Бактериална генетика

Основите на генетиката се поставят през 19-ти век благодарение на опитите на Г. Мендел върху наследствеността при растенията, но в началото на 20-ти век този научен клон търпи бурно развитие благодарение на труда на учени като Т. Морган. В този период се натрупват данни относно клетъчната структура на еукариотните клетки, ролята на клетъчното ядро, като основен носител на наследствената информация, изучават се етапите на митотичното делене. По това време се е считало, че бактериалните клетки нямат собствено ядро или обособени структури, носещи генетичната им информация, поради което те не представлявали интерес за генетични проучвания.

Бактериалната генетика е клон на генетичната наука, посветен на изучаването на наследствеността, изменчивостта и унаследяването на генетичната информация при прокариотните микроорганизми. Те представляват особен научен интерес още от началото на тяхното откриване в края на 19-ти век, тъй като се явяват причинители на редица заболявания при човека и животните.

Едва след създаването на първите живи ваксини от Л. Пастьор става ясно, че и прокариотните клетки също притежават характеристиките наследственост и изменчивост, която бива унаследявана от предишни поколения. Големият научен скок в развитието на генетичната наука започва през 1928 г. с експериментите на английския микробиолог Фредерик Грифит върху вирулентността на пневмококите (S. pneumoniae) и по-късно (през 1944 г.) завършва с откритието на американският лекар Осуалд Ейвъри и колеги, че ДНК е основната молекула носител на наследствената информация (генетичен материал) на клетките, независимо дали те са еукариотни или прокариотни.

Своите проучвания Фредерик Грифит провежда върху S. pneumonie, който преди ерата на антибиотиците е бил сред основните причинители на смърт от инфекциозни заболявания. Известно било, че капсулираните щамове пневмококи са силно вируленти за мишки и интраперитонеалното им въвеждане причинява смъртоносен сепсис. Друг интересен факт е, че без капсулните щамове не са болестотворни, от което следва, че основен фактор за високата вирулентност при този бактериален вид е капсулата. В своя експеримент Ф. Грифит инжектира смес от убити капсулирани и живи некапсулирани пневмококи, което води до летален изход за използваните животински модели. Също така той инжектира по отделно убитите капсулирани щамове и безкапсулните, което не причинява болестни промени в изследваните животни. От загиналите животни се изолират и живи капсулирани бактерии, което показва, че безкапсулните щамове се трансформират в стабилни вируленти форми. По-късно Ейвъри и колеги доказват, че капсулното вещество с полизахаридна природа само по себе си не е токсично, а генетичната природа на изолираните от загиналите животни бактерии е променена. Основен извод от този експеримент предполага, че определена субстанция от мъртвите капсулни пневмококи е преминала в непатогенните щамове, която се определя като "трансформиращ фактор". Първоначално се предполагало, че този фактор е с белтъчна природа, но след продължителни експерименти Ейвъри и колеги установяват, че само ДНК от инактивираните пневмококи може да възстанови вирулентността на авирулентините пневмококи. С това изследване учените доказали наличието на генетична информация в ДНК, която детерминират формирането на капсулата. Така е открита една особена характеристика на прокариотите, които могат да трансформират своите клетки като приемат външна ДНК, открита в околната среда и я включва в своя геном чрез рекомбинация.

Бактериалното конюгиране представляват предаването на генетичен материал (най-често плазмид) между бактериални клетки чрез директен контакт между две клетки или чрез мостова връзка между тези клетки. Открито през 1946 г. от Джошуа Ледерберг и Едуард Татум, конюгирането се определя като механизъм на хоризонтален ген трансфер, към който се включват трансформацията и трансдукцията, въпреки че тези два механизма не се реализират посредством контакт на една клетка с друга. Бактериалното конюгиране често се разглежда като бактериален еквивалент на сексуално възпроизводство или чифтосване, тъй като включва обмен на генетичен материал. По време на конюгирането донорната клетка осигурява мобилизируем генетичен елемент, който най-често е плазмид или транспозон. Получената генетична информация често е носи полза за реципиента (получателя) - резистентност към антибиотици, ксенобиотична толерантност или способност за използване на нови метаболити. Такива полезни плазмиди могат да се считат за бактериални ендосимбинти. Други елементи обаче могат да се разглеждат като бактериални паразити и конюгации като механизъм, който те развиват, за да позволят тяхното разпространение.

Ранните изследвания в областта на бактериалната генетика водят до редица открития в генетиката - структура и репликация на ДНК, транскрипция и транслация генетичната информация, както и механизмите, чрез които се унаследява изменчивостта и пр.

Бактериите се използват в множество генетични проучвания и до днес, тъй като притежават редица предимства пред еукариотните клетки. Те се култивират лесно на хранителни среди, имат бърз растеж и лесно се натрупва необходимата биомаса, при внасяне на външна ДНК лесно мутират и генетичната информация се предава на новите поколения, могат да се използват за синтезата на различни химични съединения и др. Големият размер на бактериалните популации гарантира възможността за настъпване на изключително редки генетични събития. Отделните генетични вариации дават възможност на някои представители на огромните бактериални популации да развият бързо нови характеристики. Така например една-единствена мутация може да позволи на определени бактерии да оцелеят в неблагоприятни условия на околната среда (напр. експозиция на антибиотик), които биха убили нейните немутатни варианти или група гени, прехвърлени от друг бактериален вид, могат да позволят на подобни променени прокариоти да инвазират нова екологична ниша (напр. способността за заразяване на нов гостоприемник).

Благодарение на съвременните достижения на бактериалната генетика става възможно полагането на фундаменталните основи на рекомбинантната ДНК технология, която използва натрупаните знания за генния трансфер и генна експресия. Генното инженерство разкрива необозрими възможности в областта на медицината и биотехнологиите.