Прокариоты не имеют полового процесса в отличие от эука-риот, у которых происходит объединение геномов двух разных организмов с обменом генетическим материалом. Для прокариот возможен лишь частичный обмен участками генома, и то в строго ограниченных пределах. В этом принципиальное различие прокариот и эукариот.
Основу изменчивости принято искать в мутационном процессе, который, однако, нередко ведет к потере гена и соответствующего признака. Тем не менее считается, что мутационный процесс является движущей силой эволюции. Другой путь изменения генома основан на перераспределении генетической информации комбинаторным путем между носителями разных функций. Это осуществляется путем генетической рекомбинации.
При гомологичной рекомбинации два генома обмениваются отрезками ДНК. Причиной для обмена служит разрыв одной нити ДНК, происходящий либо случайно, либо под действием специального комплекса ферментов, обозначаемых Rec, которые расплетают двойную спираль и разрезают ее в месте, содержащем последовательность ГЦТГГТЦГ. Образуется однонитевой участок ДНК, который связывается со специальными белками и может внедриться в участок двунитевой ДНК реципиента. Затем происходит обмен участками ДНК донора и реципиента. Как видно, необходим физический контакт между двумя дуплексами ДНК. Такая ситуация может возникнуть между двумя плазмидами или плазмидой и хромосомой, или петлей на хромосоме.
При другом типе рекомбинации распознается определенная последовательность на ДНК и к ней пристраивается ДНК донора.
62
Таков механизм включения генома вирусов в хромосому бактерий. Предполагается, что ДНК донора и реципиента в местах разрезания гомологична, но в промежутке между этими участками она может отличаться.
Организм должен обладать мощными механизмами защиты от проникновения чужеродной информации, если таких механизмов нет, то организм должен переродиться и погибнуть как самостоятельный вид. Уничтожение чужеродной ДНК представляет собой норму самосохранения. В клетке постоянно находятся активные нуклеазы, которые расщепляют как собственные нуклеиновые кислоты, когда они становятся не нужны, так и попавшие в клетку извне. Быстрому расщеплению подвергаются линейные молекулы. Поэтому приобретение генетической информации извне представляет редкое событие.
Защита клетки от чужеродной ДНК осуществляется с помощью рестрикции, благодаря действию ферментов эндонуклеаз, расщепляющих нить ДНК. Они обеспечивают стабильность генома. Эндонуклеазы распознают определенные короткие, длиной в 4-6 пар оснований, последовательности и разрывают в этом месте двойную нить чужеродной ДНК. Такие последовательности могут оказаться и в собственной ДНК, и она защищается от самоубийственной рестрикции модификацией ДНК, например, метилированием или введением дополнительного основания. Обмануть систему рестрикции, например при инфекции фагом, удается в том случае, если фаговая ДНК будет сохраняться достаточно долго в хозяине, чтобы подвергнуться модификации. Такой модифицированный фаг окажется высоковирулентным. По своей сути, система рестрикции-модификации видо специфична и относится к широкому классу явлений гетерофобии, обеспечивающих устойчивость объекта.
Внимание привлекают, однако, именно редкие случаи переноса генетической информации с возникновением новой комбинации. В природных условиях генетическая рекомбинация может приводить к латеральному переносу генов, что представляет один из наиболее интересных путей возникновения функционального разнообразия микроорганизмов за счет комбинаторного перераспределения блоков генетической информации.
63
Генетический обмен между бактериями осуществляется тремя путями: трансформацией, когда ДНК из окружающей среды проходит через мембрану в клетку; конъюгацией, где переносчиком (вектором) служит плазмида; трансдукцией, где переносчиком служат бактериофаги. Если перенесенная ДНК встраивается в хромосому, то затем она наследуется дочерними клетками.
Другой тип подвижных генетических элементов представляют транспозоны. Это участки генома, которые могут менять свое положение на хромосоме или же переходить с хромосомы на экстрахромосомные элементы. Транспозоны имеют по концам последовательности для включения (IS - insertion sequence), а в середине может быть заключен любой ген. Перенос обслуживается специальным ферментом. Транспозоны могут быть перенесены на другое место на хромосоме, плазмиде, фаге.
Понимание генетических механизмов в бактериях позволило создать технику генетической инженерии - искусственного выделения, умножения, передачи генов. Эта обширная область лежит, однако, вне рассматриваемых здесь проблем природоведческой микробиологии, хотя методы приложения к естественным объектам создают быстро развивающуюся область молекулярной экологии, объектом которой служит изучение геномов в природной обстановке, а не организмов. Одним из важнейших приемов служит идентификация генов, точнее, некоторых последовательностей оснований, в исследуемых ДНК.
Короткие участки ДНК можно синтезировать in vitro, пользуясь полимеразной цепной реакцией (ПЦР, англ. PCR), в которой осуществляется амплификация небольших последовательностей, соответствующих одному или немногим генам. Желаемую последовательность однонитевой ДНК получают из мРНК под действием обратной транскриптазы. Она используется в качестве праймера. Затем двунитевую ДНК объекта нагревают для разрыва дуплекса, добавляют праймер и подвергают действию ДНК полимеразы. Несколько циклов позволяют копии умножиться экспоненциально. Таким способом можно получить желаемый ген или последовательность. Эта методика позволяет обнаружить искомые последовательности в суммарной ДНК, экстрагированной из микробного сообщества в естественном месте обитания. Если
64
эти последовательности значимы для какой-либо группы организмов, например архебактерий, то можно идентифицировать их присутствие в сообществе.
65
