Розкішне волосся 

Механізми, що спричиняють зміни генетичної інформації. Класифікація мутацій щодо змін у кодуючій послідовності ДНК (заміни, вставки, делеції) Класифікація мутацій по локалізації в клітині

Спадкова інформація передається від одного покоління мікроорганізмів до іншого великою кількістю генів, що містяться в нуклеотиді кожної клітини. Інформація, що міститься в гені, зчитується і використовується для синтезу специфічного ферментного білка. Наявність цього ферментного білка створює хімічну основу прояви певного ознаки у мікроорганізму. У результаті всі спадкові ознаки мікроорганізмів є кінцевими продуктами біохімічних процесів, що однаково застосовується і до фізіологічних особливостей, і до морфологічних ознак.

Один ген може контролювати успадкування однієї ознаки або визначати кілька або багато ознак, що зачіпають різні частини клітини мікроорганізму. В інших випадках кілька генів можуть спільно контролювати прояв будь-якої ознаки. У бактеріальній хромосомі всі гени розташовані у лінійній послідовності. Гени певних ознак лежать у відповідних місцях хромосоми, які називаються локусами. Бактерії зазвичай гаплоїдні: вони мають лише один набір генів.

Повний набір генів, яким володіє клітина мікроорганізму, є генотип даного мікроорганізму. Прояв успадкованих морфологічних ознак і фізіологічних процесів в індивідуумів називається фенотипом (від грец. фаїно - виявляти, показувати). Подібні за генотипом мікроорганізми можуть істотно відрізнятися за фенотипом, тобто за способом прояву спадкових ознак. Фенотипові відмінності між мікроорганізмами, однаковими за генотипом, називаються модифікаціями (фенотиповими адаптаціями). Таким чином, взаємодія генетичних задатків із довкіллям може бути причиною виникнення різних фенотипів, навіть якщо генотипи ідентичні. Однак потенційний розмах таких фенотііческіх відмінностей контролюється генотипом.

Модифікації, як правило, існують до тих пір, поки діє специфічний фактор зовнішнього середовища, що викликав їх,-- вони не передаються нащадкам і не успадковуються ними. Так, обробка фенолом бактерій зі джгутиками перешкоджає розвитку джгутиків у цих організмів. Однак у потомства оброблених фенолом безжгутикових бактерій, вирощеного на середовищі без фенолу, утворюються нормальні джгутики.

Встановлено, що практично всі морфологічні та фізіологічні ознаки мікроорганізмів прямо чи опосередковано контролюються генетичною інформацією, укладеною в ДНК.

Інформація, яку несе ДНК, не є чимось абсолютно стабільним і незмінним. Якби інформація, що передається від одного покоління до іншого, не була здатна до зміни, то діапазон реакцій близькоспоріднених організмів на фактори зовнішнього середовища був би також постійним і будь-яка раптова їх зміна, що виявилася шкідливою для мікроорганізмів із застиглим генотипом, могло б призвести до зникнення виду . Отже, інформація, що передається від покоління до покоління, не є абсолютно стабільною, що є корисним для виживання виду.

Зміни генотипу, звані мутаціями (від лат. mutare - Змінювати), відбуваються спонтанно, тобто випадково. Такі мутації викликають різкі зміни одиничних генів, відповідальних за інформацію, що міститься в клітині. Як правило, рідкісні помилки реплікації ДНК не супроводжуються масованими змінами інформації, що залучають велику кількість різноманітних ознак. Однак у організмів розвинулися інші механізми, що сприяють виникненню у потомстві різко зміненої спадковості. Ці механізми полягають у поєднанні і зазвичай у негайній перетасовці (рекомбінації) генів, що належать близьким, але генотипно різним організмам. При генетичній рекомбінації в хромосому однієї мікробної клітини, яка є реципієнтом, вбудовуються фрагменти хромосоми мікроорганізму, що є донором.

У мікроорганізмів здатність до рекомбінації генів може бути представлена ​​у вигляді схеми.

В даний час у мікроорганізмів відомі три типи передачі ознак від донора до реципієнта: трансформація, кон'югація та трансдукція. мікроорганізм аеробний залізо сіль

Мутація (mutation): алель, що у популяції з частотою, що дорівнює або менше 1%. Причиною мінливості організмів є комбінаційна мінливість, а й мутації. Це такі зміни геному, які полягають або у появі нових алелів (їх називають генними мутаціями), або у перебудові хромосом, наприклад, у перенесенні шматочка однієї хромосоми на іншу (тоді їх називають хромосомними мутаціями), або змін генома (геномні мутації). Приклад геномної мутації – зміна числа хромосом у клітині. Окремі мутації з'являються рідко. Наприклад, генні мутації виникають приблизно в одному гені із сотень тисяч або навіть мільйона. Однак оскільки генів може бути досить багато, мутації роблять помітний внесок у мінливість. Про мутації розповідалося вище у зв'язку з ДНК, і у зв'язку з роботами Моргана. У Моргана ознакою мутації була якась морфологічна відмінність дрозофіли, яка успадковується. Воно показувало, що у генетичному матеріалі мутанта є відмінність від геному мух дикого типу. Звідки воно береться, питання спочатку не ставилося. Мутації - це стійкі зміни генотипу, що випадково виникли, що зачіпають цілі хромосоми, їх частини або окремі гени. Мутації можуть бути великими, добре помітними, наприклад, відсутність пігменту (альбінізм), відсутність оперення у курей (рис. 11), коротконогость та ін. Однак найчастіше мутаційні зміни - це дрібні, ледь помітні ухилення від норми. Термін "мутація" був введений в генетику одним із вчених, які перевідкрили закони Менделя, - Г.де Фрізом у 1901 р. (від латів. Мутатіо - зміна, зміна). Цей термін означав знову виниклі, без участі схрещувань, спадкові зміни. Як мовилося раніше, мутації ділять на генні мутації, хромосомні мутації і геномні мутації (рис. 118). Слід зазначити, що з хромосомних і геномних мутаціях у геномі немає нових генів; Власне, це деяке перетасовування старих генів. На перший погляд, було б логічніше віднести таку мінливість до комбінаційної мінливості. Однак, при визначенні статі поява в геномі зайвої Х-хромосоми може викликати радикальні зміни фенотипу. Тому історично склалася традиція відносити такі зміни геному до мутацій. Крім класифікації мутацій за способом виникнення їх класифікують і за іншими ознаками. 1). Прямі мутації – це мутації, що викликають відхилення від дикого типу. Зворотні мутації – це повернення до дикого типу. 2). Якщо мутації виникають у статевих клітинах, їх називають генеративними мутаціями (від лат. генератіо - народження), а якщо в інших клітинах організму - соматичними мутаціями (від грец. Сома - тіло). Соматичні мутації можуть передаватися потомству при вегетативному розмноженні. 3). За результатами мутації ділять на корисні, нейтральні та шкідливі (у тому числі стерильні, напівлетальні та летальні). Напівлетальні мутації - це шкідливі мутації, що сильно знижують життєздатність, але не загибельні, а летальні - що призводять до загибелі організму на тій чи іншій стадії розвитку. Стерильні мутації - це, які впливають життєздатність організму, але різко (часто до нуля) знижують його плодючість. Нейтральні мутації - це мутації, які змінюють життєздатність організму. Зазвичай ДНК точно копіюється під час реплікації і зберігається незмінною між двома послідовними реплікаціями. Але зрідка відбуваються помилки та послідовність ДНК змінюється – ці помилки називаються мутаціями. Мутація- це стійка спадкова зміна ДНК, незалежно від його функціональної значущості. Це визначення передбачає зміну первинної нуклеотидної послідовності, а зміни іншого роду, наприклад метилювання, зазвичай відносять до епігенетичних подій. Мутації в соматичних клітинах, можливо, викликають процеси старіння, рак та інші менш істотні зміни в організмі. Мутації у статевих клітинах батьків успадковуються дітьми. Уявлення про стійкість мутацій загалом залишається вірним, але відкриття динамічних мутацій, зумовлених збільшенням числа тринуклеотидних повторів, показує, деякі мутації змінюються при розподілі соматичних чи зародкових клітин. Одні мутації летальні, і вони можуть передаватися наступному поколінню, інші менш небезпечні і зберігаються у потомстві. З погляду еволюції мутації забезпечують достатню генетичну різноманітність, щоб дозволити видам пристосуватися до умов довкілля шляхом природного добору. Кожен генетичний локус характеризується певним рівнем мінливості, тобто присутністю різних алелів, або варіантів послідовностей ДНК у різних індивідуумів. Стосовно гена, алелі поділяються на дві групи - нормальні, або алелі дикого типу, при яких функція гена не порушена, і мутантні, що призводять до порушення роботи гена. У будь-яких популяціях і будь-яких генів алелі дикого типу є переважаючими. Під мутацією розуміють усі зміни у послідовності ДНК, незалежно від їхньої локалізації та впливу на життєздатність особини. Таким чином, поняття мутації є більш широким, ніж поняття мутантного алелю. У науковій літературі часто які у популяціях варіанти послідовностей генів, які призводять до помітним порушень функцій, зазвичай розглядаються як нейтральні мутації чи поліморфізми, тоді як поняття " мутація " і " мутантний аллель " найчастіше використовуються як синоніми. Мутації можуть захоплювати ділянки ДНК різної довжини. Це може бути єдиний нуклеотид, тоді ми говоритимемо про точкову мутацію, або ж протяжну ділянку молекули. Крім того, враховуючи характер змін, ми можемо говорити про заміни нуклеотидів, делеції та вставки (інсерції) та про інверсії. Процес виникнення мутацій називають мутагенез. Залежно від факторів, що викликають мутації, їх поділяють на спонтанні та індуковані. Спонтанні мутації виникають мимоволі протягом усього життя організму в нормальних йому умовах довкілля. Спонтанні мутації в еукаріотичних клітинах виникають із частотою 10-9-10-12 на нуклеотид за клітинну генерацію. Індукованими називають мутації, що виникають в результаті мутагенних впливів в експериментальних умовах або за несприятливих впливів навколишнього середовища. Серед найважливіших мутагенних факторів, перш за все, необхідно відзначити хімічні мутагени – органічні та неорганічні речовини, що викликають мутації, а також іонізуюче випромінювання. Між спонтанними та індукованими мутаціями немає суттєвих відмінностей, Більшість спонтанних мутацій виникає в результаті мутагенної дії, яка не реєструється експериментатором. Необхідно підкреслити, що корисність або шкідливість мутацій залежить від умов проживання: в одних умовах середовища ця мутація шкідлива, в інших - корисна. Наприклад, мутація, що викликає альбінізм, буде корисною для мешканців Арктики, забезпечуючи біле захисне забарвлення, але шкідливе, що демаскує для тварин, що мешкають в інших умовах. Мінливість дає матеріал для дії природного відбору і є основою еволюційного процесу. Мутації постачають матеріал для роботи селекціонерів. Отримання та відбір корисних (для людини) мутацій лежать в основі створення нових сортів рослин, тварин та мікроорганізмів. Класифікація мутацій ґрунтується на молекулярних процесах їх виникнення.

Історія формування мікробіології як науки

Мікробіологія (від грец. micros. малий, bios. життя, logos. вчення) -. наука, що вивчає будову, життєдіяльність та екологію мікроорганізмів дрібних форм життя рослинного або тваринного походження, не видимих ​​неозброєним оком.

Мікробіологія вивчає всіх представників мікросвіту (бактерії, гриби, найпростіші, віруси). За своєю суттю мікробіологія є фундаментальною біологічною наукою. Для вивчення мікроорганізмів вона використовує методи інших наук, насамперед фізики, біології, біоорганічної хімії, молекулярної біології, генетики, цитології, імунології. Як і будь-яка наука, мікробіологія поділяється на загальну та приватну. Загальна мікробіологія вивчає закономірності будови та життєдіяльності мікроорганізмів на всіх рівнях. молекулярному, клітинному, популяційному; генетику та взаємини їх із навколишнім середовищем. Предметом вивчення приватної мікробіології є окремі представники мікросвіту залежно від прояву та впливу їх на навколишнє середовище, живу природу, у тому числі людину. До окремих розділів мікробіології відносяться: медична, ветеринарна, сільськогосподарська, технічна (розділ біотехнології), морська, космічна мікробіологія. Медична мікробіологія вивчає патогенні в людини мікроорганізми: бактерії, віруси, гриби, найпростіші. Залежно від природи патогенних мікроорганізмів, що вивчаються, медична мікробіологія ділиться на бактеріологію, вірусологію, мікологію, протозоологію. Кожна з цих дисциплін розглядає такі вопросы: - морфологію та фізіологію, тобто. здійснює мікроскопічні та інші види досліджень, вивчає обмін речовин, харчування, дихання, умови росту та розмноження, генетичні особливості патогенних мікроорганізмів; - роль мікроорганізмів в етіології та патогенезі інфекційних хвороб; - основні клінічні прояви та поширеність викликаних захворювань; - специфічну діагностику, профілактику та лікування інфекційних хвороб; - Екологію патогенних мікроорганізмів. До медичної мікробіології відносять також санітарну, клінічну та фармацевтичну мікробіологію. Санітарна мікробіологія вивчає мікрофлору навколишнього середовища, взаємовідносини мікрофлори з організмом, вплив мікрофлори та продуктів її життєдіяльності на стан здоров'я людини, розробляє заходи, що запобігають несприятливому впливу мікроорганізмів на людину. У центрі уваги клінічної мікробіології. Роль умовно-патогенних мікроорганізмів у виникненні захворювань людини, діагностика та профілактика цих хвороб. Фармацевтична мікробіологія досліджує інфекційні хвороби лікарських рослин, псування лікарських рослин та сировини під дією мікроорганізмів, обсімененість лікарських засобів у процесі приготування, а також готових лікарських форм, методи асептики та антисептики, дезінфекції при виробництві лікарських препаратів, технологію отримання мікробіологічних та імунологічних лікувальних препаратів Ветеринарна мікробіологія вивчає ті ж питання, що й медична мікробіологія, але стосовно мікроорганізмів, що викликають хвороби тварин. Мікрофлора ґрунту, рослинного світу, вплив її на родючість, склад ґрунту, інфекційні захворювання рослин тощо. перебувають у центрі уваги сільськогосподарської мікробіології. Морська та космічна мікробіологія вивчає відповідно мікрофлору морів та водойм та космічного простору та інших планет. Технічна мікробіологія, що є частиною біотехнології, розробляє технологію отримання мікроорганізмів різноманітних продуктів для народного господарства і медицини (антибіотики, вакцини, ферменти, білки, вітаміни). Основа сучасної біотехнології – генетична інженерія. Численні відкриття в галузі мікробіології, вивчення взаємовідносин між макро- та мікроорганізмами у другій половині XIX ст. сприяли початку бурхливого розвитку імунології. Спочатку імунологія розглядалася як наука про несприйнятливість організму до інфекційних хвороб. Нині вона стала загальномедичною та загальнобіологічною наукою. Доведено, що імунна система служить захисту організму як від мікробних агентів, а й від будь-яких генетично чужорідних організму речовин із збереження сталості внутрішнього середовища організму, тобто. гомеостазу. Імунологія є основою для розробки лабораторних методів діагностики, профілактики та лікування інфекційних та багатьох неінфекційних хвороб, а також розробки імунобіологічних препаратів (вакцин, імуноглобулінів, імуномодуляторів, алергенів, діагностичних препаратів). Розробкою та виробництвом імунобіологічних препаратів займається імунобіотехнологія. самостійний поділ імунології. Сучасна медична мікробіологія та імунологія досягли великих успіхів і відіграють величезну роль у діагностиці, профілактиці та лікуванні інфекційних та багатьох неінфекційних хвороб, пов'язаних з порушенням імунної системи (онкологічні, аутоімунні хвороби, трансплантація органів та тканин та ін.).

Перетворення заліза

В умовах звичайного помірного клімату здоровій людині потрібно в продуктах харчування 10-15 мг заліза на день. Цієї кількості цілком достатньо, щоб покрити його втрати з організму. У нашому тілі міститься від 2 до 5 г заліза, залежно від рівня гемоглобіну, ваги, статі та віку. Особливо багато його в гемоглобіні крові - дві третини всієї кількості, що міститься в організмі; інше запасено у внутрішніх органах, головним чином печінці.

Залізо, що надходить із їжею, засвоюється в кишечнику і переноситься в кровоносні судини, де захоплюється спеціальним транспортним білком. Цей білок вперше було виявлено ще 1920 року у сироватці крові. Але методи аналізу, що існували на той час, не дозволили точно визначити його будову. Лише 1945 року шведські вчені К- Холмберг і К.-Б. Лаурелл детально досліджували цей залізовмісний білок, встановили його природу та дали йому назву «трансферин».

Цікаво, що подібний білок був виділений також у 1939 з молока і отримав назву «лактоферрин». Молекулярні маси цих білків приблизно однакові і становлять близько 80 тис. Вони здатні пов'язувати 2 атоми заліза, що надають їм характерне червоне забарвлення. Лактоферрин потім був виявлений у сльозах, жовчі та інших рідинах організму. Власне, транспортні білки виконують подібну функцію з гемоглобіном, тільки вони переносять не кисень, а залізо, причому тривалентне. Воно транспортується головним чином кістковий мозок, невелика частина надходить у печінку і селезінку, де зберігається як запасний фонд; незначна кількість йде на утворення міоглобіну та деяких ферментів тканинного дихання. Основні органи, в яких відбувається обмін заліза, це кістковий мозок, печінка та тонкий кишечник, де є спеціальні рецептори, що служать для прийому трансферину.

У кістковому мозку відбувається утворення гемоглобіну та еритроцитів, тривалість існування яких становить близько 4 місяців. Після цього часу гемоглобін руйнується, розпадаючись на гем і глобін. Далі перетворення цих речовин йдуть різними шляхами. Глобін гідролізується до амінокислот, а гем у печінці перетворюється на жовчні пігменти - на зелений білівердин, який відновлюється до білірубіну, що має жовто-оранжевий або коричневий колір. Лише незначна частина цих пігментів потрапляє знову в кров, переважно вони виводяться з організму. При захворюваннях печінки, таких як жовтяниця, в кров потрапляє надмірна кількість білірубіну, який і надає характерного жовтого забарвлення шкірі та білкам очей.

Ми говорили вище про те, що частина заліза в організмі зберігається про запас. У нормальних умовах таке запасне залізо входить до складу червоно-коричневого водорозчинного білка феритину, який широко поширений у рослинному та тваринному світі. Він виявлений у хребетних, безхребетних, у квітах і навіть у грибах. Це говорить про його універсальну роль і про давнє еволюційне походження. Вперше феритин був виділений Ф. Лауфбергером у 1937 році із селезінки коня. Дещо пізніше була встановлена ​​його роль як сполуки, що накопичує залізо в організмі. Молекули феритину являють собою агрегати заліза у вигляді комплексних сполук, оточених апоферитним білком з молекулярною масою 480 тис. Такий комплекс може містити до 4,5 тис. атомів заліза. Якщо трансферрин схожий за своїм значенням з гемоглобіном, то феритин у цьому відношенні схожий на міоглобін.

Отже, основна кількість заліза циркулює в нашому організмі, частина накопичується в феритині, а зовсім незначна кількість осідає у вигляді нерозчинних гранул білка гемосидерину. У феритині та гемосидерині залізо може зберігатися довго - до тих пір, поки воно терміново не буде потрібне організму, наприклад при втраті крові. Тоді запасне залізо використовується для синтезу гемоглобіну. Як воно витягується із запасних білків, поки точно не встановлено. Як не встановлено, ймовірно, ще цілий ряд речовин, так чи інакше пов'язаних із залізом нашого організму.

Мікроорганізми та навколишнє середовище. Фізичні фактори (концентрація солей)

У попередніх розділах були описані різні мікроорганізми, згруповані за їх фізіологічними та біохімічними властивостями. Згадувалося і про місця проживання. Отримані відомості дозволяють тепер розглянути відносини мікроорганізмів з навколишнім середовищем. Ми зупинимося спочатку на основних поняттях та уявленнях екології. Ця наука вивчає поведінку організмів у їх природних місцеперебуваннях, взаємини їх між собою та з навколишнім середовищем. Перші сліди життя відносяться до періоду понад 3 млрд років тому; це були мікроорганізми, які переважали у біосфері Землі до періоду близько 0,5 млрд років тому. Таким чином, прокаріоти не тільки стоять біля витоків земного життя, з них не тільки розвинулося все різноманіття еукаріотів, але вони і після цього існували завжди. Вищі форми життя протягом своєї еволюції ніколи не були самотніми; їх постійно або тіснили, або підтримували всюдисущі одноклітинні організми. Серед сучасних вищих форм життя є й такі, що утвердилися не лише у боротьбі з собі подібними, а й у взаєминах із мікроорганізмами. У багатьох організмів у процесі еволюції виробилися терпимі, партнерські відносини – мутуалістичний симбіоз. Мікроорганізми вже існували, коли поверхня нашої планети набирала свого теперішнього вигляду; вони вже були присутні в той час, коли зрушувалися континенти, створювалися відкладення завтовшки кілька тисяч метрів, земна кора багато разів опускалася і змінювалася складки, виникали поклади руд, вугілля, родовища нафти і газу. Багато з цих процесів брали активну участь мікроорганізми. Протягом щонайменше 80% всього періоду органічної еволюції Земля було населено виключно мікроорганізмами. Якщо викопні залишки мікробів знаходять рідко, дані порівняльної фізіології та біохімії служать достатньою опорою для класифікації прокаріотів за типом метаболізму. Однак при читанні розділу про еволюцію організмів слід враховувати те, що в цій галузі ще багато прогалин та домислів. ФІЗИЧНІ ФАКТОРИ

Мінеральна вода Мертвого моря має високу теплопровідність і теплоємність. Таким чином, перший фактор впливу – температурний. Основним місцем застосування є шкіра. Роздратування нервових рецепторів шкіри викликає розлите гальмування у корі мозку, тобто. зняття перенапруги внаслідок психологічних навантажень, стресу тощо. При інтенсивному впливі тепла під час ванни посилюється тепловіддача шляхом потовиділення, що сприяє процесам детоксикації організму. Крім того, теплова дія на м'язи сприяє їх розслабленню. У ванні з сіллю Мертвого моря стовп води висотою в 40-50 см чинить тиск у 1/5 атмосфери, що стимулює функцію дихання та кровообігу. На зміну температури шкірних покривів реагують судини черевних органів: підвищення зовнішньої температури, що супроводжується розширенням судин шкіри, призводить до звуження судин органів черевної порожнини і навпаки. Виняток становлять нирки: розширення судин шкіри призводить до розширення судин нирок. Для отримання адекватної судинної реакції перед ванною температура всіх частин тіла повинна бути вирівняна. Наприклад, холодні ноги мають бути зігріті в тазі або під струменем гарячої води. В цьому випадку судинна реакція йтиме у потрібному напрямку і ефект від ванни буде позитивним. Виходячи з вищевикладеного, рекомендується прийом ванн із солями Мертвого моря при температурі води 37-39 градусів, тривалістю від 10 до 15 хвилин.

Перетворення фосфору

Кругообіг фосфору значно простіше вуглецевого та азотного. В основному він складається з мінералізації органічного фосфору і перекладу фосфорнокислих солей з менш розчинних у більш розчинні солі (мобілізація фосфору). У тілі тварин і рослин фосфор входить до складу білкових речовин (нуклеопротеїдів) та деяких ліпоїдів (лецитинів). Цей фосфор після відмирання тварин і рослин при розкладанні гнильними та іншими мікробами мінералізується та переходить у фосфорну кислоту, яка швидко зв'язується основами та переходить у важкорозчинні солі кальцію, магнію, заліза, непридатні для харчування рослин. Далі переведення цих важкорозчинних солей в розчинні відбувається в результаті біохімічних процесів, що супроводжуються кислотоутворенням. Ці процеси виробляють кислотоутворюючі бактерії, саме нітрифікуючі, серобактерії, тіонові, амоніфікуючі, що утворюють велику кількість вуглекислоти, особливо Вас. mycoides.

Труднорозчинна трикальцієва сіль переводиться в легкорозчинну двокальцієву фосфорну сіль:

Са3(РО4)2+2СО2+2Н2О=2СаНРО4+Са(НСО3)2

Са3(РО4)2+4HNO3=Са(Н2РО4)2+2Ca(NO3)2,

яка і засвоюється рослинами.

В анаеробних умовах ґрунтові бактерії можуть відновлювати фосфорнокислі солі аж до фосфористого водню за наявності органічної речовини. У цьому відбувається втрата цінних фосфорнокислих солей. Найкращий засіб проти цього шкідливого процесу – гарна аерація ґрунту.

Аеробне розкладання целюлози

Розкладання целюлози в аеробних умовах. У добре аерованих ґрунтах целюлозу розкладають і використовують аеробні мікроорганізми (гриби, міксобактерії та інші еубактерії), а в анаеробних умовах-в основному клостридії. У аеробних умовах значна роль розкладанні целюлози належить грибам. Вони в цьому відношенні ефективніші за бактерії, особливо в кислих ґрунтах і при розкладанні целюлози, інкрустованої лігніном (деревини). Велику роль грають у процесі представники двох пологів -Fusarium і Chaetomium. Целюлозу розщеплюють також Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum та Myrothecium verrucaria. Три останні види служать тест-організмами для виявлення розпаду целюлози, а також при випробуванні засобів, які застосовуються для просочення різних матеріалів з метою убезпечити їх від дії мікроорганізмів, що розкладають целюлозу. Гриби утворюють целюлази, які можна виділити з міцелію та з живильного середовища. Cytophaga і Sporocytophaga - аеробні бактерії, що розкладають целюлозу. Їх найлегше виділити звичайним методом накопичувальної культури в рідких середовищах. Ці два роди, близькі до міксобактерій, включають багато видів. Про використання целюлози міксобактеріями та про їх первинний вплив на неї мало що відомо. Вони не вдалося виявити ні позаклітинної целюлази, ні будь-яких продуктів розщеплення целюлози. Клітини цих бактерій тісно прилягають до волокон целюлози, розміщуючись паралельно до осі волокна. Очевидно, вони гідролізують целюлозу лише за тісному контакту з волокном, і продукти гідролізу відразу ж поглинаються. На агарі з целюлозою колонії Cytophaga ніколи не бувають оточені прозорою зоною, в якій знаходилися б продукти ферментативного розщеплення целюлози. Використовувати целюлозу як субстрат для зростання можуть і багато тих аеробних бактерій, які можна було б назвати «всеїдними». Деякі їх використовують целюлозу, певне, лише у випадках, коли немає інших джерел вуглецю; синтез та виділення целлю-лаз у таких бактерій регулюються за типом катаболітної репресії. Деякі форми, подібні до Pseudomonas, раніше об'єднували в групу Cellvibrio. Нині їх описують як Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. З коринеформних бактерій слід згадати Cellulomonas; цю бактерію передбачали навіть використовуватиме отримання білка з целюлози. Серед актиноміцетів описано лише трохи целюлозорозкладних видів: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium. Розкладання целюлози в анаеробних умовах. В анаеробних умовах целюлозу розщеплюють найчастіше мезофільні та термофільні клостридії. Термофільний вид Clostridium thermocellum росте на простих синтетичних середовищах, використовуючи як субстрат целюлозу або целобіозу, а як джерело азоту-солі амонію; глюкозу та багато інших цукру ця бактерія не утилізує. Продуктами зброджування целюлози є етанол, оцтова, мурашина та молочна кислоти, молекулярний водень та С02. Поза клітинами целюлоза розщеплюється, ймовірно, тільки до целобіози. До подібних продуктів призводить до зброджування целюлози мезофільним виглядом Clostridium cellobioparum. Довга паличка Bacillus dissolvens веде себе подібно до згаданих вище видів Cytophaga: клітини цієї бактерії тісно прилягають до волокон целюлози і не виділяють у середу целюлази.

Дихання - це процес, що забезпечує метаболізм живих організмів з навколишнього середовища киснем (О2) і відводить в довкілля в газоподібному стані деяку частину продуктів метаболізму організму (СО2, H2O та ін). Дихання - основна форма дисиміляції у людини, тварин, рослин та багатьох мікроорганізмів. При диханні багаті на хімічну енергію речовини, що належать організму, окислюються до бідних енергією кінцевих продуктів (діоксиду вуглецю та води), використовуючи для цього молекулярний кисень.

Термін «анаероби» запровадив Луї Пастер, який відкрив у 1861 році бактерії маслянокислого бродіння. Анаеробне дихання - сукупність біохімічних реакцій, що протікають у клітинах живих організмів при використанні як кінцевий акцептор протонів не кисню, а інших речовин (наприклад, нітратів) і відноситься до процесів енергетичного обміну (катаболізм, дисиміляція), які характеризуються окисленням вуглеводів, ліпідів амінокислот до низькомолекулярних сполук.

Молочнокисле бродіння - це анаеробне перетворення цукру на молочнокислі бактерії з утворенням молочної кислоти.

Спиртове бродіння - хімічна реакція бродіння, що здійснюється дріжджами, в результаті якої одна молекула глюкози перетворюється на 2 молекули етанолу і на 2 молекули вуглекислого газу.

Маслянокисле бродіння - це процес перетворення цукру олійнокислими бактеріями в анаеробних умовах з утворенням олійної кислоти, вуглекислого газу та водню.

Нітрифікація - мікробіологічний процес окислення аміаку до азотистої кислоти або її самої далі до азотної кислоти, що пов'язано або з отриманням енергії (хемосинтез, автотрофна нітрифікація), або із захистом від активних форм кисню, що утворюються при розкладі пероксиду водню (гетеротрофна нітрифікація).

Денітрифікація (дисиміляційна нітратредукція) - сума мікробіологічних процесів відновлення нітратів до нітритів і далі газоподібних оксидів і молекулярного азоту. Внаслідок цього їх азот повертається в атмосферу і стає недоступним більшості організмів. Здійснюється лише прокаріотами (причому як бактеріям, так і археями) в анаеробних умовах і пов'язана з отриманням енергії.

Азотфіксація – фіксація молекулярного атмосферного азоту, діазотрофія. Процес відновлення молекули азоту та включення її до складу своєї біомаси прокаріотних мікроорганізмів. Найважливіше джерело азоту в біологічному кругообігу. У наземних екосистемах азотфіксатори локалізуються переважно у грунті.

Стрептококи. Стрептококи є круглі, дрібні, розташовані ланцюжками різної довжини, коки. Нерідко ці ланцюжки складаються з парних коків - дипло-стрептококів. Стрептококи забарвлюються за Грамом. У харкотинні вони бувають при бронхіті, абсцесі, гангрені легень. Патогенними вважаються стрептококи, що знаходяться серед лейкоцитів і всередині них.

Стафілококи. Круглі коки різної величини, розташовані групами, а також поодинокі забарвлюються звичайними фарбами і за Грамом. Стафілококи часто зустрічаються усередині лейкоцитів. У мокротинні спостерігаються часто одночасно стрептококами.

Тетракоки (micrococcus tetragenus). Мають вигляд овальних або круглих різної величини коків, розташованих по чотири та оточених загальною капсулою. Фарбуються за Грамом. У харкотинні вони спостерігаються при абсцесі та гангрені легень, бронхітах, а також у вигляді вторинної інфекції при туберкульозі, частіше за наявності каверн.

САРЦИНИ (від латів. sarcina - зв'язка, вузол), кулясті бактерії (коки), що утворюють кубічні пакетоподібні скупчення. Нерухомі; не патогенні.

БАЦИЛИ (від латинського bacillum – паличка), паличкоподібні бактерії. У вузькому значенні бацили - паличкоподібні бактерії, що утворюють внутрішньоклітинні суперечки (форми, що спочивають, стійкі до високих температур, радіації та інших несприятливих впливів). Деякі бацили викликають хвороби тварин і людини, наприклад сибірку, правець.

Клостридії (лат. Clostridium) - рід грампозитивних, облігатно анаеробних бактерій, здатних продукувати ендоспори. Окремі клітини - подовжені палички, назва роду походить від грецького клптфеда (веретено). Багато видів, які були віднесені до клостридій за цією морфологічною ознакою, пізніше були рекласифіковані. Ендоспори можуть розташовуватися центрально, ексцентрально та термінально. Діаметр ендоспор часто перевищує діаметр клітини.

Спірили (новолатинська spirilla, зменшувальна від латів. spira, грец. speira - вигин, звив, виток) бактерії, що мають форму спірально звивистих або дугоподібно вигнутих паличок. Розміри С. варіюють у різних видів у широких межах: ширина від 0,6-0,8 до 2-3 мкм, довжина від 1-3,2 до 30-50 мкм. С. не утворюють суперечки, грампозитивні, рухливі завдяки пучку джгутиків, розташованих на кінці клітини. Існують види С., що погано ростуть на лабораторних живильних середовищах; окремі види взагалі не були виділені у чистій культурі. С. - сапрофіти; мешкають у прісних і солоних водоймах, зустрічаються також у загниваючій стоячій воді, гноївці і вмісті кишечника тварин.

Спірохети (лат. Spirochaetales) - порядок бактерій з довгими (3-500 мкм) і тонкими (0,1-1,5 мкм) спірально (грец. Урейсб «завиток») закрученими (один і більше виток спіралі) клітинами .

Актиноміцети (устар. променисті грибки) - бактерії, що мають здатність до формування на деяких стадіях розвитку міцелію, що гілкується (деякі дослідники, підкреслюючи бактеріальну природу актиноміцетів, називають їх аналог грибного міцелію тонкими нитками) діаметром 0,4--1,5 м проявляється у них оптимальних для існування умовах. Мають грампозитивний тип клітинної стінки та високий (60-75%) вміст ГЦ пар у ДНК.

Мікобактемрії (Mycobacteriaceae) - сімейство актиноміцетів. Єдиний рід - Mycobacterium. Деякі представники роду Mycobacterium (напр. M. tuberculosis, M. leprae) патогенні для ссавців (див. туберкульоз, мікобактеріоз, лепра).

Силосування - один із способів консервування та зберігання соковитих кормів. Доброякісний силос має приємний ароматний запах квашених овочів та фруктів, світло-зелений, жовтувато-зелений та буро-зелений колір з кислотністю в межах 3,9-4,2. Він є чудовим компонентом раціонів у зимово-стійловий період, охоче поїдається тваринами.

сінажування – зневоднення зелених рослин з метою створення водного дефіциту, що перешкоджає розвитку небажаних бактерій при зберіганні маси без доступу повітря. На відміну від силосування, процеси бродіння при приготуванні сінажу проходять загальмовано, оскільки трави пров'язуються в полі до вологості 45-55%, у результаті досягається так звана фізіологічна сухість маси.

Грамнегативні бактерії (позначаються Грам (-)) - бактерії, які, на відміну від грампозитивних бактерій, знебарвлюються при промиванні при використанні методу фарбування мікроорганізмів за Грамом. Після знебарвлення вони зазвичай забарвлюються додатковим барвником (фуксином) у рожевий колір.

ТЕРМОГЕНЕЗ - це вироблення організмом тепла підтримки постійної температури тіла та забезпечення роботи всіх його систем, починаючи від функціонування внутрішньоклітинних процесів, і до забезпечення кровообігу, перетравлення їжі, можливості рухатися тощо.

Пастеризація - процес одноразового нагрівання найчастіше рідких продуктів або речовин до 60 ° C протягом 60 хвилин або при температурі 70-80 ° C протягом 30 хв. Технологія була відкрита у середині ХІХ століття французьким мікробіологом Луї Пастером. Застосовується для знезараження харчових продуктів, а також продовження терміну їх зберігання.

Стерилізація (від латів. sterilis – безплідний) – повне звільнення різних речовин, предметів, харчових продуктів від живих мікроорганізмів.

Грампозитивні бактерії (позначаються Грам (+)) - бактерії, які, на відміну грамнегативних бактерій, зберігають забарвлення, не знебарвлюються, при промиванні при використанні забарвлення мікроорганізмів за методом Грама.

Адгезія (від лат. adhaesio - прилипання) у фізиці - зчеплення поверхонь різнорідних твердих та/або рідких тіл. Адгезія зумовлена ​​міжмолекулярною взаємодією (вандерваальсовою, полярною, іноді - утворенням хімічних зв'язків або взаємною дифузією) у поверхневому шарі і характеризується питомою роботою, необхідною для поділу поверхонь. У деяких випадках адгезія може виявитися сильнішою, ніж когезія, тобто зчеплення всередині однорідного матеріалу, в таких випадках при додатку зусилля, що розриває, відбувається когезійний розрив, тобто розрив в об'ємі менш міцного з дотичних матеріалів.

Комменсалізм (лат. con mensa - буквально "за столом", "за одним столом") - спосіб спільного існування двох різних видів живих організмів, при яких одна популяція отримує користь від взаємини, а інша не отримує ні користі ні шкоди (наприклад , луска звичайна і людина).

ФАГІЯ (від грец. phagos - пожирач), складова частина складних слів, що відповідає за значенням слів поїдає, поглинає.

Сателізм - посилення зростання одного виду мікроорганізму під впливом іншого мікроорганізму. При спільному зростанні кількох видів мікробів їх фізіологічні функції можуть активуватися, що призводить до швидшого впливу на субстрат. Наприклад, колонії дріжджів або сарцин, виділяючи в живильне середовище метаболіти, стимулюють зростання навколо їхніх колоній деяких інших мікроорганізмів.

Фітогормони - низькомолекулярні органічні речовини, що виробляються рослинами та мають регуляторні функції. Чинними є низькі концентрації фітогормонів (до 10?11 М), при цьому фітогормони викликають різні фізіологічні та морфологічні зміни в чутливих до їх дії частинах рослин.

1. Форми мікроорганізмів

2. Будова бактеріальної клітини


3. Органи пересування бактерій


4. Влаштування мікроскопа

5. Форми колоній

6. Профілі колоній.

7. Край колоній

8. Цикл перетворення азоту


9. Цикл перетворення фосфору


10. Цикл перетворення сірки


Генні мутації – зміна будови одного гена. Це зміна у послідовності нуклеотидів: випадання, вставка, заміна тощо. Наприклад, заміна на т. Причини - порушення при подвоєнні (реплікації) ДНК

Генні мутації є молекулярними, не видимими у світловому мікроскопі змінами структури ДНК. До мутацій генів відносяться будь-які зміни молекулярної структури ДНК, незалежно від їхньої локалізації та впливу на життєздатність. Деякі мутації не впливають на структуру і функцію відповідного білка. Інша (велика) частина генних мутацій призводить до синтезу дефектного білка, не здатного виконувати властиву йому функцію. Саме генні мутації зумовлюють розвиток більшості спадкових форм патології.

Найбільш частими моногенними захворюваннями є у людини: муковісцидоз, гемохроматоз, адрено-генітальний синдром, фенілкетонурія, нейрофіброматоз, міопатії Дюшенна-Беккера та ряд інших захворювань. Клінічно вони проявляються ознаками порушень обміну речовин (метаболізму) в організмі. Мутація може полягати:

1) у заміні основи в кодоні, це так звана міссенсмутація(від англ, mis - хибний, неправильний + лат. sensus - сенс) - заміна нуклеотиду в частині гена, що кодує, що призводить до заміни амінокислоти в поліпептиді;

2) у такій зміні кодонів, що призведе до зупинки зчитування інформації, це так звана нонсенсмутація(від лат. non - ні + sensus - сенс) - заміна нуклеотиду в кодуючій частині гена, призводить до утворення кодону-термінатора (стоп-кодону) та припинення трансляції;

3) порушенні зчитування інформації, зрушенні рамки зчитування, званому фреймшифтом(від англ. frame – рамка + shift: – зсув, переміщення), коли молекулярні зміни ДНК призводять до зміни триплетів у процесі трансляції поліпептидного ланцюга.

Відомі та інші типи генних мутацій. За типом молекулярних змін виділяють:

розподілі(від латів. deletio – знищення), коли відбувається втрата сегмента ДНК розміром від одного нуклеотиду до гена;

дуплікації(від латів. duplicatio - подвоєння), тобто. подвоєння чи повторне дублювання сегмента ДНК від одного нуклеотиду до цілих генів;

інверсії(від латів. inversio - перевертання), тобто. поворот на 180 ° сегмента ДНК розмірами від двох нукпеотидів до фрагмента, що включає кілька генів;

інсерції(від латів. insertio - прикріплення), тобто. вставка фрагментів ДНК від одного нуклеотиду до цілого гена.

Молекулярні зміни, що зачіпають від одного до кількох нуклеотидів, розглядають як точкову мутацію.

Принциповим і характерним для генної мутації і те, що вона 1) призводить до зміни генетичної інформації, 2) може передаватися з покоління до покоління.

Певна частина генних мутацій може бути віднесена до нейтральних мутацій, оскільки вони не призводять до будь-яких змін фенотипу. Наприклад, за рахунок виродженості генетичного коду одну й ту саму амінокислоту можуть кодувати два триплети, що розрізняються лише з однієї основи. З іншого боку, один і той же ген може змінюватися (мутувати) в кілька станів, що різняться.

Наприклад, ген, який контролює групу крові системи АВ0. має три алелі: 0, А та В, поєднання яких визначають 4 групи крові. Група крові системи АВ0 є класичним прикладом генетичної мінливості нормальних ознак людини.

Саме генні мутації зумовлюють розвиток більшості спадкових форм патології. Хвороби, обумовлені подібними мутаціями, називають генними, або моногенними, хворобами, тобто захворюваннями, розвиток яких детермінується мутацією одного гена.

Геномні та хромосомні мутації

Геномні та хромосомні мутації є причинами виникнення хромосомних хвороб. До геномних мутацій відносяться анеуплоїдії та зміна плідності структурно незмінених хромосом. Виявляються цитогенетичними методами.

Анеуплоїдія- Зміна (зменшення - моносомія, збільшення - трисомія) числа хромосом в диплоїдному наборі, неразове гаплоїдному (2n + 1, 2n - 1 і т.д.).

Поліплоїдія- Збільшення числа наборів хромосом, кратне гаплоїдному (3n, 4n, 5n і т.д.).

Людина поліплоїдія, і навіть більшість анеуплоїдії є летальними мутаціями.

До найчастіших геномних мутацій відносяться:

трисомія- Наявність трьох гомологічних хромосом в каріотипі (наприклад, по 21-й парі, при синдромі Дауна, по 18-й парі при синдромі Едвардса, по 13-й парі при синдромі Патау; по статевих хромосомах: XXX, ХХY, ХYY);

моносомія- Наявність тільки однієї з двох гомологічних хромосом. При моносомії за будь-якою з аутосом нормальний розвиток ембріона неможливий. Єдина моносомія у людини, сумісна з життям, - моносомія по Х-хромосомі - призводить (до синдрому Шерешевського-Тернера (45, Х0)).

Причиною, що призводить до анеуплоїдії, є нерозбіжність хромосом під час клітинного поділу при утворенні статевих клітин або втрата хромосом в результаті анафазного відставання, коли під час руху до полюса одна з гомологічних хромосом може відстати від інших негомологічних хромосом. Термін "нерозбіжність" означає відсутність поділу хромосом або хроматид у мейозі або мітозі. Втрата хромосом може призводити до мозаїцизму, при якому є одна е уплоїдна(Нормальна) клітинна лінія, а інша - моносомна.

Нерозбіжність хромосом найчастіше спостерігається під час мейозу. Хромосоми, які повинні ділитися під час мейозу, залишаються з'єднаними разом і в анафазі відходять до одного полюса клітини. Таким чином, виникають дві гамети, одна з яких має додаткову хромосому, а інша не має цієї хромосоми. При заплідненні гамети з нормальним набором хромосом гаметою з зайвою хромосомою виникає трисомія (тобто в клітці є три гомологічні хромосоми), при заплідненні гаметою без однієї хромосоми виникає зигота з моносомією. Якщо моносома зигота утворюється за якоюсь аутосомною (не статевою) хромосомою, то розвиток організму припиняється на ранніх стадіях розвитку.

Хромосомні мутації- це структурні зміни окремих хромосом, як правило, видимі у світловому мікроскопі. У хромосомну мутацію залучається велика кількість (від десятків до кількох сотень) генів, що призводить до зміни нормального диплоїдного набору. Незважаючи на те, що хромосомні аберації, як правило, не змінюють послідовність ДНК у специфічних генах, зміна кількості копій генів у геномі призводить до генетичного дисбалансу внаслідок нестачі або надлишку генетичного матеріалу. Розрізняють дві великі групи хромосомних мутацій: внутрішньохромосомні та міжхромосомні.

Внутрішньохромосомні мутації - це аберація в межах однієї хромосоми. До них відносяться:

—делеції(Від латів. Deletio - Знищення) - Втрата однієї з ділянок хромосоми, внутрішньої або термінальної. Це може зумовити порушення ембріогенезу та формування множинних аномалій розвитку (наприклад, поділу в регіоні короткого плеча 5-ї хромосоми, що позначається як 5р-, призводить до недорозвинення гортані, вад серця, відставання розумового розвитку). Цей симптомокомплекс відомий як синдром «котячого крику», оскільки у хворих дітей через аномалію гортані плач нагадує котяче нявкання;

—інверсії(Від латів. inversio - перевертання). В результаті двох точок розривів хромосоми фрагмент, що утворився, вбудовується на колишнє місце після повороту на 180°. У результаті порушується лише порядок розташування генів;

— дуплікації(від лат duplicatio - подвоєння) - подвоєння (або множення) будь-якої ділянки хромосоми (наприклад, трисомія по одному з коротких плеч 9-ї хромосоми обумовлює множинні вади, включаючи мікроцефалію, затримку фізичного, психічного та інтелектуального).

Схеми найчастіших хромосомних аберацій:
Розподіл: 1 - кінцева; 2 – інтерстиціальна. Інверсії: 1 – перицентрична (із захопленням центроміру); 2 - парацентрична (в межах одного плеча хромосоми)

Міжхромосомні мутації, або мутації перебудови- Обмін фрагментами між негомологічними хромосомами. Такі мутації отримали назву транслокації (від латів. tгаns - за, через + locus - місце). Це:

Реципрокна транслокація, коли дві хромосоми обмінюються своїми фрагментами;

Нереципрокна транслокація, коли фрагмент однієї хромосоми транспортується на іншу;

- «центричне» злиття (робертсонівська транслокація) – з'єднання двох акроцентричних хромосом у районі їх центромір із втратою коротких плечей.

При поперечному розриві хроматид через центроміри "сестринські" хроматиди стають "дзеркальними" плечима двох різних хромосом, що містять однакові набори генів. Такі хромосоми називають ізохромосомами. Як внутрішньохромосомні (делеції, інверсії та дуплікації), так і міжхромосомні (транслокації) аберації та ізохромосоми пов'язані з фізичними змінами структури хромосом, у тому числі з механічними розломами.

Спадкова патологія як результат спадкової мінливості

Наявність загальних видових ознак дозволяє об'єднувати всіх людей землі в єдиний вид Homo sapiens. Проте ми легко, одним поглядом виділяємо обличчя знайомої нам людини у натовпі незнайомих людей. Надзвичайна різноманітність людей — як усередині групова (наприклад, різноманітність у межах етносу), так і міжгрупова — зумовлена ​​їхньою генетичною відмінністю. В даний час вважається, що вся внутрішньовидова мінливість обумовлена ​​різними генотипами, що виникають та підтримуються природним відбором.

Відомо, що гаплоїдний геном людини містить 3,3х109 пар нуклеотидних залишків, що теоретично дозволяє мати до 6-10 млн генів. Разом про те дані сучасних досліджень свідчать, що у геномі людини міститься приблизно 30-40 тис. генів. Близько третини всіх генів мають більш ніж один аллель, тобто поліморфні.

Концепція спадкового поліморфізму була сформульована Е. Фордом в 1940 р. для пояснення існування в популяції двох або більше форм, що різняться, коли частота найбільш рідкісної з них не може бути пояснена тільки мутаційними подіями. Оскільки мутація гена є рідкісною подією (1х106), частоту мутантного алелю, що становить більше 1%, можна пояснити лише його поступовим накопиченням у популяції за рахунок селективних переваг носіїв даної мутації.

Численність локусів, що розщеплюються, чисельність алелів у кожному з них поряд з явищем рекомбінації створює невичерпне генетичне розмаїття людини. Розрахунки свідчать, що за історію людства на земній кулі був, немає й у найближчому майбутньому не зустрінеться генетичного повторення, тобто. кожна народжена людина є унікальним явищем у Всесвіті. Неповторність генетичної конституції багато в чому визначає особливості розвитку захворювання у кожної конкретної людини.

Людство еволюціонувало як групи ізольованих популяцій, які тривалий час проживають в тих самих умовах навколишнього середовища, включаючи кліматогеографічні характеристики, характер харчування, збудників хвороб, культурні традиції тощо. Це призвело до закріплення в популяції специфічних кожної з них поєднань нормальних алелей, найбільш адекватних умов середовища. У зв'язку з поступовим розширенням ареалу проживання, інтенсивними міграціями, переселенням народів виникають ситуації, коли корисні в певних умовах поєднання конкретних нормальних генів в інших умовах не забезпечують оптимальне функціонування деяких систем організму. Це призводить до того, що частина спадкової мінливості, обумовлена ​​несприятливим поєднанням непатологічних генів людини, стає основою розвитку так званих хвороб зі спадковим нахилом.

Крім того, у людини як соціальної істоти природний відбір згодом протікав у більш специфічних формах, що також розширювало спадкову різноманітність. Зберігалося те, що могло відмітатись у тварин, або, навпаки, губилося те, що тварини зберігали. Так, повноцінне забезпечення потреб у вітаміні С призвело у процесі еволюції до втрати гена L-гулонодактоноксидази, що каталізує синтез аскорбінової кислоти. У процесі еволюції людство набувало і небажаних ознак, що мають пряме відношення до патології. Наприклад, у людини в процесі еволюції з'явилися гени, що визначають чутливість до дифтерійного токсину або вірусу поліомієліту.

Таким чином, у людини, як і в будь-якого іншого біологічного виду, немає різкої межі між спадковою мінливістю, що веде до нормальних варіацій ознак, та спадковою мінливістю, що зумовлює виникнення спадкових хвороб. Людина, ставши біологічним видом Homo sapiens, як би заплатив за «розумність» свого виду накопиченням патологічних мутацій. Це становище лежить в основі однієї з головних концепцій медичної генетики про еволюційне накопичення патологічних мутацій у популяціях людини.

Спадкова мінливість популяцій людини, як підтримувана, і зменшувана природним відбором, формує так званий генетичний вантаж.

Деякі патологічні мутації можуть протягом історично тривалого часу зберігатися і поширюватися в популяціях, обумовлюючи так званий сегрегаційний генетичний вантаж; інші патологічні мутації виникають у кожному поколінні як наслідок нових змін спадкової структури, створюючи мутаційний вантаж.

Негативний ефект генетичного вантажу проявляється підвищеною летальністю (загибель гамет, зигот, ембріонів та дітей), зниженням фертильності (зменшене відтворення потомства), зменшенням тривалості життя, соціальною дизадаптацією та інвалідизацією, а також зумовлює підвищену необхідність медичної допомоги.

Англійський генетик Дж.Ходдейн був першим, хто привернув увагу дослідників до існування генетичного вантажу, хоча термін був запропонований Г. Меллером ще наприкінці 40-х гг. Сенс поняття «генетичний вантаж» пов'язаний з високим ступенем генетичної мінливості, необхідної біологічному виду для того, щоб мати можливість пристосовуватися до умов середовища, що змінюються.

Комбінативна мінливість

Носить спадковий характер і зумовлена ​​рекомбінацією генів у генотипі. Пов'язана не зі зміною генів, а з їх поєднанням! Комбінації генів сприяють підвищенню виживання в умовах середовища, що змінюються.

Випадкове поєднання гамет при заплідненні

Обмін ділянками гомологічних хромосом при кросинговері в профазі мейозу.

Незалежна розбіжність різних пар хромосом в анафазі мейозу 1, що призводить до утворення генетично різноманітних гамет.

Мутаційна мінливість

Мутації - раптові стрибкоподібні стійкі зміни генотипу, що відбуваються під впливом факторів зовнішнього чи внутрішнього середовища, передаються у спадок. На молекулярному рівні це зміна ДНК, що зберігається під час реплікації НК. Мутагенез – процес утворення мутації. Мутагенні фактори викликають мутації, за своєю природою можуть бути

- фізичні мутагени: випромінювання а, в, гамма, УФ, температура, вологість,

- хімічні мутагени: органіка та неорганіка, наркотичні речовини, продукти промислової переробки природних сполук (вугілля, нафта), синтетичні речовини, які раніше не зустрічалися в природі (пестициди, інсектициди, гербециди), харчові консерванти, ліки. Мають високу проникаючу здатність, викликають геннине мутації і діють у період реплікації ДНК.

Класифікація мутацій за умов виникнення

Спонтанні виникають без видимих ​​причин чи причини невідомі.

Індуковані виникають у результаті впливу.

Класифікація мутацій по локалізації у клітині

Ядерні – мутації у ядрі клітини

Цитоплазматичні - мутації в мітохондріях та пластидах.

Класифікація мутацій наскільки можна успадкування

Генеративні виникають у статевих клітинах, передаються у спадок при статевому розмноженні

Соматичні виникають у соматичних клітинах, передаються у спадок при вегетативному розмноженні

Класифікація мутацій за рівнем впливу життя здатність і плодючість

Стерильні впливають на плодючість

Летальні призводять до смерті

Напівлетальні знижують життєздатність

Нейтральні не впливають на життєздатність

Позитивні підвищують життєздатність

Класифікація за рівнем ураження генетичного матеріалу:

Генні – зміна гена

Хромосомні – зміна будови хромосоми,

Геномні – зміна геному

Генні мутації

Точкові, призводять до зміни нуклеотидної структури ДНК у гені. Зміна структури генів при заміні основ буває 2 типів: міссенс мутації із заміною амінокислоти, нонсенс із заснуванням термінальних кодонів УАА, УАГ, УГА.

- зсув рамки зчитування відбувається у разі вставки чи випадання кількох нуклеотидів. В результаті змінюється розбиття мРНК на кодони, а значить, змінюється амінокислотна послідовність у синтезованій молекулі білка або синтез передчасно закінчується.

- транзиція - заміна пуринової основи на іншу пуринову, а піримідинову на іншу піримідинову: А<-->Г і Ц<-->Т.

- трансверзія - заміна пуринового на піримідинове та навпаки.

Хромосомні мутації

Абберації - зміна структури хромосом внаслідок порушення їх цілісності: розриви, що супроводжуються перебудовами генів, призводять до внутрішньо/між хромосомних мутацій.

- делеція - Втрата ділянки хромосоми: AEF. Делеція короткого плеча п'ятої хромосоми у людини - синдром котячого крику.

- дуплікація - подвоєння ділянки хромосоми: ABCDCD, з появою додаткового спадкового матеріалу, ідентичного тому, що є в геномі.

Делеція і дуплікація завжди виявляються фенотипно, оскільки змінюється набір генів і спостерігається моносомія щодо хромосом.

- інверсія - Поворот окремих ділянок хромосоми на 180 *. ABCDEF -----> AEDCBF

- транслокація - Перенесення окремої ділянки хромосоми в інше місце тієї чи іншої хромосоми: ABCKLM. При цьому кількість генів не змінюється !!! Перенесення плеча 21 хромосоми на 13, 14, 15 призводить до розвитку синдрому Дауна.

Інверсії та транслокації можуть не проявлятися фенотипно, якщо не відбувається зміна генетичного матеріалу та зберігається загальний баланс генів у геномі. Натомість утруднюється кон'югація гомологічних хромосом, що може спричиняти порушення генетичного матеріалу між дочірніми клітинами.

Геномні мутації

Пов'язані зі зміною числа хромосом, призводять до додавання або втрати однієї, декількох або повного набору хромосом.

Геном- Сукупність генів гаплоїдного набору хромосом. Як правило, знаходиться у статевих клітинах.

- поліплоїдія - кратне гаплоїдне збільшення числа хромосом у клітинах. Часто використовується у селекції рослин, як правило, призводить до збільшення врожайності. Часто зустрічається серед покритонасінних рослин, рідше – серед голонасінних. Серед тварин поліплоїдія відома у гермафродітів: хробаків, ракоподібних, комах, риб, саламандр. Для ссавців поліплоїдія летальна.

- гаплоїдія - кратне гаплоїдне зменшення числа хромосом. В результаті в клітині є одинарний набір хромосом n. Організм із гаплоїдним набором негомологічних хромосом у соматичних клітинах – гаплоїд. Природна гаплоїдія зустрічається в життєвому циклі спороутворюючих грибів, бактерій, одноклітинних водоростей, у бджіл. Життєздатність гаплоїдів знижується, тому проявляються всі рецесивні гени, що містяться в однині. Для ссавців гаплоїдія летальна.

- анеуплоїдія - Неразова зміна числа хромосом.

Трисомія – збільшення каріотипу однією хромосому (2n+1).

Полісомія – збільшення каріотипу більше ніж одну хромосому.

Моносомія – зменшення каріотипу однією хромосому (2n-1).

Нулісомія – відсутність пари хромосом, летальна.

Хромосомні хвороби людини

Групи захворювань, пов'язані із зміною числа хромосом (геномні мутації) або їхньою структурою (хромосомні абберації). Вони виникають внаслідок порушення хромосомного набору в зиготі через нерозбіжність хромосом при редукційному розподілі, та різних хромосомних абеберацій.

триплоїдія - Порушення хромосомного набору 3n. Новонароджені діти гинуть у перші години чи дні після народження.

трисомія за Х-хромосомою – ХХХ. Фенотип нормальний жіночий, характерно недорозвинення статевих залоз, невеликий ступінь розумової відсталості.

Синдром Клайнфельтера - ХХУ, ХХХУ, ХХХХУ, ХУУ, ХУУУ, ХХУУ, ХХХУУ. Фенотип чоловічий – недорозвинені сім'яники. У зовнішній зовнішності присутні властиві жінкам вузькі плечі, широкий таз, генімастія, відкладення жиру по жентипу. Полісомія по У-хромосомі дає високе зростання, антигромадську поведінку.

Синдром Шерешевського-Тернера : порушення хромосомного набору Х0, єдина життєздатна моносомія Х-хромосоми у людини. Фенотип жіночий, будова тіла непропорційна, шкірні складки на шиї, затримка росту, недорозвинені внутрішні статеві органи, безпліддя, передчасне старіння.

Синдром Дауна : трисомія по 21 хромосомі. Низький зріст, маленька кругла голова, плоска потилиця, низько посаджені вуха, косий розріз очей, короткий ніс із плоским переніссям, напіввідкритий рот, товстий язик, низький м'язовий тонус, укорочені пальці, криві мізинці, мляві та незграбні люди. Різко виражена розумова відсталість, погано розвинена мова, знижений імунітет та тривалість життя.

Синдром Патау : трисомія по 13 ой хромосомі. Глибокі ідіоти. Недорозвинена ЦНС, помірна мікроцефалія, помутніння рогівки, низький лоб, перенесення, що запало, вузькі очниці, двостороння ущелина верхньої губи та неба, аномалії розвитку ОДС та внутрішніх органів. Вмирають віком до року, до 3 років доживають одиниці.

Синдром Едвардса : трисомія по 18 ой хромосомі. Аномалії черепа та обличчя: вузький лоб із западінням лобових кісток в ділянці джерельця, широка виступаюча потилиця, маленька нижня щелепа і ротовий отвір, вузькі і короткі очні щілини, низьке розташування вух, коротка грудина, широка грудна клітина, аномальний розвиток стопи, патології та кровоносних судин, травної системи, мозочка. Більшість помирає у віці до року.

Заповніть заявку на підготовку до ЄДІ з біології чи хімії

Коротка форма зворотного зв'язку

В основі практично всіх генетичних досліджень лежить поняття варіації . Це поняття включає всі типи змін послідовностей ДНК ( мутацій ), що спостерігаються на хромосомному або генному рівнях. З одного боку, варіації геному є поясненням міжіндивідуального розмаїття, з іншого, мутації можуть призводити до патогенних змін життєдіяльності організму, будучи таким чином причиною спадкового захворювання. Слід також запровадити кілька термінів, що використовуються для опису процесу мутаційної зміни ДНК: локус - певна ділянка хромосоми, що містить специфічні послідовності ДНК або гени, аллель - дві або більше альтернативних форми гена, розташованих в тому самому локусі пари гомологічних хромосом. Якщо відмінність послідовності ДНК двох алелей одного локусу спостерігається з частотою понад 1% у загальній популяції, цей тип варіації позначається поліморфізмом . Зміна послідовності ДНК, що має меншу частоту, як правило, називається мутацією . Відомо два основні види мутацій, пов'язаних із спадковою патологією: хромосомні (Зміна числа та/або структури хромосом у клітині) та генні (Зміна послідовності ДНК у конкретному гені). Виходячи з даної класифікації, можна виділити напрямки генетичних досліджень порушень послідовності ДНК, що призводять до спадкових захворювань, які вивчає медична генетика , А саме, пошук змін послідовностей нуклеїнових кислот і білків на молекулярному рівні ( молекулярна генетика ) та вивчення змін числа, структури та організації хромосом( медична цитогенетика ).

Молекулярно-генетичні дослідження засновані на сучасних уявленнях про особливості молекули ДНК та біохімічні процеси транскрипції та трансляції. Основна їх мета полягає у виявленні генних мутацій, що призводять до характерних фенотипних проявів. Генні мутації є зміною розташування, втратою і придбанням ДНК щодо її лінійної послідовності, що виявляється в нормі. Найчастішими типами генних мутацій є заміна, втрати та/або вставки одного нуклеотиду. Останні позначаються абревіатурою SNP (Single nucleotide polymorphsims) і є одними з найчастіших у геномі людини. У середньому, SNP, що ведуть до варіації між алелями в одного індивідуума, зустрічаються у кожних 1500 пар нуклеотидів. Однак, більшість з них розташовані в послідовностях, що не кодують, і, в основному, не мають фенотипічних наслідків. Якщо зміна послідовності ДНК відбувається в гені, що кодує білок, воно з високою часткою ймовірності буде пов'язане з порушеннями життєдіяльності організму. Існує наступна класифікація генних мутацій:

Міссенс мутації- заміна одного нуклеотиду на інший або несинонімічні зміни послідовності ДНК . Теоретично можна виділити два типи подібних мутацій: консервативні і неконсервативні . Консервативні міссенс мутації призводять до заміни одного кодону на рівнозначний (кодони, що кодують один і той же амінокислотний залишок) або кодон іншого амінокислотного залишку, який не змінює фізико-хімічні властивості білка, кодованого відповідним геном. Неконсервативні мутації мутації, як правило, змінюють біохімічні властивості білка і, отже, призводять до порушення його функціональної активності.

Нонсенс мутації- Зміни кодуючої послідовності ДНК, що призводять до утворення стоп-кодону, внаслідок чого синтезується білок, в якому відсутня якась частина його послідовності.

Мутація зсуву рамки зчитування- будь-які зміни послідовності гена ДНК (в основному, втрати або вставки нуклеотидів), які призводять до зсуву зчитування послідовності в ході транскрипції. Результатом цього є синтез абсолютно нового білка або утворення матричної РНК, яка не несе в собі жодної інформації щодо амінокислотної послідовності.

Непатогенні зміни послідовності ДНК- варіації послідовності ДНК, що включають консервативні мутації міссенс, або так звані синонімічні мутації які не змінюють закодовану інформацію в ДНК гена або не впливають на функціональну активність білкових макромолекул

Мутації також відбуваються у некодуючих послідовностях ДНК (інтронах). Цей тип варіацій, зазвичай, немає фенотипічних наслідків. Тим не менш, при зсуві рамки зчитування або утворення альтернативних форм білкових макромолекул ( альтернативний сплайсинг ), ці варіації можуть призводити до порушення функціональної активності білкових макромолекул та, як наслідок, фенотипічних наслідків. У цьому контексті складністю представляється ідентифікація патогенних мутацій, оскільки поняття «норми» в медико-генетичних дослідженнях досить відносно, з того що на молекулярному рівні геном людини є значною мірою нестабільним. Іншими словами, тільки рекурентні мутації (найчастіші повторні мутації, які виявляються в індивідуумів з відомим спадковим захворюванням) можуть бути визнані патогенними. У випадках, коли виявляється нова мутація, виникає необхідність молекулярно-генетичних досліджень близьких родичів пацієнта, щоб визначити, чи є причиною захворювання.

Хромосомні мутації (аномалії)пов'язані або з різними структурними перебудовами хромосом, або зі зміною їхнього числа (n). Чисельні зміни в наборі хромосом ( каріотипі ) можуть бути двох типів: поліплоїдії - множення повного хромосомного набору (3n, 4n і т.д.), або геному, кратне гаплоїдному числу хромосом (у літературі іноді позначаються, як геномні мутації ); анеуплоїдії - збільшення чи зменшення числа хромосом у наборі, неразове гаплоїдному. Ці кількісні зміни каріотипу обумовлені, як правило, порушення мейозу або мітозу. Чисельні хромосомні аномалії у вигляді анеуплоїдії поділяються на моносомію (втрату хромосоми або її частини – часткова моносомія) та трисомію або полісомію (Придбання однієї/декілька хромосом або її частини - часткова трисомія). Дані зміни каріотипу пов'язані з комплексом вроджених вад розвитку і, як правило, із захворюваннями, що супроводжуються розумовою відсталістю, або тяжкими психічними розладами. В даний час описані випадки змін хромосомного набору за участю статевих хромосом та деяких аутосом при шизофренії та аутизмі. Наприклад, до 5-15% дітей із аутистичними розладами мають хромосомні аномалії. Це дозволяє розглядати хромосомний дисбаланс в організмі як одну з можливих причин деяких випадків психічних хвороб.

Структурні зміни можуть впливати на всю хромосому, а також супроводжуватися зміною кількості генетичного матеріалу в ядрі або його переміщенням. Збалансовані хромосомні аномалії являють собою перебудови, за рахунок яких виникають каріотипи з незміненим набором генів, проте їх розташування в межах хромосом або між хромосомами відрізняється від нормального. У більшості випадків носії збалансованих хромосомних аномалій фенотипно нормальні, але для їхнього потомства виникає великий ризик мати незбалансований каріотип, але в окремих випадках носії збалансованого каріотипу можуть мати різні вроджені вади та/або мікроаномалії, а також порушення нервово-психічного розвитку. Якщо при структурних хромосомних мутаціях спостерігається втрата або придбання генетичного матеріалу, то вони є незбалансованими хромосомними аномаліями .

Цитогенетично структурні перебудови класифікують за принципом лінійної послідовності генів: делеції (втрата хромосомних ділянок), дуплікації (подвоєння хромосомних ділянок), інверсії (перевертання на 180° щодо нормальної послідовності хромосомних ділянок), інсерції (вставки хромосомних ділянок) та транслокації (Зміна розташування хромосомних ділянок) хромосом.

Велике значення має вивчення хромосомних мутацій під впливом факторів зовнішнього середовища. Показано, що хромосоми людини відрізняються високою чутливістю до дії радіації та хімічних речовин, які прийнято називати мутагенними факторами. мутагенами ). При аналізі впливу цих факторів слід розрізняти порушення у соматичних та статевих клітинах. Перші торкаються безпосередньо життєдіяльності досліджуваного організму, тоді як другі проявляються у наступних поколіннях. Мутації хромосом у зародкових клітинах ведуть до утворення аберантних гамет, в результаті яких можливі загибель зигот, ембріонів на ранніх стадіях внутрішньоутробного розвитку, народження дітей зі специфічними або неспецифічними хромосомними аномаліями, які виявляються у вигляді певної клінічної картини або певного. Мутації хромосом у соматичних клітинах ведуть до утворення неспецифічних хромосомних аномалій у вигляді хромосомних або хроматидних прогалин, розривів, обмінів у каріотипі, які не ведуть до певного фенотипу, характерного для певного захворювання. Подібні мутації не успадковуються. Слід зазначити, що при вивченні такого роду впливу мутагенних факторів можна оцінити якісно та кількісно дію іонізуючої радіації, хімічних речовин, вірусів, але отримані дані не можуть бути перенесені на статеві клітини, результатом дії на які є хромосомні хвороби у дітей.

Хромосомні аномалії можуть виявлятися в так званих мозаїчних формах, до яких призводить неправильний поділ клітин на різних стадіях ембріонального та постнатального розвитку. Це дозволяє розділити хромосомні аномалії на мозаїчні і регулярні (Аномальний каріотип спостерігається у всіх клітинах організму). Хромосомний мозаїцизм є наявність декількох популяцій клітин з різним один від одного хромосомним наборам. Як правило, при мозаїчних формах хромосомних аномалій спостерігають відсутність окремих клінічних ознак певного хромосомного синдрому та легше перебіг захворювання, але деякі симптоми практично завжди присутні. Мозаїчні структурні хромосомні аномалії спостерігаються досить рідко, тому коли йдеться про мозаїчні хромосомні аномалії, маються на увазі, в основному, чисельні аномалії, мозаїчні форми яких мають досить високу популяційну частоту. Слід також відзначити феномен тканиноспецифічного хромосомного мозаїцизму - Клітини з аномальним хромосомним набором присутні тільки в певній тканині організму.

У п'ятдесятих роках ХХ століття вчені зіштовхнулися з дивним феноменом. Вони звернули увагу на те, що деякі віруси по-різному заражають різні штами однієї бактерії. Деякі штами – наприклад, кишкової палички – заражалися легко та швидко поширювали інфекцію по колонії. Інші заражалися дуже повільно або були стійкі до вірусів. Але одного разу пристосувавшись до того чи іншого штаму, надалі вірус заражав його вже легко.

Біологам знадобилося два десятиліття, щоб розібратися у такій вибірковій стійкості бактерій. Як з'ясувалося, здатність певних штамів бактерій протистояти вірусам – її назвали рестрикцією (тобто «обмеженням») – пояснюється наявністю у них спеціальних ферментів, що фізично розрізають вірусну ДНК.

Особливість цих білків - ферментів рестрикції - у цьому, що вони розпізнають невелику і чітко визначену послідовність ДНК. Бактерії «націлюють» ферменти рестрикції на рідкісні послідовності, яких у своїх генах уникають - але які можуть бути у вірусної ДНК. Різні ферменти рестрикції упізнають різні послідовності.

Кожен штам бактерії має певний арсенал таких ферментів і таким чином реагує на певний набір «слів» у геномі вірусу. Якщо уявити, що геном вірусу - це фраза "мама мила раму", то вірус не зможе заразити бактерію, яка впізнає слово "мама", але бактерія, націлена на слово "дядько", виявиться беззахисною. Якщо ж вірус зможе мутувати і перетворитися, скажімо, на «баба мила раму», то й перша бактерія втратить свій захист.

Чому відкриття «бактеріального імунітету» виявилося на вершині списку найважливіших досягнень молекулярної біології? Справа не в самих бактеріях і навіть не у вірусах.

Відміряти шматочок ДНК

Вчені, які описали цей механізм, майже відразу звернули увагу на найважливішу деталь цього процесу. Ферменти рестрикції (точніше, один із типів цих ферментів) здатні розрізати ДНК у чітко визначеній точці. Повертаючись до нашої аналогії, фермент, націлений на слово "мама" в ДНК, зв'язується з цим словом і розрізає його, наприклад, між третьою та четвертою літерою.

Таким чином, дослідники вперше отримали можливість вирізати з геномів потрібні їм фрагменти ДНК. За допомогою спеціальних ферментів, що «склеюють», отримані фрагменти можна було зшивати - теж у певному порядку. З відкриттям ферментів рестрикції в руках вчених виявився весь інструментарій для «монтажу» ДНК. Згодом для позначення цього процесу прижилася дещо інша метафора – генна інженерія.

Хоча сьогодні існують інші методи роботи з ДНК, переважна більшість біологічних досліджень останніх двадцяти-тридцяти років були б неможливі без ферментів рестрикції. Від трансгенних рослин до генної терапії, від рекомбінантного інсуліну до індукованих стовбурових клітин – будь-які роботи, що включають генетичні маніпуляції, використовують цю «бактеріальну зброю».

Знати ворога в обличчя

Імунна система ссавців - у тому числі людини - має як вроджені, так і набуті механізми захисту. Вроджені компоненти імунітету зазвичай реагують на щось спільне, що поєднує відразу багатьох ворогів організму. Наприклад, уроджений імунітет може розпізнавати компоненти клітинної стінки бактерій, однакові для тисяч різноманітних бактерій.

Придбаний імунітет покладається на явище імунологічної пам'яті. Він розпізнає конкретні компоненти конкретних патогенів, запам'ятовуючи їх у майбутнє. На цьому заснована вакцинація: імунна система «тренується» на вбитому вірусі або бактерії, і надалі, при попаданні в організм живого патогену, «пізнає» його та знищує на місці.

Вроджений імунітет – це прикордонний пункт огляду. Він захищає від усього одразу і при цьому ні від чого конкретного. Отриманий імунітет - це снайпер, який знає ворога в обличчя. Як з'ясувалося у 2012 році, щось схоже є і у бактерій.

Якщо рестрикція - це бактеріальний аналог вродженого імунітету, то роль набутого імунітету у бактерій виконує система з досить громіздкою назвою CRISPR/Cas9, або Криспер.

Суть роботи "Криспера" полягає в наступному. Коли бактерія потрапляє під вірусну атаку, вона копіює частину ДНК вірусу у спеціальне місце у власному геномі (це «сховище» інформації про віруси і називається CRISPR). На основі цих збережених «фотороботів» вірусу бактерія виготовляє РНК-зонд, здатний розпізнавати вірусні гени і зв'язуватися з ними, якщо вірус спробує знову заразити бактерію.

РНК-зонд сам по собі нешкідливий для вірусу, але тут вступає ще один гравець: білок Cas9. Він є «ножиці», відповідальні за руйнування вірусних генів - на кшталт ферменту рестрикції. Cas9 ухоплюється за РНК-зонд і на повідку доставляється до вірусної ДНК, після чого йому дається сигнал: різати тут!

Усього система складається з трьох бактеріальних компонентів:

1) ДНК-сховище "фотороботів" старих вірусів;

2) РНК-зонд, зроблений на основі цих «фотороботів» та здатний пізнати за ними вірус;

3) білкові «ножиці», прив'язані до РНК-зонду і розрізають вірусну ДНК рівно у тій точці, з якою «фоторобот» було знято минулого разу.

Практично миттєво після відкриття цього «бактеріального імунітету» про бактерії та їх віруси всі забули. Наукова література вибухнула захопленими статтями про потенціал системи CRISPR/Cas9 як інструмент для генної інженерії та медицини майбутнього.

Як і у випадку з ферментами рестрикції, система «Криспер» здатна розрізати ДНК у строго визначеній точці. Але в порівнянні з «ножицями», відкритими в сімдесятих, вона має величезні переваги.

Ферменти рестрикції використовуються біологами для «монтажу» ДНК виключно в пробірці: потрібно спочатку виготовити потрібний фрагмент (наприклад, модифікований ген), і вже потім вводити його в клітину чи організм. "Криспером" можна різати ДНК на місці, прямо в живій клітці. Це дозволяє не просто виготовляти гени, що штучно вводяться, а й «редагувати» цілі геноми: наприклад, видаляти одні гени і вставляти замість них нові. Нещодавно про таке можна було тільки мріяти.

Як стало зрозуміло за останній рік, система CRISPR невибаглива і може працювати в будь-якій клітині: не лише бактеріальною, а й мишачою чи людською. "Встановити" її в потрібну клітину досить просто. Принципово це можна робити навіть на рівні цілих тканин та організмів. У майбутньому це дозволить повністю видаляти з геному дорослої людини дефектні гени - наприклад, що викликають рак.

Припустимо, що присутня у вас в геномі фраза «мама мила раму» викликає у вас хворобливу потяг до гендерних стереотипів. Щоб позбавитися цієї проблеми, вам потрібен білок Cas9 - завжди один і той же - і пара РНК-зондів, націлених на слова "мама" і "раму". Ці зонди можуть бути будь-якими – сучасні методи дозволяють синтезувати їх за кілька годин. Обмежень за кількістю взагалі немає: «різати» геном можна хоч у тисячі крапок одночасно.

Прицільна настройка організму

Але цінність «Криспера» не обмежується «ножицькою» функцією. Як відзначають багато авторів, ця система – перший відомий нам інструмент, за допомогою якого можна організувати «зустріч» певного білка, певної РНК та певної ДНК одночасно. Це саме собою відкриває величезні можливості для науки та медицини.

Наприклад, у білка Cas9 можна відключити «ножицьку» функцію, а натомість прив'язати до нього інший білок – скажімо, активатор гена. За допомогою відповідного РНК-зонда пару можна відправляти в потрібну точку геному: наприклад, до погано працюючого гена інсуліну у деяких діабетиків. Організуючи таким чином зустріч активуючого білка та вимкненого гена, можна прицільно та тонко налаштовувати роботу організму.

Прив'язувати можна не тільки активатори, а взагалі все, що завгодно – скажімо, білок, здатний замінити дефектний ген на його «резервну копію» з іншої хромосоми. Таким чином, у перспективі можна буде вилікувати, наприклад, хворобу Хантінгтона. Головна перевага системи CRISPR в даному випадку - саме її здатність «відправляти експедиції» до будь-якої точки ДНК, яку ми можемо запрограмувати без особливих труднощів. У чому завдання кожної конкретної експедиції - визначається лише фантазією дослідників.

Сьогодні важко сказати, які саме проблеми зможе вирішити система CRISPR/Cas9 через кілька десятиліть. Світова спільнота генетиків зараз нагадує дитину, яку пустили до величезної зали, повністю забитої іграшками. Провідний науковий журнал Science нещодавно випустив огляд останніх досягнень області під назвою "The CRISPR Craze" - "Кріспер-божевілля". І все-таки вже зараз очевидно: бактерії та фундаментальна наука вкотре подарували нам технологію, яка змінить світ.

У січні з'явилися повідомлення про народження перших приматів, геном якого був успішно модифікований системою CRISPR/Cas9. Мавп як пробний експеримент ввели мутації в два гени: один пов'язаний з роботою імунної системи, а інший - відповідальний за відкладення жиру, що непрозоро натякає на можливе застосування методу до homo sapiens. Можливо, вирішення проблеми ожиріння методом генної інженерії – не таке вже далеке майбутнє.