Наследственост и изменчивост при бактериите

Бактериалната генетика е всеобхватна наука, чиито предмет бива наследствеността и изменчивостта при бактериите, именно на които се дължат както сходствата, така и различията между родителските и дъщерните клетки.

Наследсвеността представлява предаването на свойствата на бактериите в поколението и се осъществява поради точното разделяне на бактериалния геном в двете дъщерни клетки, от друга страна изменчивостта е промяната на свойствата на бактериите, дължаща се на обмен на генетичен материал или мутация.

Наследственост

Наследствеността при бактериите се осъществява благодарение на точното разделяне на носителите на генетична информация, благодарение на този процес след разделянето на бактериалната клетка двете дъщерни клетки получават идентични копия от генетичната информация на майчината клетка. По този начин, една бактериална клетка може да произведе голяма популация от идентични клетки. В определени случаи спонтанна генетична промяна в една от клетките довежда до появата на субклон с характеристики, различни от първоначалния (див тип) родител. Този процес се нарича вертикално унаследяване. Ако промяната е вредна за растежа на клетката, субклона бързо ще бъде превишен по брой от здравата популация на "дивия" тип, но при наличие на полезна промяна, субклонът може да изпревари популацията от див тип.

Изменчивост при бактериите

Изменчивостта представлява промяна в свойствата на бактериите, дължаща се на обмен на генетичен материал или мутация. Механизмите, чрез които се постига изменчивост биват трансформация, трансдукция и мутация.

Генен обмен между бактериите

• Трансформация

Бактериалната трансформация е процес на хоризонтален трансфер на гени, чрез който някои бактерии поемат чужд генетичен материал ("гола" ДНК) от околната среда. За първи път процеса се съобщава в Streptococcus pneumoniae от Грифит през 1928 - едно от сновополагащите събития за бактериалната генетика.

Процесът на генетичен трансфер чрез трансформация не изисква жива донорна клетка, а само наличието на персистираща ДНК в околната среда. Необходимо условие бактериите да преминат през трансформация е способността им да приемат свободен, извънклетъчен генетичен материал. Такива бактерии се наричат компетентни клетки. Факторите, които регулират естествената компетентност, варират между различните родове. След като трансформиращият фактор (ДНК) влезе в цитоплазмата, той може да бъде разграден от нуклеази, ако е различен от бактериалната ДНК. Ако екзогенният генетичен материал е подобен на бактериалната ДНК, той може да се интегрира в хромозомата. Понякога екзогенният генетичен материал може да съществува съвместно като плазмид с хромозомна ДНК.

• Трансдукция

Бактериофагите имат способността да прехвърлят гени от една бактериална клетка в друга, процес, известен като трансдукция. Различават се две вида медииран трансфер на гени - генерализирана трансдукция и специализирана трансдукция.

В процеса на опаковане на ДНК от бактериофага пакетира случайни фрагменти от бактериалната хромозома. Така лизатът съдържа два вида частици, които се различават само по вида на ДНК, която съдържат. Повечето от частиците съдържат вирусна ДНК, когато те инжектират своята ДНК, литичният цикъл ще се повтори и ще се произведат нови частици от бактериофаги. Малка част от частиците, вероятно до 1%, съдържат фрагменти от бактериалната хромозома на мястото на ДНК на бактериофага. Когато една от тези частици инжектира своята ДНК в клетката, клетката не бива убита. Нововъведената ДНК съдържа само бактериални гени и е свободна да се рекомбинира с хромозомата. Някои трансдуциращи бактериофаги могат да въведат 100-200 килобази на ДНК. Тъй като бактериалните фрагменти, които са пакетирани са по същество случайни почти всеки бактериален ген от бактериалната хромозома може да бъде трансдуциран. Цели плазмиди могат да бъдат трансдуцирани чрез бактериофаги. Някои плазмиди са развили сигнали, за да позволят ефективно пакетиране чрез фагови частици и последващо прехвърляне чрез трансдукция.

• Мутационна изменчивост

Мутационната изменчивост представлява вид генотипна изменчивост, получаваща се в резултат на мутации. Мутациите са структурни промени в нуклеотидната последователност на ДНК, които не се получават вследствие на внасяне на чужд генетичен материал. В бактериалната генетика се наблюдават следните типове генни мутации:

• Точкови мутации – представляват замяната на една двойка бази в молекулата на ДНК с друга.
• Нуклеотидни делеции – мутациите от тази група включват всички случаи на премахване на един или няколко нуклеотида от нуклеотидната секвенция.
• Нуклеотидни инсерции – това са промени, причинени от вмъкването на един или няколко нуклеотида в рамките на дадена последователност.

Последсвията при замяна на бази в молекулата на ДНК биват:

• Мълчаща мутация - новият триплет от бази кодира същата аминокиселина;
• Липса на промяна във фенотипа - новият триплет кодира нова аминокиселина, но на неактивно място в молекулата;
• Промяна във фенотипа - новият триплет кодира нова аминокиселина, намираща се на активно място;
• Безмислена мутация - кодира се безсмислен триплет.