что такое плазмиды бактерий
Что такое плазмиды бактерий
Внехромосомные факторы наследственности бактерий представлены плазмидами, вставочными последовательностями и транспозонами. Все они образованы молекулами ДНК, различающимися между собой по молекулярной массе, кодирующей ёмкости, способности к автономному реплицированию и др.
Плазмиды бактерии. Виды плазмид. Функции плазмид бактерий.
Плазмиды — фрагменты ДНК с молекулярной массой порядка 10 6
10 8 D, несущие от 40 до 50 генов. Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды.
• Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; в клетке может присутствовать несколько их копий.
• Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
• Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
Плазмиды выполняют регуляторные или кодирующие функции. Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его функций. Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
В соответствии с определёнными признаками, кодируемыми плазмидными генами, выделяют следующие группы плазмид:
F-плазмиды. При изучении процесса скрещивания бактерий оказалось, что способность клетки быть донором генетического материала связана с присутствием особого F-фактора [от англ. fertility, плодовитость]. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F»). В связи с этим можно указать, что сам термин «плазмида» был предложен для обозначения «полового» фактора бактерий (Джошуа Лёдерберг, 1952). F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. Встроенная в хромосому F-плазмида обеспечивает высокую частоту рекомбинации бактерий данного типа, поэтому их также обозначают как Hfr-плазмиды от англ. high frequency of recombinations, высокая частота рекомбинаций].
R-плазмиды [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам, хотя некоторые детерминанты устойчивости правильнее рассматривать как связанные с транспозонами [см. ниже]), а также к тяжёлым металлам. R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.
Неконъюгативные плазмиды обычно характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae). Они обычно имеют небольшие размеры (молекулярная масса примерно 1 — 10*10 6 D). Обнаруживают большое количество мелких плазмид (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве при клеточном делении. Неконъюгативные плазмиды могут быть также перенесены из клетки в клетку при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид. При конъюгации донор может передать и неконъюгативные плазмиды за счёт связывания генетического материала последних с конъюгативной плазмидой.
Плазмиды бактериоциногении кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. Многие плазмиды, кодирующие образование бактериоцинов, также содержат набор генов, ответственных за конъюгацию и перенос плазмид. Подобные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150*10 6 D), их довольно часто выявляют у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в количестве 1
2 копий на клетку. Их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.
Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox+-транспозоны (мигрирующий генетический элемент, см. ниже), кодирующие токсинообразова-ние. Нередко tox+-транспозоны кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом.
Скрытые плазмиды. Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.
Плазмиды биодеградации. Обнаружен также ряд плазмид, кодирующих ферменты деградации природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.
— Вернуться в оглавление раздела «Микробиология.»
Что такое плазмиды бактерий
11. Плазмиды бактерий,их функции и свойства. Использование плазмид в генной инженерии. Медицинская биотехнология, ее задачи и достижения.
Плазмиды представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК размером от 103 до 106 н.п. Они могут быть кольцевой формой и линейными. Плазмиды кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.
Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:
• устойчивость к антибиотикам;
• продукцию факторов патогенности;
• способность к синтезу антибиотических веществ;
• расщепление сложных органических веществ;
• образование ферментов рестрикции и модификации. Репликация плазмид происходит независимо от хромосомы с участием того же набора ферментов, который осуществляет репликацию бактериальной хромосомы (см. раздел 3.1.7 и рис. 3.5).
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 репликонов 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.
Плазмиды, которые могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона, называются интегративными или эписомами.
Плазмиды, способные передаваться из одной клетки в другую, иногда даже принадлежащую иной таксономической единице, называются трансмиссивными (конъюгативными). Трансмиссивность присуща лишь крупным плазмидам, имеющим tra-оперон, в который объединены гены, ответственные за перенос плазмиды. Эти гены кодируют половые пили, которые образуют мостик с клеткой, не содержащей трансмиссивную плазмиду, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку. Этот процесс называется конъюгацией (подробно он будет рассмотрен в разделе 5.4.1). Бактерии, несущие трансмиссивные плазмиды, чувствительны к «мужским» нитевидным бактериофагам.
Плазмиды, детерминирующие синтез факторов патогенности, в настоящее время обнаружены у многих бактерий, являющихся возбудителями инфекционных заболеваний человека. Патогенность возбудителей шигеллезов, иерсиниозов, чумы, сибирской язвы, иксодового бореллиоза, кишечных эшерихиозов связана с наличием у них и функционированием плазмид патогенности.
Некоторые бактериальные клетки содержат плазмиды, детерминирующие синтез бактерицидных по отношению к другим бактериям веществ. Например, некоторые Е. coli владеют Col-плазмидой, определяющей синтез колицинов, обладающих микробоцидной активностью по отношению к колиформным бактериям. Бактериальные клетки, несущие такие плазмиды, обладают преимуществами при заселении экологических ниш.
Плазмиды используются в практической деятельности человека, в частности в генной инженерии при конструировании специальных рекомбинантных бактериальных штаммов, вырабатывающих в больших количествах биологически активные вещества (см. главу 6).
Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология — это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.
Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием.
Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:
• медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны, вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты, иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды, липиды, антиметаболиты, антиоксиданты, противоглистные и противоопухолевые препараты);
• ветеринарии и сельском хозяйстве (кормовой белок: кормовые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, биологические средства защиты растений, инсектициды);
• пищевой промышленности (аминокислоты, органические кислоты, пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, спирты, дрожжи);
• химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);
• энергетике (биогаз, этанол).
Следовательно, биотехнология направлена на создание диагностических, профилактических и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, на решение продовольственных вопросов (повышение урожайности, продуктивности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов — молочных, кондитерских, хлебобулочных, мясных, рыбных); на обеспечение многих технологических процессов в легкой, химической и других отраслях промышленности. Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества) осуществляются с помощью микроорганизмов.
В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую, сельскохозяйственная — на ветеринарную и биотехнологию растений, а промышленная — на соответствующие отраслевые направления (пищевая, легкая промышленность, энергетика и т. д.).
Биотехнологию также подразделяют на традиционную (старую) и новую. Последнюю связывают с генетической инженерией. Общепризнанное определение предмета «биотехнология» отсутствует и даже ведется дискуссия о том, наука это или производство.
Что такое плазмиды бактерий
Микробиология
Предметом изучения микробиологии
Плазмиды
Плазмиды бактерий представляют собой двунитевые молекулы ДНК размером от 10^6 до 10^8 Д, несущие от 40 до 50 генов. Количество плазмид в бактериальной клетке может быть от 1 до 200. Выделяют плазмиды, находящиеся в виде отдельной замкнутой молекулы ДНК (эписомы) и встроенные в хромосому бактерии (интегрированные плазмиды). Плазмиды выполняют регуляторные и кодирующие функции. Первые направлены на компенсацию метаболических дефектов, вторые вносят в бактерию информацию о новых признаках. Как составляющая часть генетического материала бактерии плазмиды играют важную роль в ее жизнедеятельности, детерминируя такие характеристики, как способность продуцировать экзотоксины, ферменты или бактериоцины, устойчивость к лекарственным препаратам и т.д.
Удвоение ДНК некоторых плазмид индуцирует деление бактерий, т.е. увеличивает их «плодовитость». Такие плазмиды обозначают как F-плазмиды или F-факторы (от англ. fertility – плодовитость). Плазмиды, детерминирующие устойчивость к лекарственным препаратам, называются R-плазмидами или R-факторами (от англ. resistance – устойчивость). Многие R-плазмиды являются трансмиссивными и, распространяясь в популяции бактерий, делают бактерию недоступной к воздействию бактериальных препаратов. Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов, детерминируя синтез факторов патогенности. Так, например, Ent-плазмида определяет синтез энтеротоксина.
Конъюгативные (трансмиссивные) плазмиды переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов в процессе конъюгации. Чаще всего конъюгативными плазмидами являются F- или R-плазмиды. Подобные плазмиды относительно крупные (25-150 млн Д) и часто выявляются у грамотрицательных палочек.
Неконъюгативные плазмиды обычно имеют небольшие размеры и характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae). Мелкие плазмиды могут присутствовать в больших количествах (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве во время клеточного деления.
Плазмида – определение, типы и функции
Определение плазмиды
Плазмида – это маленький круглый ДНК, отличающийся от хромосомной ДНК, которая является генетическим материалом, обнаруженным в организм Хромосомы. Он реплицируется независимо от хромосомной ДНК. Плазмиды в основном находятся в бактерии, но они также могут быть найдены в архее и многоклеточный организмы. Плазмиды обычно несут по крайней мере один ген и многие из генов, которые несут плазмиды, полезны для их организмов-хозяев. Хотя они имеют отдельные гены от своих хозяев, они не считаются независимой жизнью.
Функции плазмид
Плазмиды имеют много разных функций. Они могут содержать гены, которые увеличивают выживание организма, убивая других организмов или защищая хозяина клетка производя токсины. Некоторые плазмиды облегчают процесс репликации в бактериях. Поскольку плазмиды настолько малы, они обычно содержат только несколько генов со специфической функцией (в отличие от большого количества некодирующей ДНК). Несколько плазмид могут сосуществовать в одной и той же клетке, каждая с различными функциями. Функции более подробно описаны в разделе «Конкретные типы плазмид» ниже.
Общие типы плазмид
Конъюгированные и неконъюгированные
Существует много способов классификации плазмид от общих до специфических. Один из способов состоит в том, чтобы сгруппировать их как сопряженные или не сопряженные. Бактерии размножаются путем полового конъюгирования, которое представляет собой передачу генетического материала из одной бактериальной клетки в другую, либо через прямой контакт, либо через мост между двумя клетками. Некоторые плазмиды содержат гены, называемые переносящими генами, которые облегчают начало конъюгации. Неконъюгативные плазмиды не могут начать процесс конъюгации, и они могут быть переданы только посредством полового конъюгации с помощью конъюгативных плазмид.
несовместимость
Другая классификация плазмид относится к группе несовместимости. В бактерии разные плазмиды могут сосуществовать, только если они совместимы друг с другом. Несовместимая плазмида будет удалена из бактериальной клетки. Плазмиды несовместимы, если они имеют одинаковую стратегию размножения в клетке; это позволяет плазмидам заселять определенную территорию внутри нее без вмешательства других плазмид.
Конкретные типы плазмид
Существует пять основных типов плазмид: F-плазмиды фертильности, плазмиды устойчивости, плазмиды вирулентности, деградирующие плазмиды и плазмиды Col.
Плодородие F-плазмиды
Плазмиды фертильности, также известные как F-плазмиды, содержат переносящие гены, которые позволяют переносить гены от одной бактерии к другой через конъюгацию. Они составляют широкую категорию конъюгативных плазмид. F-плазмиды представляют собой эпизоды, которые являются плазмидами, которые могут быть встроены в хромосомную ДНК. Бактерии, которые имеют F-плазмиду, известны как F-положительные (F +), а бактерии без нее – F-отрицательные (F–). Когда бактерия F + конъюгирует с бактерией F–, образуются две бактерии F +. В каждой бактерии может быть только одна F-плазмида.
Плазмиды сопротивления
Резистентные или R-плазмиды содержат гены, которые помогают бактериальной клетке защищаться от факторов окружающей среды, таких как яды или антибиотики. Некоторые резистентные плазмиды могут переносить себя посредством конъюгации. Когда это происходит, штамм бактерий может стать устойчивым к антибиотикам. В последнее время тип бактерии, вызывающей гонорею, передаваемую половым путем, стал настолько устойчивым к классу антибиотиков, называемых хинолонами, что Всемирная организация здравоохранения начала рекомендовать новый класс антибиотиков, называемый цефалоспоринами. Бактерии могут даже стать устойчивыми к этим антибиотикам в течение пяти лет. Согласно NPR, чрезмерное использование антибиотиков для лечения других инфекций, таких как инфекции мочевыводящих путей, может привести к распространению устойчивых к лекарствам штаммов.
Плазмиды вирулентности
Когда плазмида вирулентности находится внутри бактерии, она превращает эту бактерию в патоген, который является возбудителем болезни. Бактерии, вызывающие заболевание, могут легко распространяться и размножаться среди пораженных людей. Бактерия Escherichia coli (E.coli) имеет несколько плазмид вирулентности. Кишечная палочка естественным образом обнаруживается в кишечнике человека и у других животных, но некоторые штаммы кишечной палочки могут вызывать сильную диарею и рвоту. Salmonella enterica – еще одна бактерия, которая содержит плазмиды вирулентности.
Разлагающие плазмиды
Разлагающие плазмиды помогают бактерии-хозяину переваривать соединения, которые обычно не встречаются в природе, такие как камфора, ксилол, толуол и салициловая кислота. Эти плазмиды содержат гены для специальных ферментов, которые расщепляют определенные соединения. Деградирующие плазмиды являются конъюгативными.
Col плазмиды
Col-плазмиды содержат гены, которые вырабатывают бактериоцины (также известные как колицины), которые являются белками, которые убивают другие бактерии и таким образом защищают бактерию-хозяина. Бактериоцины обнаружены во многих типах бактерий, включая кишечную палочку, которая получает их из плазмиды ColE1.
Применение плазмид
Люди разработали множество способов использования плазмид и создали программное обеспечение для записи последовательностей ДНК плазмид для использования во многих различных методах. Плазмиды используются в генная инженерия усиливать или производить много копий определенных генов. В молекулярном клонировании плазмида является типом вектора. Вектор представляет собой последовательность ДНК, которая может транспортировать чужеродный генетический материал из одной клетки в другую, где гены могут быть дополнительно экспрессированы и реплицированы. Плазмиды полезны при клонировании коротких сегментов ДНК. Также плазмиды можно использовать для репликации белков, таких как белок, который кодирует инсулин, в больших количествах. Кроме того, плазмиды исследуются как способ переноса генов в клетки человека в рамках генной терапии. В клетках может отсутствовать специфический белок, если у пациента есть наследственное заболевание с участием гена мутация, Вставка плазмиды в ДНК позволит клеткам экспрессировать белок, которого им не хватает.
викторина
1. Какой НЕ является одним из пяти основных типов плазмид?A. Плодородие F-плазмидыB. ДНК плазмидыC. Col плазмидыD. Плазмиды вирулентности
Ответ на вопрос № 1
В верно. К пяти основным типам плазмид относятся F-плазмиды фертильности, плазмиды Col, плазмиды вирулентности, деградирующие плазмиды и плазмиды устойчивости. Все плазмиды состоят из ДНК.
2. Что такое неконъюгативная плазмида?A. Плазмида, которая не может быть воспроизведенаB. Плазмида, которая не может вызвать процесс полового конъюгацииC. Плазмида, которая кодирует токсины, которые убивают конъюгативные плазмидыD. Плазмида, которая предотвращает процесс полового конъюгации
Ответ на вопрос № 2
В верно. Неконъюгирующая плазмида не может сама начать половое сопряжение; он должен полагаться на конъюгативные плазмиды, которые могут запустить этот процесс, для репликации.
Ответ на вопрос № 3
D верно. Деградирующие плазмиды кодируют ферменты, которые помогают переваривать необычные соединения, такие как салициловая кислота. Выбор A является функцией F-плазмид фертильности, B является функцией плазмид Col, а C является функцией плазмид вирулентности.
Плазмиды
Плазмида — внехромосомный самовоспроизводящийся генетический элемент, встречающийся у бактерий, архей и эукариот. Обычно представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК (хотя на данный момент известны бактерии c линейными плазмидами [1] ). В природе плазмиды, как правило, несут гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам и иным неблагоприятным внешним факторам.
Попадание плазмиды в клетку организма-хозяина может осуществляться несколькими [1] путями:
Первый способ приобретения плазмиды соответствует горизонтальному переносу генов (явление, при котором организм передаёт гены другому организму, не являющемуся его потомком).
Искусственные плазмиды используются как векторы в клонировании ДНК.
Архея, которой я занимаюсь, — Archaeoglobus fulgidus (подробнее о ней). Она относится к роду Archaeoglobus, в котором известно две плазмиды. Однако, у них обеих хозяевами являются представители вида Archaeoglobus profundus, а в виде fulgidus плазмид, соответственно, не обнаружено вообще.
 |
| Схема строения плазмиды pNGR234b |
Анализируя длины всех плазмид, можно сказать, что средняя длина составляет 85 генов, а если рассмотреть медианное значение, то оно уже оказывается равным намного меньшему числу, всего 34 гена.
1. Извлечение названий родов и видов организмов.
Для того чтобы извлечь нужные данные из ячеек столбца Organism Name, я решила использовать общую формулу, которая учитывала бы все возможные условия и работала бы для любого названия организма. Сперва я перечислила условия, при выполнении которых в соответствующую ячейку столбца Genus проставлялся прочерк:
2. Создание сводной таблицы «genera».
Сперва я создала новый лист под названием «genera», после чего ипользовала Вставка->Сводная таблица. Источником информации для сводной таблицы я выбрала таблицу с листа plasmids. Поля для сводной таблицы — ID и Genus. При этом я сделала именно Количество по полю ID, которое и является количеством плазмид в соответствущем роде из стоблца Genus.