Что такое плазмиды бактерий
Что такое плазмиды бактерий
Внехромосомные факторы наследственности бактерий представлены плазмидами, вставочными последовательностями и транспозонами. Все они образованы молекулами ДНК, различающимися между собой по молекулярной массе, кодирующей ёмкости, способности к автономному реплицированию и др.
Плазмиды бактерии. Виды плазмид. Функции плазмид бактерий.
Плазмиды — фрагменты ДНК с молекулярной массой порядка 10 6
10 8 D, несущие от 40 до 50 генов. Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды.
• Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; в клетке может присутствовать несколько их копий.
• Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
• Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
Плазмиды выполняют регуляторные или кодирующие функции. Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его функций. Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
В соответствии с определёнными признаками, кодируемыми плазмидными генами, выделяют следующие группы плазмид:
F-плазмиды. При изучении процесса скрещивания бактерий оказалось, что способность клетки быть донором генетического материала связана с присутствием особого F-фактора [от англ. fertility, плодовитость]. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F»). В связи с этим можно указать, что сам термин «плазмида» был предложен для обозначения «полового» фактора бактерий (Джошуа Лёдерберг, 1952). F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. Встроенная в хромосому F-плазмида обеспечивает высокую частоту рекомбинации бактерий данного типа, поэтому их также обозначают как Hfr-плазмиды от англ. high frequency of recombinations, высокая частота рекомбинаций].
R-плазмиды [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам, хотя некоторые детерминанты устойчивости правильнее рассматривать как связанные с транспозонами [см. ниже]), а также к тяжёлым металлам. R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.
Неконъюгативные плазмиды обычно характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae). Они обычно имеют небольшие размеры (молекулярная масса примерно 1 — 10*10 6 D). Обнаруживают большое количество мелких плазмид (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве при клеточном делении. Неконъюгативные плазмиды могут быть также перенесены из клетки в клетку при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид. При конъюгации донор может передать и неконъюгативные плазмиды за счёт связывания генетического материала последних с конъюгативной плазмидой.
Плазмиды бактериоциногении кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. Многие плазмиды, кодирующие образование бактериоцинов, также содержат набор генов, ответственных за конъюгацию и перенос плазмид. Подобные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150*10 6 D), их довольно часто выявляют у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в количестве 1
2 копий на клетку. Их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.
Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox+-транспозоны (мигрирующий генетический элемент, см. ниже), кодирующие токсинообразова-ние. Нередко tox+-транспозоны кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом.
Скрытые плазмиды. Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.
Плазмиды биодеградации. Обнаружен также ряд плазмид, кодирующих ферменты деградации природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.
— Вернуться в оглавление раздела «Микробиология.»
Плазмиды бактерий, виды плазмид и их роль в детерминации патогенных признаков и лекарственной устойчивости.
Плазмиды — внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1—5 % ДНК хромосомы. Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней. Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую.
Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:
1) устойчивость к антибиотикам;
2) образование колицинов;
3) продукция факторов патогенности;
4) способность к синтезу антибиотических веществ;
5) расщепление сложных органических веществ;
6) образование ферментов рестрикции и модификации.
Термин «плазмиды» впервые введен американским ученым Дж. Ледербергом (1952) для обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными бактериями.
Некоторые плазмиды находятся под строгим контролем. Это означает, что их репликация сопряжена с репликацией хромосомы так, что в каждой бактериальной клетке присутствует одна или, по крайней мере, несколько копий плазмид.
Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать от 10 до 200 на бактериальную клетку.
Для характеристики плазмидных реплико-нов их принято разбивать на группы совместимости. Несовместимость плазмид связана с неспособностью двух плазмид стабильно сохраняться в одной и той же бактериальной клетке. Несовместимость свойственна тем плазмидам, которые обладают высоким сходством репликонов, поддержание которых в клетке регулируется одним и тем же механизмом.
Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами.
У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к лекарственным препаратам — антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей, Ent-плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина.
Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например возбудителей чумы, столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ — бактериоцинов, детерминируемых плазмидами бактериоциногении, и т. д. Существование множества других плазмид у микроорганизмов позволяет полагать, что аналогичные структуры широко распространены у самых разнообразных микроорганизмов.
Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства. Плазмиды являются удобной моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов. Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий
34) распространение микроорганизмов в окружающей среде. Понятие о микробных биоценозах. Экологические связи в микробиоценозах^ симбиоз, комменсализм, паразитизм.
Микроорганизмы распространены повсюду. Они заселяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и людей- экологические среды обитания микробов.
Выделяют свободноживущие и паразитические микроорганизмы. Всюду, где есть хоть какие- то источники энергии, углерода, азота, кислорода и водорода (кирпичиков всего живого), обязательно встречаются микроорганизмы, различающиеся по своим физиологическим потребностям и занимающих свои экологические ниши. Титаническая роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы.
Микроорганизмы в экологических нишах сосуществуют в виде сложных ассоциаций- биоценозов с различными типами взаимоотношений, в конечном счете обеспечивающих сосуществование многочисленных видов прокариот и различных царств жизни.
Все типы взаимоотношений микроорганизмов объединяются понятием симбиоз. Он может быть антогонистическим и синэргическим.
Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе.
Под круговоротом веществ в природе понимают циклы превращения химических элементов, из которых построены живые существа, происходящие вследствие разнообразия и гибкости метаболизма микроорганизмов.
Наибольшее значение для всего живого имеет обмен (кругооборот) углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора и железа. Этапы кругооборота различных химических элементов осуществляется микроорганизмами разных групп. Непрерывное существование каждой группы зависит от химических превращений элементов, осуществляемых другими группами микроорганизмов. Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемых микроорганизмами
Плазмиды: функции, строение, виды
Что такое плазмиды
Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (или ДНК) обычно представляют собой макромолекулы, и они обязательно присутствуют в клетках как многоклеточных, так и одноклеточных организмов. Прежде всего, они содержатся в хромосомах, которые находятся в клеточном ядре. Но ДНК не всегда присутствует исключительно в виде хромосом внутри клеточного ядра. ДНК может быть представлена и в форме плазмид. Размеры этих молекул значительно меньше в сравнении с макромолекулами ДНК, но особенность этих молекул не только в этом.
Плазмиды обычно представлены в виде двухцепочечных (как ДНК) кольцевых молекул, а размеры варьируются от нескольких сотен спаренных азотистых оснований (п.о.) до 400 тысяч пар оснований, а то и 600 тысяч п.о. В клетках могут быть как одна-две копии, так и десятки копий плазмид. В одной клетке возможно сосуществование плазмид разных классов. Учёными выяснено, что плазмиды способны осуществлять репликацию, но они не являются живыми организмами.
Функции плазмид
Главной функциональной особенностью плазмид является то, что в них содержатся особые гены, отвечающие за улучшение показателей приспособленности бактерий к внешним воздействиям и раздражителям. А ещё плазмиды могут передаваться от одних бактерий к другим (при условии, что эти самые другие “бактерии-реципиенты” были того же вида, того же рода и того же семейства, что и “бактерии-доноры”), и более того, могут передаваться из клеток бактерий в клетки растений, и наоборот.
Содержащиеся в хромосомах макромолекулы ДНК на такое не способны. Таким образом подтверждается механизм горизонтального переноса генов. Если проще, то посредством молекул плазмид может передаваться генетическая информация организму, не являющемуся потомком “материнского”. Наследственная передача генетической информации, соответственно, является вертикальным переносом генов. И такой механизм передачи генов используется учёными-генетиками и применяется, к примеру, в генной инженерии, но об этом будет упомянуто ниже.
Плазмиды могут попасть в другую клетку двумя способами. Первый способ заключается в том, что “материнская” клетка напрямую вступает в контакт с другой клеткой, после чего происходит однонаправленный перенос плазмид, содержащих в себе генетический материал; этот процесс называется конъюгацией. Второй способ заключается в захвате и поглощении экзогенных (то есть, существующих во внешней среде) молекул ДНК, и это называется трансформацией.
Если подытожить, то можно заключить, что плазмиды в ходе попадания из одной клетки в другую в результате конъюгации осуществляют одну из главных своих функций: горизонтально переносят генетическую информацию из клетки в клетку. Но это не единственная функция плазмид. Эти молекулы осуществляют синтез одних элементов и веществ и расщепление других.
Так, плазмиды синтезируют патогенные для отдельных бактерий и клеток вещества, такие как гемолизины (или гемотоксины), которые повреждают оболочку эритроцитов и приводят тем самым к их гемолизу (то есть, разрушению). Ещё плазмиды осуществляют синтез энтеротоксинов, вызывающих, к примеру, пищевое отравление у животных.
Результатом деятельности плазмид становится появление смертельных для других бактерий белков, они также создают антигены, заставляющие бактерии скапливаться в результате адгезии на поверхности клеток в организмах животных (включая человека). Что же касается расщепления, то плазмиды способны разрушать некоторые другие соединения, такие как камфоры, салициловая кислота, ксилолы.
Ещё одной особенностью плазмид является стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, а также тяжёлых металлов и антибиотиков. Поэтому нередко бактерии с плазмидами оказываются патогенными для организма человека.
Строение плазмид
Обыкновенная плазмида, способная к размножению, включает в себя ряд элементов. К таковым относят: точку начала репликации (указывается как ori), структурные гены репликации (rep), локус (точку расположения конкретного гена) генов, что ответственны за копийность (cop), гены, отвечающие за то, как будут распределены плазмиды в ходе деления “материнской” клетки в клетках-потомках (par), а также детерминанты, контролирующих поддержание определённого числа копий (ccd).
Есть также определённое трёхчастное строение плазмид. Каждая молекулы плазмид состоит из модулей. Первый – обязательный модуль, который при репликации копируется в дочернюю молекулу. Второй модуль называется модулем распределения, и он может включать систему распределения, а то и несколько таких систем. Третий модуль называется модулем переноса, и он присутствует у конъюгативных плазмид, соответственно, он играет определённую роль в процессе конъюгации.
Виды плазмид
Учёные выявили множество видов и типов плазмид. Многие из них получили своё название благодаря функциям, которыми отличаются те или иные плазмиды. Есть так назывемые F-плазмиды, или фертильные, занимающиеся контролем плазмид к репликации. R-плазмидами называют резистентные, то есть те, что придают бактериям устойчивость к воздействию антибиотиков.
Некоторые из плазмид называются (благодаря своим специфическим функциям) плазмидами патогенности. Бактериоциногенные, или B-плазмиды ответственны за синтез летальных для других бактерий белков и других веществ; при этом, отдельно за создание бактериоцина под названием колицин отвечают Col-плазмиды. Создание гемолизинов, которые также играют определённую роль в размножении плазмид, доверено Hly-плазмидам, а энтеротоксины синтезируются Ent-плазмидами.
Результатом деятельности Ti-плазмид становится возникновение опухолей в растительных организмах, Tol-плазмидами расщепляется толуол и ксилол. Отдельные плазмиды, отвечающие за распад камфоры (Cam-плазмиды), октана (Oct-плазмиды) и салицина (Sal-плазмиды), называются плазмидами деградации.
Роль плазмид
Как уже было указано ранее, плазмиды позволяют передавать генетическую информацию не только по наследству, но и просто похожим клеткам (растительным, архейным, бактериальным, грибным). Это активно используется современными учёными-генетиками в рамках генной инженерии.
И при помощи определённых специфических свойств (о которых также упоминалось выше), за которые могут отвечать отдельные типы и виды плазмид, плазмиды придают бактериям свойства устойчивости к воздействию лекарственных средств, дают им характер патогенов для тех или иных клеток или других бактерий. Иными словами, плазмиды могут влиять на вредоносность бактерий для организма.
Конъюгированные и неконъюгированные плазмиды
Способность плазмид передаваться из одной клетки в другую во время конъюгации иначе может называться трансмиссивностью. Этот фактор влияет на то, какими могут быть плазмиды. Они могут быть как конъюгированными (конъюгативными), так и неконъюгированными (неконъюгативными), или же трансмиссивными и нетрансмиссивными. Последние не могут самостоятельно запускать конъюгацию, и передача их осуществляется пассивно как половым методом, так и в ходе конъгации, которую могут запускать только конъюгативные плазмиды.
У конъюгированных плазмид есть особые гены, называемые tra-генами. Эти гены объединены в особые же группы, называемые tra-оперонами, а они, в свою очередь, осуществляют процесс переноса плазмидной ДНК из клетки в клетку. Tra-опероны синтезируют особые полые структуры на поверхности клеток, называемые половыми пилями. Клетка-реципиент (или бактерия-реципиент) цепляется за эти пили, после чего притягивается, а после этого участок, коснувшийся участка клетки-донора (или бактерии-донора) разрывается с помощью особого белка.
Передаваемая плазмида кодирует особый фермент, хеликазу, который расплетает ту часть ДНК, что будет перенесена в другую клетку (бактерию), и одним из концов эта самая ДНК переносится в реципиента. Другой конец передаваемой части плазмиды удлиняется, и постепенно восстанавливает ту часть ДНК, что переносится в реципиента.
Этот процесс происходит в обеих клетках (или в бактериях), и в доноре, и реципиенте: и там, и там плазмида вновь становится двухцепочечной. После завершения переноса ДНК разрыв в поверхности клетки-реципиента (бактерии-реципиента) восстанавливается, и реципиент может сам становиться донором, в том числе обретает способность с помощью перенесённой плазмиды отращивать половые пили.
Кстати, tra-опероны в процессе конъюгации также защищают клетку-реципиента от сцепления с половыми пилями других клеток и бактерий.
F-плазмиды фертильности
F-плазмиды, или плазмиды фертильности являются, пожалуй, главными среди разновидностей плазмид, и причина этого очевидна: они отвечают за репликацию. F-плазмиды осуществляют удвоение ДНК в плазмидах, осуществляют контроль за синтезом половых пилей. При конюгации клетка-реципиент получает F-плазмиды фертильности даже в случае, если ранее таковыми она не располагала, при этом F-плазмида может захватывать с собой и часть других генов. В некоторых случаях F-плазмиды могут быть и в составе хромосом.
Интересно, что попавшие в клетку-реципиента (или в бактерию-реципиента) F-плазмиды становятся HFR-плазмидами.
Плазмиды устойчивости
За устойчивость бактерий к антибиотикам отвечают R-плазмиды. R в их названии означает “резистентность”, но также это происходит от особых компонентов, что содержатся в них: фактора переноса устойчивости, или RTF-фактора, а ещё r-детерминантов (или детерминантов устойчивости).
Они отвечают за создание таких ферментов и веществ, что способны разрушать антибиотики при вступлении с ними в прямой контакт. Бактерии благодаря R-плазмидам могут провоцировать возникновение заболеваний, что попросту не поддаются лечению лекарствами и даже группами лекарств (сразу до десяти), а потому такие заболевания становятся более опасными для организма. На их опасность также влияет и тот факт, что R-плазмиды тоже относятся к конъгированным.
Плазмиды вирулентности
Другое название плазмид вирулентности, или Vir-плазмид – плазмиды патогенности. Как понятно из названия, этот тип плазмид тоже придаёт бактериям повышенную опасность для организма, они делают их, соответственно, вирулентными. К ним относятся такие плазмиды, как Ent-плазмиды, Hly-плазмиды, Tox-плазмиды (ответственны за формирование токсинов).
Деградирующие плазмиды
Ещё одна группа плазмид – это деградирующие, или плазмиды биодеградации. Как упоминалось ранее, к этой группе относятся те плазмиды, что осуществляют расщепление и разложение отдельных соединений и веществ (некоторые из этих веществ можно отнести ко ксенобиотикам), и отдельные плазмиды ответственны за разрушение одних веществ, другие плазмиды, соответственно, разрушают другие вещества.
Причём они расщепляют вещества не только природного происхождения, но и антропогенного. Так, некоторые бактерии способны расщеплять нефтепродукты, и это осуществляется тоже за счёт деградирующих плазмид. Кстати, что касается подобного рода бактерий, то в актуальное время учёные проводят исследования в области генной инженерии, и одна из целей этих исследований – попытка улучшить экологическую обстановку в водоёмах и в Мировом океане.
Также плазмиды деградации играют бактериям-носителям на пользу в плане селективного преимущества в той среде, в которой находится бактерия, будь то природная среда или другой организм.
Плазмиды Col
Col-плазмиды, как уже было упомянуто выше, попадают в группу бактериоциногенных плазмид, и данный вид плазмид производит особый бактериоцин под названием колицин. Особый он потому, что присутствует у конкретной патогенной бактерии, именуемой кишечной палочкой (научное название – Escherichia coli, или E. coli).
Вообще, бактериоцины в принципе оказывают негативное воздействие на показатели жизнедеятельности клеток, особенно на штаммы тех же видов, или на штаммы родственных. Бактериоцины являются белками, которые повреждают клеточные мембраны. Уровень активности определяют рецепторы у бактерий-носителей бактериоцинов. На сегодняшний день учёные определили существование более двухсот видов бактериоцинов.
Что касается колициногенных плазмид, то синтезируемый ими колицин не даёт другим бактериям размножаться и развиваться, но при этом для тех самых бактерий, что выделяют колицин, этот бактериоцин совершенно безвреден. Бактерии E. coli (кишечной палочки) выделяют колицин множества видов, названных по буквам латинского алфавита. Col-плазмиды тоже могут быть переданы другим бактериям при конъюгации, и обычно существуют без сцепления с хромосомой, но некоторые виды Col-плазмид могут быть интегрированы в бактериальные хромосомы.
Использование плазмид
Современная наука достаточно активно занимается исследованием плазмид, В частности, генетикам удалось создать искусственные плазмиды, которые особенно полезны в генной инженерии. Такие плазмиды становятся векторами, снабжёнными целевыми кодирующими областями, и затем их размножают в бактериальных клетках, а результатом становится синтез полезного белка.
Так, к примеру, вырабатывают инсулин, крайне необходимый для страдающих диабетом. Плазмиды полезны и в разработке новых лекарственных веществ и в синтезе новых вакцин, а также при создании биологически активных добавок, а вернее – в повышении производительности тех организмов, что могут эти добавки синтезировать. Так что в медицине плазмидам нашлось место.
Также, как уже упоминалось выше, плазмиды могут быть весьма полезны в биоремедиации. Так называется комплекс действий в вопросах очистки загрязнённой среды (почвы, воды, воздуха) с помощью жизнедеятельности живых организмов. И некоторые бактерии благодаря особым деградирующим плазмидам способны разлагать субстраты, которые в принципе трудно поддаются гниению.
Плазмиды и генная инженерия
Наконец, самая перспективная отрасль генетики – генная инженерия, и она тоже не может обойтись без плазмид. Так, искусственно созданные плазмиды можно сделать векторами в области клонирования генетической информации живых организмов. Способность к репликации даёт плазмидам в этом плане преимущество, поскольку так учёные могут обеспечивать возможность того, что рекомбинантная ДНК в клетке-доноре будет также размножаться.
Генная терапия также может рассчитывать на помощь плазмид, ибо в перспективе плазмиды могут синтезировать недостающие у пациента белки, а ещё плазмиды могут быть использованы как транспорт для генов, что кодируют инструменты для редактирования ДНК, в том числе для компонентов системы CRISPR-Cas. Этот инструмент на сегодняшний день является наиболее перспективным в вопросе борьбы с тяжёлыми заболеваниями, в том числе и наследственного характера, и адресного поступления лекарственных веществ тем или иным пациентом в каждом индивидуальном случае.