Плазмиды бактерий, их функции и свойства. Использование в генной инженерии. Плазмиды бактерий. Определение понятия. Классы плазмид. Характеристика R-плазмид, их значение, распространение среди бактерий

Плазмиды бактерий. Определение понятия. Классы плазмид. Характеристика R-плазмид, их значение, распространение среди бактерий.

Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-хозя­ина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определœенных 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.

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 возбудителœей 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.

Классификация плазмид по свойствам, которыми они наделяют своих носителœей

1) F-плазмиды- донорные функции

2) R-плазмиды- устойчивость к лекарственным препаратам

3) Соl-плазмиды- синтез колицинов

4) Еnt-плазмиды- синтез энтеротоксинов

5) Нlу-плазмиды- Синтез гемолизинов

6) Биодеградативные плазмиды- разрушение различных органических и неорганических соединœений, в т.ч. содержащих тяжелые металлы

7) Криптические плазмиды -неизвестны

Лекарственная устойчивость микробов. Генетические и биохимические основы устойчивости бактерий к антибиотикам. Конъюгативные и неконъюгативные R-плазмиды, их основные свойства, механизмы передачи и значение.

Биохимические основы устойчивости. Инактивация препарата бактериальными ферментами. Некоторые бактерии способны продуцировать особые ферменты, которые де­лают препараты неактивными (к примеру, бета-лактамазы, аминогликозид-модифицирующие ферменты, хлорамфениколацетилтрансфераза). Бета-лактамазы - это ферменты, разруша­ющие бета-лактамное кольцо с образованием неактивных соединœений. Гены, кодирующие эти ферменты, широко распространены среди бактерий и бывают как в составе хромосо­мы, так и в составе плазмиды.

Для борьбы с инактивирующим действием бета-лактамаз используют вещества - ин­гибиторы (к примеру, клавулановую кисло­ту, сульбактам, тазобактам). Эти вещества содержат в своем составе бета-лактамное кольцо и способны связываться с бета-лактамазами, предотвращая их разрушитель­ное действие на бета-лактамы. При этом собственная антибактериальная активность таких ингибиторов низкая. Клавулановая кислота ингибирует большинство известныхбета-лактамаз. Ее комбинируют с пеницил-линами: амоксициллином, тикарциллином, пиперациллином.

Предупредить развитие антибиотикорезистентности у бактерий практически не­возможно, но крайне важно использовать антимикробные препараты таким образом, чтобы не способствовать развитию и рас­пространению устойчивости (в частности, применять антибиотики строго по показа­ниям, избегать их использования с профи­лактической целью, через 10-15 дней ан-тибиотикотерапии менять препарат, по воз­можности использовать препараты узкого спектра действия, ограниченно применять антибиотики в ветеринарии и не использо­вать их как фактор роста).

Генетические основы приобретенной резис­тентности. Устойчивость к антибиотикам определяется и поддерживается генами резистентности (r-генами) и условиями, способствующими их распространению в микробных популяциях. Приобретенная лекарственная устойчивость может возникать и распространяться в попу­ляции бактерий в результате:

‣‣‣ мутаций в хромосоме бактериальной клетки с последующей селœекцией (т. е. отбором) му­тантов.

‣‣‣ переноса трансмиссивных плазмид резис­тентности (R-плазмид).

‣‣‣ переноса транспозонов, несущих r-гены

Разли­чают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды . Трансмиссив­ные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую.

Существует несколько генетических меха­низмов переноса плазмид между бактериальными клетками:

а) путем трансформации;

б) с помощью трансдуцирующих фагов;

в) путем мобилизации на перенос с помощью конъюгативных плазмид;

г) с помощью механизма самопереноса, контролируемого системой генов, объ­единœенных в tга-оперон.

В условиях широкого применения антибиотиков и других химиопрепаратов происходит естественный отбор тех штам­мов патогенных бактерий, которые являются носителями R-плазмид. Среди них формируются новые эпидемические клоны патогенных бактерий. В настоящее вре­мя они играют ведущую роль в эпидемиологии инфекционных болезней, и от их рас­пространения во многом зависит эффективность антибиотико- и химиотерапии, а в итоге - здоровье и жизнь людей.

УЧЕНИЙ ОБ ИНФЕКЦИИ

Плазмиды бактерий. Определение понятия. Классы плазмид. Характеристика R-плазмид, их значение, распространение среди бактерий. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Плазмиды бактерий. Определение понятия. Классы плазмид. Характеристика R-плазмид, их значение, распространение среди бактерий." 2017, 2018.

Судовые перегрузочные средства (On board cargo handling gear) Лекция №6 Тема: Грузовое устройство (Cargo gear) 6.1. Судовые перегрузочные средства (On board cargo handling gear). 6.2. Грузовые краны. 6.3. Аппарели. Перегрузка – это перемещение груза на или с транспортного средства. Многие... .

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.

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 конъюгационной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий.

Биология и генетика

Плазмиды бактериальных клеток В большинстве случаев плазмиды бактерий представляют собой двухцепочечные суперскрученные ковалентно-замкнутые кольцевые молекулы ДНК. Эти ферменты узнают в ДНК одни и те же определенные короткие последовательности нуклеотидов сайты.

Тема 22. Генетическая инженерия, плазмиды

1. Плазмиды бактериальных клеток

• В большинстве случаев плазмиды бактерий представляют собой двухцепоче ч ные суперскрученные ковалентнозамкнутые кольцевые молекулы ДНК. Благодаря такой структуре они не подвергаются действию клеточных нуклеаз. Существуют также лине й ные плазмиды, на которые нуклеазы не действуют, поскольку их концевые участки в к а честве защиты имеют спец и фические белки (теломеразы) .
• Размеры плазмид весьма вариабельны. Например, молекулярная масса одной из самых мелких плазмид, обнаруженных в штаммах бактерий E. coli , составляет 1,5 МД. Клетки псевдомонад могут содержать плазмиды, молек у лярная масса которых близка к 500 МД, что составляет около 20 % молекулярной массы хромос о мы этих бактерий.
• Свойства плазмид:

1) с пособность к автономной репликации;

2) тр ансмиссивность (означает способность пла з мид передаваться из клетки в клетку при конъюгации);

3) с пособность многих плазмид к интеграции в бактериальную хр о мосому;

4) н есовместимость;

5) свойство поверхностное исключение присуще конъюгативным плазмидам;

6) плазмиды придают клеткам различные фенотипические признаки.

• Все виды плазмид имеют существенное значение для клетки бактерий по следующим прич и нам:

1) Определяют ряд ее фенотипических свойств, п о зволяющих более гибко и быстро реагировать на изменение условий окружа ю щей среды.

2) Плазмиды бактерий находят широкое применение при теоретических и практич е ских исследованиях (например, применяются в генной инженерии).

3) Играют значительную роль в эволюции бактерий

Рис. 1 - F -плазмида бактерий E . coli

2. Системы рестрикции и модификации бактериальной клетки

• Явление рестрикции и мод и фикации было открыто г. Бертани, Дж. Вайглем в 1953 г. Далее подробно исследовано в конце 1960-х гг. В. Арбером при изучении разв и тия бактериофага λ в различных штаммах кишечной палочки. Им были обнаружены д о полнительные механизмы, регулирующие взаимоотношения бактерий и фагов. На основ а нии открытых механизмов, автором была предложена модель «Рестрикции и модиф и кации». (* Рестрикция буквально переводится как «ограничение».) Это теория, которая объясн я ет механизм ограничения способности роста бактериофагов в бактериях-хозяевах определе н ного штамма.

Позже, за открытие рестриктаз и их применение в молекулярной генетике В.Арбер, Х.Смит и Д.Натанс были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии.

• Работающая в клетках бактерий система рестрикции и модификации (она обозначается как система R-M ) образована двумя специфическими для определенного штамма микр о организма ферментами – метилазами и рестриктазами. Эти ферменты узнают в ДНК одни и те же определенные короткие последовател ь ности нуклеотидов – сайты . Метилаза, модифицируя определенные основания внутриклеточной ДНК, пред о храняет ее от действия собственной клето ч ной рестриктазы.

Модификация – это процесс пострепликативного изменения структуры ДНК , т.е. обязательно требуется завершение процесса репликации ДНК. Наиболее часто выявля е мая модификация – это когда метилазы изменяют ДНК путем метилирования либо глик о зилирования аденина либо цитозина.

• Названия рестриктаз :

Рестриктазы обозначаются буквой R - например , RBsu , REco .

Название рестриктаз определяется родовым и видовым названием бактерии, из которого был выделен фермент. Дополнительное числовое обозначение (римская цифра) отражает хронологию открытия фермента: Bacillus subtilis – Bsu , Escherichia coli – Eco .

• Различают три типа рестриктаз: I , II , III .

• Сайты рестрикции рестриктаз II типа представлены – палиндр о мами .

Палиндром – это когда в двух цепях ДНК последовательности одинаковые, но идут в противоположных направлениях .

Рис. 2 - Пример палиндрома (или сайта рестрикции)

• Примеры действия рестриктаз II типа:

1) В результате действия рестриктаз II типа образуются фрагменты ДНК с тупыми (ровными) концами. Примером таких рестриктаз является фермент Bal I:

2) В результате действия рестриктаз II типа образуются фрагменты ДНК с липкими (неровными) концами. Примером таких рестриктаз является эндонуклеаза EcoR1:

3. Генная инженерия, клонирование генов в клетках микроорганизмов

• Генная инженерия – совокупность методов, позволяющих создавать in vitro рекомбинантные молекулы ДНК, с последующей передачей этих новых генетических структур из одного организма в другой. Цель генной инженерии состоит в получении клеток (в первую очередь бактериальных), способных в промышленных масштабах нарабатывать некоторые “человеческие” белки; в возможности преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим (использование в селекции растений, животных).
• Схема эксперимента по конструированию рекомбинантной ДНК и клонированию генов в клетках бактерий представлена на рис. 2 .

Чужеродную ДНК и ДНК плазмиды расщепляют in vitro с помощью одной и той же рестриктазы. При этом получаются фрагменты с «липкими» концами (одноцепочечные концевые участки с комплементарными основаниями). В результате смешивания таких фрагментов и обработки лигазой образуются плазмиды с включенной в них эукариотической ДНК. Эти гибридные ДНК можно вводить в подходящие бактерии в результате трансформации и размножать, получая многочисленные клоны.

Рис. 2 - Получение и клонирование р е комбинантной ДНК

4. Успехи и проблемы биотехнологии

• Биотехнология , в сущности, не что иное как создание суперпродуцентов на основе микробных и растительных или животных клеток, способных синтезировать любые белковые вещества, имеющие практическое значение. Согласно определения Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики, химической технологии, математики, экономики позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных структур.
• Проблемы биотехнологии можно условно разделить на три группы:

1) Методические . Методических проблем очень много.

2) Экономические . Генно-инженерные методы являются весьма дорогостоящими процедурами. Например, в среднем, создание одного нового сорта ГМР (генетически модифицированных растений) стоит от 50 до 300 млн долларов и занимает от 6 до 12 лет.

3) Этические и политические.

На основании негативного общественного мнения в 1998 г. страны – члены Евросоюза ввели пятилетний мораторий на производство продуктов питания из ГМ-организмов и импорт ГМ-продуктов. Де-юре мораторий был снят в 2003 г., однако до сих пор в Европе коммерчески не производят трансгенные растения.

В 2000 г. был подписан Картахенский протокол по биологической безопасности, ограничивающий распротранение ГМ-организмов. На сегодняшний день к нему присоединились 180 стран.

В 2004 г. Всемирный союз охраны природы признал ГМ-организмы «чужеродными, угрожающими стабильности экосистемы» и обратился к правительствам разных стран с призывом о запрещении их коммерческого использования.

Рис. 3 - Площадь насаждений (в млн га) в 2002 г.; доля в ней трансгенных растений

Перечень фирм,
продукты которых содержат трансгенные компоненты

• Kelloggs (Келлогс) — производит готовые завтраки, в том числе кукурузные хлопья
• Nestle (Нестле) — производит шоколад, кофе, кофейные напитки, детское питание
• Heinz Foods (Хайенц Фудс) — производит кетчупы, соусы
• Hersheys (Хёршис) — производит шоколад, безалкогольные напитки
• Coca-Cola (Кока-Кола) — Кока-Кола, Спрайт, Фанта, тоник «Кинли»
• McDonalds (Макдональдс) — сеть «ресторанов» быстрого питания
• Danon (Данон) — производит йогурты, кефир, творог, детское питание
• Similac (Симилак) — производит детское питание
• Cadbury (Кэдбери) — производит шоколад, какао
• Mars (Марс) — производит шоколад Марс, Сникерс, Твикс
• PepsiCo (Пепси-Кола) — Пепси, Миринда, Севен-Ап

PAGE 5

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 конъюгационной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий.