Генетика микроорганизмов в микробиологии

Что такое генетика микроорганизмов

Генетическая инженерия — это то, на чем специализируется данная подотрасль, рекомбинация генов в ДНК и ДНК-технологии также входят в сферу изучения генетики микроорганизмов.

Изучение генотипа и системы экспрессии и регрессии также является отраслью генетики. Клонирование — результат генетики микроорганизмов и генной инженерии.

Может фокусироваться на работах Чарльза Дарвина, и ученые продолжают изучать его работы и теории с помощью микробов. В частности, в качестве источника используется теория естественного отбора. Изучают эволюцию с помощью генетики микроорганизмов. Примеры — естественный отбор или дрейф микробов.

Методы изучения генетики

Основные этапы таковы:

1. ДНК, выделенная из организма, в котором известен интересующий ген, разрезается на части размером с ген с помощью ферментов рестрикции.
2. Бактериальные плазмиды разрезаются тем же ферментом рестрикции.
3. ДНК размером с ген и разрезанные плазмиды объединяют в одной пробирке. Часто плазмида и кусок ДНК размером с ген отжигают друг от друга, образуя рекомбинантную плазмиду (рекомбинантную ДНК).
4. Рекомбинантные плазмиды переносятся в бактерии с помощью электропорации или теплового шока.
5. Бактерии размножают и дают им вырасти в колонии. Все колонии на всех пластинах называются библиотекой генов.
6. Библиотеку генов проверяют, чтобы выявить колонию, содержащую интересующий ген, по одному из трех признаков: 1) последовательность ДНК интересующего гена или очень похожего гена; 2) белок, кодируемый интересующим геном; 3) ДНК-маркер, расположение которого было картировано рядом с интересующим геном.
7. Гены устойчивости к антибиотикам естественным образом присутствуют в бактериальных плазмидах, используемых для клонирования генов. Наличие признака устойчивости к антибиотикам позволяет генным инженерам отсеивать бактерии, которые не были трансформированы (не являются рекомбинантными и не могут содержать интересующий ген). Именно поэтому некоторые трансгенные растения обладают устойчивостью к антибиотикам и являются источником споров для тех, кто выступает против генной инженерии.

Микроорганизмы — самые многочисленные и разнообразные формы жизни на Земле, их количество оценивается от миллионов до триллионов видов; однако лишь небольшой процент из них был идентифицирован, не говоря уже о секвенировании. Из ~400 000 штаммов микроорганизмов, для которых доступны данные секвенирования, большинство геномов являются неполными, что отражает проблемы, связанные со старыми технологиями секвенирования с коротким прочтением. Сочетая возможность секвенирования фрагментов ДНК или РНК любой длины с доступными портативными и настольными устройствами и получением результатов в режиме реального времени, исследователи используют масштабируемую нанопоровую технологию для полной характеристики микробного разнообразия для широкого спектра приложений.

Молекулярные маркеры определяются как фрагменты последовательности ДНК, связанные с геномом, которые используются для идентификации определенной последовательности ДНК. С бурным ростом генетических исследований и классификации бактерий, молекулярные маркеры являются важным инструментом для идентификации бактериальных видов.

Особенности

С момента открытия микроорганизмов Робертом Гуком и Антони ван Левенгуком в период 1665-1885 годов они использовались для изучения многих процессов и нашли применение в различных областях генетики. Например: быстрые темпы роста микроорганизмов и короткое время генерации используются учеными для изучения эволюции. Открытия Роберта Гука и Антони ван Левенгука включали изображения, наблюдения и описания микроорганизмов. Мукор — это микрогриб, который представил и описал Гук. Его вклад заключается в том, что мукор стал первым микроорганизмом, который был проиллюстрирован.

Вклад Антони ван Левенгука в изучение микроскопических простейших и микроскопических бактерий привел к научным наблюдениям и описаниям. Этот вклад был сделан с помощью простого микроскопа, что привело к пониманию микробов сегодня и продолжает развивать понимание ученых. Генетика микроорганизмов также находит применение в изучении процессов и путей, схожих с человеческими, например, метаболизма лекарств.

Бактерии, грибы, простейшие, водоросли, вирусы и археи — вот основные группы, на которые делятся эти микроорганизмы, которые можно увидеть только под микроскопом.

Бактерии

Бактерии — это одноклеточные микроорганизмы длиной до нескольких микрометров. Это одна из самых ранних форм жизни, обитавших на Земле. Они существуют на нашей планете около 3,5 миллиардов лет и классифицируются по форме. Бактерии присутствуют практически везде — в воздухе вокруг нас, в почве, в воде, даже в нашем теле (во рту и желудке), и эти бактерии необходимы для жизни на Земле.

Структура нуклеиновых кислот ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) — это полимеры нуклеотидов, соединенных в цепь фосфодиэфирными связями. В биологических системах они служат молекулами-носителями информации или, в случае некоторых молекул РНК, катализаторами. Нуклеотиды (строительные блоки нуклеиновых кислот) имеют характерную структуру, состоящую из трех компонентов, ковалентно связанных между собой:

• 5-углеродного сахара — рибозы или дезоксирибозы;
• азотистого основания — пиримидина (одно кольцо) или пурина (два кольца);
• фосфатной группы.

Сочетание основания и сахара называется нуклеозидом.

Нуклеотиды также существуют в активированных формах, содержащих два или три фосфата, называемых нуклеотидными дифосфатами или трифосфатами. Если сахар в нуклеотиде — дезоксирибоза, то нуклеотид называется дезоксинуклеотидом; если сахар — рибоза, то используется термин рибонуклеотид.

ДНК состоит из повторяющихся нуклеотидов, содержащих основания аденин =A, тимин =T, цитозин =C и гуанин =G; фосфатную группу и сахар дезоксирибозу. Основания встречаются в специфических комплементарных парах оснований, водородные связи которых соединяют нити ДНК: аденин с тимином, а цитозин с гуанином. Пары оснований GC имеют три водородные связи, а пары оснований A-T — две водородные связи.

РНК обычно одноцепочечные, и в них образуются пары оснований A-U и G-C.

Геном бактерий

Хромосомы — это клеточные структуры, состоящие из генов, которые несут наследственную информацию. Ген — это не просто участок ДНК, это определенная последовательность нуклеотидов, которая кодирует функциональный продукт, обычно белок. Вся генетическая информация в клетке является геномом. Геном организма можно определить как общее содержание ДНК в клетке, и как таковой он содержит всю генетическую информацию, необходимую для управления ростом и развитием организма. У прокариот большую часть генома (85-90 %) составляет неповторяющаяся ДНК, то есть в основном кодирующая ДНК, а некодирующие области занимают лишь небольшую часть. В бактериях мало повторяющейся ДНК, как это наблюдается у высших эукариот. Относительно небольшой размер бактериальных геномов, а также тот факт, что они содержат очень мало некодирующей или повторяющейся ДНК и не содержат интронов, сделали бактериальные геномы идеальными кандидатами для проектов секвенирования целых геномов.

Грибы

Дрожжи и плесень — это некоторые организмы, принадлежащие к семейству грибов. По своей природе они являются гетеротрофами, что означает, что их питание зависит от другого организма. Грибы могут быть как многоклеточными, так и одноклеточными организмами. Выделяют ферменты в окружающую среду, чтобы расщеплять органические вещества. Грибная генетика использует дрожжи и нитчатые грибы в качестве модельных организмов для генетических исследований эукариот, включая регуляцию клеточного цикла, структуру хроматина и регуляцию генов.

Простейшие

Простейшие — это одноклеточные микроорганизмы, принадлежащие к эукариотам. Эти одноклеточные микроорганизмы питаются органическими веществами, поэтому питаются другими микроорганизмами, тканями и другими органическими веществами. Питаясь органическими веществами, эти одноклеточные организмы, простейшие, проявляют паразитическое поведение. Имеют ядра и ультрамикроскопические клеточные тела в цитоплазме. Одним из аспектов простейших, представляющих интерес для генетиков человека, являются их жгутики, которые очень похожи на жгутики сперматозоидов человека.

Строение парамеции

Источник: krugosvet.ru

Водоросли

Эти микроорганизмы автотрофны по своей природе, то есть, как и растения, они используют фотосинтез для приготовления пищи и не зависят от других организмов. Они содержат в клетке хлорофилл, который необходим для процесса фотосинтеза, поэтому эти водоросли обычно имеют зелено-голубой цвет. В семейство водорослей входят как одноклеточные организмы, такие как хлорелла, так и многоклеточные, например гигантская ламинария (вырастает до 50 м в длину).

Вирусы

Вирусы — это кодирующие капсид организмы, состоящие из белков и нуклеиновых кислот, которые могут самособираться после репликации в клетке-хозяине с помощью механизма репликации хозяина. В науке существуют разногласия по поводу того, являются ли вирусы живыми из-за отсутствия у них рибосом. Понимание вирусного генома важно не только для изучения генетики, но и для понимания их патогенных свойств. Они настолько малы, что их едва можно разглядеть под микроскопом.

Вирусы — это кодирующие капсид организмы, состоящие из белков и нуклеиновых кислот, которые могут самособираться после репликации в клетке-хозяине с помощью механизма репликации хозяина. В науке существуют разногласия по поводу того, являются ли вирусы живыми из-за отсутствия у них рибосом. Понимание вирусного генома важно не только для изучения генетики, но и для понимания их патогенных свойств.

Многие типы вирусов способны к генетической рекомбинации. Когда два или более отдельных вирусов одного типа заражают клетку, их геномы могут рекомбинировать друг с другом, чтобы получить потомство рекомбинантного вируса. Рекомбинации могут подвергаться как ДНК-, так и РНК-вирусы. Когда два или более вирусов, каждый из которых содержит летальные геномные повреждения, заражают одну и ту же клетку-хозяина, геномы вирусов часто могут объединяться друг с другом и подвергаться гомологичной рекомбинационной репарации для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс известен как множественная реактивация.

Ферменты, участвующие во множественной реактивации, функционально гомологичны ферментам, участвующим в рекомбинационной репарации бактерий и эукариот. Было установлено, что реактивация множественности происходит с патогенными вирусами, включая вирус гриппа, ВИЧ-1, реовирус, полиовирус и вирус простого герпеса, а также с многочисленными бактериофагами.

Археи

Археи относятся к семейству прокариот, поскольку эти одноклеточные микроорганизмы не имеют клеточного ядра. По размеру археи похожи на бактерии, но у них очень четкая форма — плоские и квадратные клетки. Это прокариотические, одноклеточные организмы, которые, как считается, появились 4 миллиарда лет назад.  У них нет клеточного ядра или каких-либо других органелл внутри клетки. Археи размножаются бесполым путем в процессе, известном как бинарное деление. Цикл клеточного деления включает в себя репликацию хромосом дочерних клеток. Поскольку у архей хромосомы имеют единичную структуру, две дочерние клетки разделяются, и клетка делится. Археи обладают подвижностью, в том числе с помощью жгутиков, которые представляют собой хвостоподобные структуры. Хромосомы архей реплицируются из разных источников репликации, в результате чего образуются две гаплоидные дочерние клетки. Они имеют общего предка с бактериями, но по сравнению с бактериями более близки к эукариотам. Некоторые археи способны выживать в экстремальных условиях, что приводит к множеству применений в области генетики. Одно из таких применений - использование архейных ферментов, которые лучше переносят суровые условия in vitro.