трансдукция - это передача генетического материала от донора до реципиента с помощью умеренных фагов. Так, например, с помощью фага можно воспроизвести трандукцию жгутиков, ферментативные свойства, устойчивость к антибиотикам, токсигенность и др. Механизм трансдукции: в процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшие фрагменты ДНК бактерий-доноров встраиваются в геном фага, который переносит их в бактерии-реципиенты. Различают 3 типа трансдукции: генерализованную (общую), специфическую и абортивную. При общей трансдукции происходит перенос любого маркера или нескольких маркеров. При специфической трансдукции передается тесно сцепленная группа генов, контролирующая утилизацию галактозы, и не передаются гены, детерминирующие утилизацию других углеводов, способность синтезировать аминокислоты, чувствительность к антибиотикам и др. Для абортивной трандукции характерной особенностью является то, что внесенный фагом фрагмент нуклеотида не включается в нуклеотид реципиента; он локализуется в цитоплазме и при делении передется только одной дочерней клетке, вторая клетка содержит генетический аппарат реципиента.

Конъюгация - это передача генетического материала от одной клетки другой путем непосредственного контакта (напоминает редуцированный половой процесс). При коньюгации происходит односторонний процесс переноса генетического материала от донора реципиенту. Необходимым условием для коньюгации должно быть наличие у донора специфического фактора плодовитости (фактора фертильности), обозначаемого F. У грамотрицательных бактерий обнаружены половые (F-пили) волоски, контролируемые F – фактором. Через F-пили при коньюгации происходит перенос генетического материала. При коньюгации происходит перенос не всего нуклеотида, а лишь определенных его частей.

Конкретные цели:

1. Определить, чем представленный генетический аппарат бактерий.

2. Определить понятие “изменчивость”.

3. Определить факторы изменчивости.

4. Выучить виды изменчивости.

5. Определить значение опытов трансформации, трансдукции и конъюгации.

Уметь:

1. Правильно определять виды побежалости.

2. Отличать понятие “донор”, “реципиент”.

3. Отличать понятие “вирулентный и воздержанный фаги”.

Теоретические вопросы:

1. Чем представлен генетический аппарат микробной клетки.

2. Формы изменчивости бактерий.

3. Понятия рекомбинация, трансформация, трансдукция и конъюгация.

4. Материальные основы наследственности у бактерий. Хромосомные и позахромосомные факторы. Плазмиды, классификация.

5. Мутации, спонтанные и индуцированные. Генез мутаций.

6. Значение генетики бактерий в теории и практике, в биологии и медицине.

Практические задачи, которые выполняются на занятии:

1. Студенты ставят опыты трансформации, трансдукции и конъюгации.

2. Запись в альбом результатов проведенных опытов трансформации, трансдукции и конъюгации.

Литература:

1. Воробьев А.В., Биков А.С., Пашков Э.П., Рыбакова А.М. Микробиология.- М.: Медицина, 1998.- 336с.

2. Пяткін К.Д., Кривошеїн Ю.С. Микробиология с вирусологией и иммунологией.- Киев.: Высшая шк., 1992.- 431с.

3. Медицинская микробиология /Под ред. В.И. Покровского.- М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001.- 768с.

4. Конспект лекции.

Короткие методические указания к работе на практическом занятии:

В начале занятия проводится проверка уровня подготовки студентов к занятию. Самостоятельная работа состоит из постановки опытов трансформации, трансдукции и конъюгации. В состав самостоятельной работы входит зарисовка демонстрационных препаратов.

В конце занятие проводится тестовый контроль и анализ результатов самостоятельной работы каждого студента.

Технологическая карта проведения практического занятия

№ г/п	Этапы	Время, мин.	Средства обучения	Оборудование	Место проведения
1.	Проверка и коррекция исходного уровня подготовки к занятию	20	Тестовые задачи исходного уровня	Таблицы, чашки с демонстрацией опытов.	Учебная комната
2.	Самостоятельная работа	35	Графы логической структуры
3	Самопроверка и коррекция усвоения материала	15	Целевые учебные задачи
4	Тестовый контроль	15	Тесты
5	Анализ результатов работы	5

Алгоритм лабораторной работы:

1. Особенности генетического аппарата бактерий и вирусов.

2. Побежалости микроорганизмов.

3. Понятие о доноре и реципиенте.

4. Определение понятия трансформации, трансдукции и конъюгации.

5. Постановка опытов трансформации, трансдукции и конъюгации.

6. Оформление протокола.

Целевые учебные задачи:

1. На занятии студенты проводили опыт, в процессе которого смешивали ДНК S. aureus, обладающий резистентностью к стрептомицину с культурой S. aureus, который не обладает этом фактором. В результате была получена культура бактерий, резистентностная к стрептомицину. Как называется это явление?

A. трансформация;

B. трансдукция;

C. конъюгация;

D. мутация;

E. модификация.

2. Какие компоненты необходимо получить студентам для проведения опыта трансдукции?

A. ДНК донора и культуру клеток реципиента;

B. культуру клеток реципиента и культуру клеток донора;

C. культуру клеток реципиента, культуру клеток донора и вирулентный фаг;

D. культуру клеток реципиента, культуру клеток донора и умеренный фагфаг;

E. ДНК донора, культуру клеток реципиента и умеренный фаг.

3. В опыте трансдукции внесенный бактериофагом фрагмент ДНК не встроился в генофор реципиента и остался в цитоплазме. При делении клетки он передался только одной из дочерних клеток. Как называется этот тип трансдукции?

A. специфическая;

B. неспецифическая;

C. незавершенная;

D. абортивная;

E. -.

4. Процесс переноса наследственного материала от донора реципиенту при помощи фага называется:

A. трансдукция;

B. коньюгация;

C. реверсия;

D. трансформация;

E. преобразование.

5. Наиболее примитивный способ передачи генетической информации:

A. деление клетки;

B. трансформация;

C. трансдукция;

D. преобразование;

E. коньюгация.

6. Возбудитель дифтерии может приобрести токсигенные свойства путем:

A. лизогенной конверсии;

B. трансформации;

C. транслокации;

D. коньюгации;

E. все выше перечисленное.

7. Бактерии являются довольно простыми генетическими единицами со всеми указанными свойствами, КРОМЕ:

A. они гаплоидны;

B. их генетический материал организован в единую хромасому;

C. содержат только один тип нуклеиновой кислоты;

D. они используют тот же генетический код, что и эукариоты;

E. их генотипы и фенотипы одинаковы.

8. Передача генетического материала от донора реципиенту при помощи изолированной ДНК определяется как:

A. сопряжение;

B. трансдукция;

C. трансформация;

D. коньюгация;

E. конверсия.

9. Процесс передачи генетической информации, напоминающий редуцированный половой процесс, определяется как:

A. трансформация;

B. деление;

C. трансдукция;

D. лизогония;

E. коньюгация.

10. Плазмиды ответственны за:

A. деление бактерии;

B. дыхание бактерии;

C. метаболизм;

D. устойчивость к антибиотикам;

E. все выше перечисленное.