Микробтар генетикасы

 Жоспар:

Кіріспе

Негігі бөлім

1. Микробтар генетикасы
2. Мутагенез және селекция
3. Рекомбинантты ДНҚ технологиясы
4. Генетикалық код

Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

           Бактериялар— тек микроскопта ғана көрінетін аса ұсақ микробтар және олар квптеген әр алуан аурулар туғызады. Ғалым Антон Левенгук ашқан.Бактерия - бір жасушалы ағза, көбісі таяқша пішінді болып келеді. Бакреия негізінен түссіз тек кейбіреулерінде ғана аздап бояғыш заттар кездеседі. Фотосинтез құбылысы жүретін көк -жасыл қызыл түсті өкілдерін цианобактериялар деп атайды. Бактериялар – табиғатта ең көп тараған, негізінен бір клеткадан тұратын, оқшауланған ядросы жоқ, ең қарапайым организмдер тобы. Алғаш рет бактерияларды (грекше bakterіon – таяқша) 17 ғасырда голланд ғалымы, микроскопты жасаушы – Антони ван Левенгук байқаған. 19 ғасырда бактериялардың құрылысы мен табиғаттағы рөлін француз ғалымы Луи Пастер, неміс ғалымы Роберт Кох және ағылшын ғалымы Джозеф Листер зерттеді. Бактериялардың клетка құрамында тұрақты клетка қабаты, цитоплазмалық мембрана, цитоплазма, нуклеоид, рибосома болады. Ядроның қызметін дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) атқарады.       Бактериялар ядросы мембрана қабығымен оқшауланбаған және онда хромотин жіптері түзілмейді. Бактериялар қарапайым бөліну арқылы көбейеді. Мысалы, 1 г қара топырақта 2 – 3 млрд. бактериялар, 1 г құмды топырақта 150 мың бактериялар, адам көп жиналған бөлме ауасының 1 м3-інде он мыңдай бактериялар тіршілік етеді. Олардың пішіндері әр түрлі: шар тәрізділерін – кокк, қосарланғандарын – диплококк, таяқша тәрізділерін – бациллалар, үтір тәрізділерін – вибриондар, таға тәрізділерін терроидтар, жүзім тәрізді шоғырланғандарын – стафилококтар деп атайды. Бактериялардың ұзындығы 1 – 20 мкм, ені 0,1 – 10 мкм, ал жіп тәрізділерінің ұзындығы 50 – 100 мкм-ге жетеді. Қолайсыз жағдай туғанда сырты қалың қабықпен қапталып спора түзеді. Бактериялар өте төменгі температурада (–190С-та, ал споралары –253С-та) тіршілік ете береді. Оларды өте жоғары температурада (+100С-та) кептіргенде, кейбір түрлері (мысалы, гонококтар) тіршілігін тез жойса, дизентерия таяқшалары жеті тәулік, дифтериянікі отыз тәулік, туберкулездікі тоқсан тәулік, ал түйнеменің бациллалары он жылға дейін тіршілігін жоймайды. Бактерияларды ультракүлгін сәулелері ерітіп жібереді. Қышқылды, қантты, тұзды ортада тіршілік ете алмайды. Бактериялардың көпшілігі зиянсыз, ал зиянды түрлері көптеген жұқпалы аурулар (туберкулез, тырысқақ, көкжөтел, т.б.) тудырады.                              Бактериялар клеткасында өсімдіктер мен жануарлардың клеткасында болатын элементтердің барлығы кездеседі. Бактериялардың тіршілігінде ферменттердің атқаратын рөлі зор. Олардың бір бөлігі (эндоферменттер)    бактерияларда синтез, тыныс алу процесін реттесе, ал екіншілері (экзоферменттер) бактериялар арқылы қоршаған ортаға бөлініп шығады. Сондай-ақ олардың тіршілік етуі үшін көміртек пен азот өте қажет. Бактериялар азотты белоктан, амин қышқылдарынан, аммоний тұздарынан, нитраттардан алады, кейбіреулері атмосфера азотын сіңіреді. Бактериялар көміртекті көптеген көмірсулардан, спирттерден, органикалық қышқылдардан, т.б. алады. Органикалық қосылыстардағы көміртекті сіңіретін бактерияларды гетеротрофты, ал атмосферадағы көміртекті сіңіретіндерді автотрофты бактериялар деп атайды. Бактериялар ауа бар жерде де (аэробты бактериялар), жоқ жерде де (анаэробты бактериялар) өсіп-өнуге бейімделген. Өсімдіктер мен жануарлар қалдықтарын минералдандыру арқылы бактериялар табиғаттағы зат айналымына қатысады. Мысалы, бактериялар өсімдік қалдығына әсер еткенде, оның құрамындағы крахмал, пентозандар, целлюлоза, пектин заттары су мен көмір қышқылына ыдырайды. Тірі организмдерге шіріту бактериялары әсер етсе, ондағы азот қосылыстары аммиакқа айналады. Ал топырақтағы нитрификациялаушы бактериялар аммиакты азот қышқылы тұздарына дейін тотықтырады. Бактериялар топырақ құнарлылығын қалыптастыруға, химиялық элементтердің геохимиялық жолмен алмасуына қатысады, антибиотиктерді, амин қышқылдарын, витаминдер мен ферменттерді, т.б. қосылыстарды түзеді. Бактериялар тамақ және жеңіл өнеркәсіптерінде (сүт тағамдарын әзірлеу, зығырды жібіту, т.б.) кеңінен пайдаланылады. Бактериялық сілтісіздендіру, бактериялық шаймалау – кентастар құрамындағы бағалы кендерді (уран, мыс,алтын, т.б.) микроорганизмдер көмегімен ерітінділеп алу әдісі. Металдарды бактериялық сілтісіздендіру арқылы бөліп алу әдісімен өндіру 16 ғасырдан белгілі болған. Бірақ ол кезде бактериялардың металдарды сілтісіздендірудегі рөлі белгісіз болды. 1947 ж. американың микробиологтары Холмер мен Хинкелл кеніш суында бұрын белгісіз Thіobacіllus T. ferrooxіdans бактериясының бар екенін анықтады және оның сульфидті минералдардың барлық түрін, күкіртті, темірді, сондай-ақ Сu+, Se2-, Sb3+,U4+ элементтерін қышқылдығы (рН) 1,0 – 4,8, температурасы 5 – 35Ә болатын ортада тотықтыра алатынын дәлелдеді. Бұл бактериялардың 1 г кендегі, немесе 1 мл кен суындағы мөлшері 1 млн-нан 1 млрд-қа дейін болады. 1958 ж.АҚШ-та мысты T. ferroоxіdans бактериясымен сілтісіздендіру әдісі патенттелді. КСРО-да бұл жөніндегі зерттеулер 20 ғасырдың 50-жылдарында басталды. Оның нәтижесінде зерттеушілер сульфидті минералдарды, темірді, күкіртті тотықтыратын бактериялардың жаңа (Leptospіrіllum L. ferrooxіdans, Thіobacіllus organopatus, Thіobacіllus thіooхіdans, т.б.) түрлерін ашты. Түсті металдарды кеннен бактериялық сілтісіздендіру әдісімен алуда бактериялардың тиондық түрі – T. ferrooхіdans көбірек қолданылады. Бактериялық сілтісіздендіру процесін жылдамдату үшін кенді ұнтақтап немесе кен үгіндісін (концентратын) жете араластырып, алынған қойыртпақты аэраттап және бактериялардың әрекетке жарамдылығы толық сақталатындай температура мен қышқылдылықты (рН-ты 1,5 – 2,5 шамада) біркелкі ұстау қажет. Бұл жағдайда 1 мл концентраттағы бактерия клеткаларының саны 109–1010 жетеді. Бір сағат ішінде, осындай мыс концентратынан 0,7 г/л, мырыштан 1,3 г/л; қалайыдан 0,2 г/л өнім ерітіндіге түседі. Қалайы мен алтыны бар үгіндіден 70 — 80 сағат ішінде 90% пайдалы кенді (металды) бөліп алуға болады. Бактериялар сульфидтерді жүздеген, мыңдаған есе тез тотықтырады, ал екі валентті темірдің (Fe2+) тотығуын химиялық әдіске қарағанда 2Һ105 есе жылдамдатады. Ашық әдіс үш валентті (Fe3+) темір және бактериясы бар әлсіздеу күкірт қышқылының (H2SO4) судағы ерітіндісін үйіндідегі кенге шашыратып себу арқылы іске асырылады. Жер астылық әдісте ерітінді айдау ұңғымасы арқылы кенге жеткізіледі, ал құрамында металы бар ерітінді ұңғыма арқылы жер бетіне шығарылып, гидрометаллургия зауытына жіберіледі. Бактериялық сілтісіздендіру әдісімен алған металдың өзіндік құны химиялық сілтісіздендірумен салыстырғанда бір жарым – екі есе төмен болады. Бактериялық сілтісіздендіру әдісі Қазақстанда алғаш рет Қоңырат, Николаев кеніштерінде қолданылды.

 

Virus.

  

Категориясы бойынша  туыс саны:

Категория	— Саны
Туыс жалпы саны	35
Бактериялар	21
Мицелиалді саңырауқулақтар	8
Ашытқылар	4
Актиномицеттер	2

 

Категориясы бойынша  түр саны:

Категория	— Саны
Туыс жалпы саны	81
Бактериялар	56
Мицелиалді саңырауқулақтар	15
Ашытқылар	6
Актиномицеттер	4

Категориясы бойынша  штаммдар саны:

Категория	— Саны
Туыс жалпы саны	186
Бактериялар	139
Мицелиалді саңырауқулақтар	31
Ашытқылар	9
Актиномицеттер	7

Үлгілердің саны:

Категория	— Саны
Туыс жалпы саны	2565
Бактериялар	1950
Мицелиалді саңырауқулақтар	333
Ашытқылар	170
Актиномицеттер	112

 

 

Bacterii.

 

    

          Азот жиғыш бактериялар

        Азот  жиғыш бактериялар — топырақты мекендеп, ауадағы молекульді азотты өзіне сіңіріп, оны тұзға айналдыратын бактериялар. Азот жиғыш бактерияға жататындар: топырақтағы азотобактер, түйнек бактериясы, топырақтағы анаэробты майқышқыл бактериясы.

 

Virus.

       Азотбактериялар  – атмосферадағы азотты биологиялық жолмен топыраққа қайта сіңдіретін микроорганизмдердің бір тобы. Бұларды алғаш рет француз ғалымдары 1882 ж. М.Жоден, 1885 ж. М.Бертло анықтаған. 1893 ж. орыс ғалымы С.Н. Виноградский азот сіңіруші микроорганизмді таза күйінде бөліп алған, ал 1901 ж. Голландия ғалымы М.Бейеринк аэробты бактерияларды тапқан. А. 2 үлкен топқа бөлінеді: жоғ. сатыдағы өсімдіктердің тамырында түйнек түзетіндер (қ. Симбиоз); топырақта бос күйінде кездесетіндер. Қазіргі кезде соңғысының 30-дан астам түрі белгілі. А-дың пішіні таяқша тәрізді, ұзындығы 2 – 3 мкм, диам. 4 – 6 мкм. Сырты қабықшамен қоршалған. Кейде бұлардың сыртында қатты қалың қабығы (циста) болады. А-дың көпшілігі аэробты, яғни ауа бар жерде тіршілік етеді. Аммоний тұздарын, нитриттерді, нитраттарды, амин қышқылдарын қорек етеді. Ауадағы азотты бойына сіңіріп, оны өсімдік тамырларына қажет қосылыстарға айналдырады да, әр түрлі витаминдер, ауксиндер бөліп шығарып, өсімдіктің өсуін жақсартады. А-дың арасында спора түзетін бактериялар, яғни анаэробты бактериялар да кездеседі. Олардың ұзындығы 1,5 – 8 мкм. Бұлардың белсенділігі аэробты бактериялармен салыстырғанда төмендеу болады. Ауадағы молек. азоттың басқа хим. элементтермен әрекеттесуі А-дың клеткаларында ғана жүреді. Өсімдіктердің азотқа тапшылығын табиғи жолмен қамтамасыз ету үшін А-дан түрлі тыңайтқыштар алынады. Осы тыңайтқыштармен өсімдіктер тұқымын, ағаш қалемшелерін дәрілейді. Соның нәтижесінде өсімдіктер тез өсіп, өнімділігі артады.

 

 

          

Микроорганизмдерді зерттейтін биологиялық ғылым - микробиология, зерттеу нысаны бойынша карастырады: бактериялар мен актиномицеттерді (бактериология), мицеллалы саңырауқұлақтар  мен ашытқыларды (микология), микробалдырларды (альгология), вирустарды (вирусология), қарапайымдыларды (протозоология). Биотехнология  биологиялық ғылымның бір саласы болғандық-тан биообъект ретінде  микроорганизмдердің атап кеткен таксономиялық  топтарын қолданады. Осы ғылыми бағыттың жаңа даму сатыларында биотехнологиялық үрдіске микроорганизмдердің жаңа топтары, соның ішінде генетикалық  модификацияланған түрлері де енуде.

      Біріншіден, қолдану саласы бойынша микроорганизмдер топтары бөлінбейді (мысалы: медициналық биотехнологияда микробтардың бір тобын, тағамдық биотехнологияда - келесі, ауыл-шаруашылық биотехнологияда - үшінші тобын және т.б.). Айта кету керек, бір микробтық метаболитті (аминқышқылдар, органикалық қышқылдар, антибиотиктер, витаминдер және т.б.) түрлі таксономиядағы микроорганизмдер турлері (ашытқылар және бактериялар, мицелллалы саңырауқүлақтар мен актиномицеттер және т.б.) синтездей алады; сондай-ақ бір метаболита әртүрлі салада қолдануға болады.

      Екіншіден, әртүрлі салада биообъект ретінде қолданылатын микроорганизмдерге қойылатын талаптар әртүрлі, бір бірінен айырмашылықтары болады. Антибиотиктер өндіретіндерге бір талап қойылады, вакцина түрінде қолданылатын штамына қойылатын талаптардан белек, ал пробиотик ретіндегі микроорганизмдерге қойылатын талап екеуіне мүлдем ұқсамайды және т.б.

            Үшіншіден, биотехнологияның турлі  салаларында қолданылатын биообъект  маңызы, рөлі және қатысуы жағынан  ерекшеліктері болады. Микроорганизмдердің  бейімделуі технологияльщ жағдайларға,  өндірістің ауқымдылығына және  жасанды (биореакторда) тіршілік  етуінде функциаланғанда техникалық, өндірістік микро-биологиядан "өндірістік  микроорганизмдер" термині туындады.

       Өнімнің сапасы мен көлемі негізінен бионысанның активтілігіне байланысты.

        Айта кету керек, мүнай және мүнай өнімдерімен ластанған топырақтың биоремедиациясында, бионысан ретінде пайдаланыла-тын микроорганизмдер табиғи жағдайға жақын монодақыл болғанда емес, ал бақылауы төмен жағдайдағы әртүрлі топырақ микроорганизмдерімен бірге функциялайды.

           Төртіншіден, технологиялық міндеттерге  байланысты бионысанды монодақылда  (антибиотиктер, витаминдер, аминкышқылдар  өндіретіндер, вакциналық штамдар  және т.б.) немесе ажыратуы қиын  қоғамдастағы таксономиялық топтар (ағынды суларды активті лаймен  тазартуда) түрінде пайдалануға  болады.

Жалпы алғанда, "бионысан" түсінігі биотехнологияның әртүрлі  саласында қолданатын түрлі микроорганизмдер топтарын біріктіреді.

          Бактериялар

          Көптеген таксономиялық топтардан  түратын бактериялар әлемін Берджи  анықтамасында төрт бөлімге топтастырылған:

- грациликуттер (Gracilicutes, gracilus - жүқа, нәзік, cutes -тері, қабыршақ) - клетка қабырғасы жүқа бактериялар, грам терістер; бұл - фото- және хемотрофтылар, лито- және гетеротрофтылар, аэробты және анаэробтылар;

- фирмикуттер (Firmicutes, firmus - қалың, мықты) - клетка қабырғасы қалың бактериялар, грам оңдылар, авто- және гетеротрофтылар, аэробты және анаэробтылар;

- тенерекуттер (Tenericutes), грам теріс; клетка қабырғасы жоқ; бүл микоплазмалар;

- мендозикуттер (Mendosicutes), архебактериялар - клетка қабырғасының қүрылымы, рибосомалық мембрана қүрылысы мен рибосомалық РНҚ ерекшеліктері бар автотрофтылар.

      1977 жылы Везе және Фокс 16S және 18S - рРНҚ толық емес қатарын сараптау барысында прокариоттарды бактерия және архей әлеміне немесе эубактерия және архебактерия деп бөлуді үсынды.

Прокариоттардың таксондарын  ажырату үшін қазіргі заманғы  жіктелу жүйесі фенотиптік сипаттамамен бірге акуыздар мен ДНҚ молекуласының  анализіне негізделген.

      Биотехиологияда метаболизмнің өзгеше әртурлілігінің арқасында әсіресе энергиямен камтамасыз ететін анаэробты реакцияларында, азот фиксациялау, метан түзуге және баска да реакцияларға кабілеттілігінен бактериялар кеңінен қолданылады. Биохимиялық үрдістер бойынша әртүрлі бактериялардың бірбірінен айырмашылыктары айқын көрінеді, ал көпклеткалы эукзриотты организмдерді салыстыратын болсақ айырмашылыктары .айтарлықтай жоғары емес.

Өндірістік прокариоттар көміртегі және энергиямен қамтамасыз ететін органикалық субстратта өсіріледі. Олар әдетте тек бір органикалық  заттан немесе кез-келген азот көзінен  клетканың барлық компоненттерін синтездейді.

   Анаэробты  бактерияларды қоректенуі бойынша  ажыратады:

1. Гидролиздік бактериялар немесе ацидоген Д олар субстраттың алғашқы гидролизін темен молекулалы қосылыстарға дейін ыдыратады;

2. Гетероацетатты бактериялар, сірке қышқылын синтездейді;

3. Метаногенді бактериялар метан түзеді. Оларды сутегін қабылдайтындар - литотрофтылар және сірке қышқылымен қоректенетін метаногенді бактериялары - ацетотрофтылар деп атайды;

4. Сульфатредукциялаушы және денитрификациялайтын микроорганизмдер, субстрат ішінде азот және күкіртті пайдаланады.

Gracilicutes бөліміне жататын  аэробты, грам теріс бактериялар  (таяқшалар және кокктар) биотехнологияда  кеңінен қолданылады:

- Pseudomonas туыстығы, топырақта, суда, ағынды суда, органикалық және өсімдік қалдықтарында кездеседі; хемоорганотрофтылар, субстрат ретінде әртүрлі органикалық заттарды колдана алады - ақуыз, май, көмірсулар, сонымен қатар гумусты заттарды;

- Azotobacter туыстығы, таяқша пішінді, қозғалғыш бактериялар. Атмосферадағы азотты фиксациялайды, топырақта кеңінен таралған;

- Rhizobiwn туыстығы, түйнек бактериялары, атмосферадагы азотты симбиозды түрде фиксациялайды;

- Agrobacterhim туыстығы, фитопатогендер, Ті-плазмиданы aлy көзі.

- Methylococcus және Methilomonos туыстықтары, қозғалмалы және қозғалмайтын кокктар және таяқшалар. Хемоорганотрофтылар. Олар үшін көміртегі және энергияның көзі тек қана метан және метил спирті;

- Acetobacter және Gluconobacter туыстыктары, этил спиртін сірке қышқылына дейін тотьқтырады;

- Thiobacillus туыстығы, хемолитотрофтылар, күкірт және оның қосындыларын метаболиздейді, Ұсақ таяқша клеткалары, спора түзбейтін, облигатты анаэробтар. Энергияны күкірті бар қосылыстарды тотықтырғанда алады, көміртегі көзі ретінде көмірқышқыл газын пайдаланады. Өте қышқыл ортада кебеюге қабілетті. Топы-рақта, су қоймаларында, ағынды суларда, күкіртті бүлақтарда кездеседі.

       Грациликут бөліміне цианобактериялар да кіреді (жасыл-көк балдырлар). Олар грам теріс, прокариоттар, көп қабатты клетка қабыргасының ішкі жағында пептидогликанды қатар орналасады. Цианобактерия клеткаларында ішкі цитоплазмалық мембрана (тилакоидтар) жүйесі дамығандыктан фотосинтез процесі жүреді, фотопигменттер тән.

       Firmicutes бөліміне жуан грам теріс кокктар мен таякшалар, сонымен қатар актиномицеттер, оған үқсас коринебактериялар мен микобактериялар жатады.

       Клетка қабырғаның тығыздығы гликозидтік байланыспен байланысқан N-ацетилглюкозамин және N-ацетилмурам қышкыл қалдықтарынан парралель орналасқан гликан молекулаларынан тұратын пептидогликанға негізделген. Гликанды молекулалар көлденең пептидті байланыспен байланысқан. Осыдан полимердің атыя -пептидогликан деп атайды. Грам оң бактериялардың клетка қабыр-ғасында пептидогликан қүрғақ салмағының - 40-90%-ын алады, ал грам теріс бактерияларда - 5-10%.

Өндірістік биотехнологияда биологиялық нысан ретінде келесі бактерия топтары қолданады:

- Streptomyces, Leuconostoc, Pediococcus туыстықтары грам оң кокктар, хемоорганотрофтар, факультативті анаэробтар, көмірсуларды ашыту барысында сүт қышқылы, сірке қышқылы, қүмырска қышқылы, этанол және комірқышқыл газы түзеді. Топырақта, өсімдік бетінде, сүтте және сүт өнімдерінде кеңінен кездеседі.

- Bacillus туыстығы, грам он, спора түзуші бактериялар, таяқша пішінді аэробтар. Бүрында таяқша пішіндес бактериялардың барлығын бациллалар (bacillus - кішкентай таяқша) деп атайды. 1875 жылдан соң неміс ботанигі Ф. Кон шөп таяқшасы спора түзетінін ашты, сол жылдан бастап спора түзе алатын таяқша пішінді бактерияларды - бациллалар, ал спора түзбейтіндері - бактериялар атай бастады. Бациллалар топырақта, суда, жануар мен адам ішегінде және өсімдіктердс кездеседі. Сонымен қатар, адамдарда, жануарларда, жәндіктерде және өсімдіктерде ауру тудыратын түрлері анықталған.