У клітці прокаріот спадковий матеріал найчастіше представлений кільцевою молекулою ДНК (кільцевий хромосомою), яка в залежності від умов може проводитися у вигляді однієї або декількох копій. ДНК міститься також у позахромосомних генетичних елементах - плазмидах, в більшості випадків є кільцевими, автономно реплікується невеликими молекулами. Сукупність усіх генів організму називають генотипом, а сукупність притаманних організму ознак - фенотипом. При зміні зовнішніх умов більшість клітин в популяції зазнає змін, що мають пристосувальний характер (адаптаційна мінливість). Адаптації не успадковуються, так як вони не зачіпають генотип і викликані регуляцією клітинного метаболізму. Стрибкоподібні зміни генотипу звуться мутацій. Спонтанними називають мутації, викликані невідомими факторами, а індуковані відбуваються під впливом певних факторів, які називаються мутагенами. Зміна одного нуклеотидного залишку (заміна, вставка або випадання) називають точковою мутацією. Мутації, що ведуть до суттєвих порушень послідовності і кількості генів, зачіпають б # 972; льшие ділянки ДНК.
Захист генетичного матеріалу від шкідливої дії мутагенів незалежно від їх природи здійснюють репараційні системи (фотореактивації і темновая репарація).
Для прояви мутації необхідно, щоб зміна закріпилося в дочірньої молекулі ДНК, тобто повинна відбутися реплікація. Для фенотипічного прояви мутації потрібно проходження транскрипції і трансляції. Так як мікроорганізми існують не у вигляді окремих особин, а у вигляді популяцій, то, як правило, потрібно кілька клітинних поділів, щоб новий ознака проявився. Якщо клітина має кілька копій хромосоми, то мутація також проявиться у фенотипі клітин тільки через кілька клітинних поділів.
Спадкову мінливість у прокариотических мікроорганізмів викликають рекомбінації генетичного матеріалу трьох основних типів: кон'югація, трансформація і трансдукція.
Кон'югація передбачає безпосередній контакт клітини-донора і клітини-реципієнта. Клітка-донор повинна мати статевий плазмидой (F-фактором), який може бути автономний або інтегрований в хромосому. F-фактор обумовлює здатність донорной клітини вступати в контакт з реципієнтом, формувати статеві F-пили і передавати генетичний матеріал. При автономної локалізації F-фактора клітина-донор передає клітці-реципієнту його копію, при цьому реципиентная клітина набуває здатності вступати в кон'югацію вже в якості донора. У разі інтеграції F-фактора в хромосому донора (штам Hfr) передача спадкового матеріалу здійснюється з високою частотою. Перенесення генетичного матеріалу строго орієнтований: розрив копії хромосоми і передача ДНК відбувається в локусі 0 в межах статевого фактора. Швидкість перенесення в однакових умовах для певного штаму є постійною. Оскільки контакт клітин дуже нестабільний і часто переривається, то перехід всієї копії хромосоми в клітку-реципієнт - явище рідкісне. Перейшов в клітку генетичний матеріал може вбудовуватися в хромосому клітини-реципієнта при наявності гомологічних ділянок. Так як першим реципієнту передається завжди один і той же, специфічний для кожного штаму, ділянка хромосоми, то частота передачі стоять слідом за ним генів дозволяє розташувати їх по відношенню до цього локусу і скласти генетичну карту хромосоми.
У процесі трансформації беруть участь клітина-реципієнт і розчинена ДНК, виділена з іншого мікроорганізму. Дволанцюжкові фрагменти ДНК повинні володіти значною молекулярною масою, а клітина-реципієнт - перебувати в певному фізіологічному стані (компетентності), щоб поглинути «чужу» ДНК. При наявності певної гомології проник фрагмент може включитися в хромосому реципієнта.
При трансдукції функцію переносників генетичного матеріалу (векторів) виконують фаги, випадково захоплюючі фрагмент хромосоми господаря при утворенні зрілих фагових частинок. Заражаючи клітку-реципієнт і інтегруючи свою ДНК в хромосому нового господаря, такий фаг включає одночасно в хромосому і фрагмент ДНК першого господаря. Щоб новий ознака міг проявитися в клітці-реципієнті необхідно тривале перебування фага в латентному стані.
Перенесення генетичного матеріалу з клітки в клітку здійснюється також шляхом передачі плазмід.
Дисоціацією називають появу колоній різної морфології при розсіві чистої культури на тверду середу. Механізм цього явища ще не розкритий повністю, проте в практиці наукових досліджень з ним стикається практично кожен, хто працює з мікроорганізмами. Він має постійний характер і більш високу частоту (
10 -4), ніж спонтанні мутації. Найбільш часто утворюються три морфотіпа колоній: R - шорсткі, S - гладкі і M - слизові. У ряду мікроорганізмів були виявлені колонії одного морфотіпа, але мають незначні модифікації (наприклад, гладкі, але істотно різняться за блиском, і тоді позначаються як S1). Спочатку це явище, назване «варіацією фаз», було відзначено у патогенних мікроорганізмів - Salmonella, Shigella, E.coli. У різних фазах протікання хвороби спостерігали переважання певного типу колоній (S - в епідемічної фазі, R - в постепідеміческой).
Відмінності у вигляді колоній зазвичай виявляються не на будь-щільному середовищі, а тільки на середовищі, багатої вуглеводами. Колонії різних морфотипов розрізняються по діаметру, але містять однакову кількість по-різному упакованих клітин. Як правило, M- і R-колонії по діаметру в 2 рази більше, ніж колонії S-варіанти. У той же час кожна колонія вже містить клітини всіх трьох типів. Щільна або рихла «упаковка» клітин в колонії залежить перш за все від способу розбіжності клітин, які діляться (утворюються або ланцюжка клітин, що лежать на прямій, як у R-форм, або розташовані під кутом одна до одної V-подібні форми, як у S- і M-варіантів). Особливості розбіжності клітин діссоціантов при розподілі обумовлюються відмінностями хімічного складу і електрозаряженності речовини капсул (при негативних зарядах виникає відштовхування оболонок). Відмінності в клітинних оболонках (капсула + клітинна стінка) є причиною всього спектра відмінностей фізіолого-біохімічних ознак діссоціантов. У діссоціантов відзначена різна товщина і хімічний склад капсул (наприклад, перехід S- в R-варіант пов'язаний з втратою О антигену). Клітинна стінка R-варіанту в 1,5-2 рази товще, ніж у S-форми. Різна кількість в мембранах діссоціантов ліпідів, що містять ненасичені жирні кислоти, впливає на їх плинність (наприклад, R-варіант має менше таких ліпідів, ніж інші форми). Такі зміни в клітинних оболонках позначаються на функціональних параметрах: швидкості росту і виділення продуктів, стійкості до токсичних речовин і різних фізико-хімічних факторів, активності мембранних ферментів. БóБільша стійкість одного з діссоціантов до якого-небудь фактору може призвести до повної зміни складу популяції до кінця інкубаційного періоду.
Таким чином, на зміну умов популяція «відповідає» зміною співвідношення діссоціатівних варіантів, що сприяє збереженню виду. Тому дисоціацію можна назвати адаптацією до мінливих умов середовища на рівні популяції.
У природних середовищ існування зазвичай спостерігають переважання якогось з діссоціантов, але відзначають наявність всіх трьох варіантів. Облік гетерогенності популяції дозволяє прогнозувати поведінку ряду патогенних мікроорганізмів при зміні умов.
Явище дисоціації слід враховувати при проведенні процесів в мікробіологічних виробництвах, так як при тривалому культивуванні повільно зростаючі варіанти витісняються швидко зростаючими, але, як правило, менш активними діссоціантамі. До того ж діссоціанти можуть синтезувати різну кількість біологічно активних речовин, спектр яких може різнитися. У М-клітин, як правило, утворюється максимальна кількість екзопродуктов, R-варіанти активніше руйнують ксенобіотики, так як вони стійкіші до токсичних речовин. Умови зберігання продуцента також істотно впливають на склад його популяції.
Для стабілізації синтезу біологічно активних речовин в промисловості необхідно: 1) дотримуватися оптимальні умови зберігання продуцента; 2) дотримуватися оптимальні для високопродуктивного діссоціанта умови зростання; 3) постійно вести стабілізуючий відбір; 4) отримати недіссоціірующій клон. Дослідження процесу дисоціації мають прогностичну цінність і дають можливість управляти перебігом процесу.
Показано, що в дисоціації вивчених мікроорганізмів можуть бути задіяні всі генетичні процеси - трансформація, трансдукція, фагів конверсія, мігруючі генетичні елементи (помірні фаги, плазміди, транспозони).
Живі організми, спадковий матеріал яких цілеспрямовано змінений за допомогою генно-інженерних методів, називають генетично модифікованими організмами (ГМО). Метою створення будь-якого ГМО є поліпшення корисних властивостей вихідного організму, а також доповнення їх рядом незвичайних характеристик, часто властивих організмам інших систематичних груп. Для генетичної модифікації зараз найчастіше застосовують перенесення фрагментів ДНК з інших мікроорганізмів в організм-продуцент (отримання трансгенних організмів).
Значну частину ГМО становлять генетично модифіковані мікроорганізми (гемом). Як векторів прокаріотів використовують плазміди і фаги. Оскільки мікробні клітини щодо просто влаштовані, швидко ростуть і легко піддаються «конструювання», то гемом широко використовуються у фундаментальних наукових дослідженнях і прикладних областях. Сучасна наука використовує гемом в якості моделей для вирішення ряду проблем біології і медицини (процеси старіння і регенерації, закономірності розвитку деяких захворювань і т.д.). Для біотехнологічних виробництв гемом - це перспективні продуценти цінних речовин. За допомогою генетично модифікованих мікроорганізмів отримують харчові добавки, амінокислоти, вітаміни, ароматизатори, ферменти, фармацевтичні препарати, вакцини, а також деякі дорогі сполуки, раніше вироблені шляхом традиційного хімічного синтезу. Методами генної інженерії вдається не тільки збільшити продуктивність процесу і здешевити його, а й отримати мікробіологічними шляхом незвичайні для мікробного метаболізму продукти при фізіологічних умовах. Заміна хімічного синтезу на біологічний приваблива з точки зору екологічної безпеки та використання відновлюваних природних джерел. Міжнародні стандарти якості виробництва (GMP) вимагають, щоб після завершальної стадії очищення кінцевий продукт не містив мікробної ДНК.
Останнім часом зростає число гемом, пропонованих для руйнування різних забруднень як в природних середовищ існування, так і в штучних очисних установках. Новий напрямок генно-інженерних розробок - це створення мікроорганізмів-пробіотиків із заданими властивостями на основі молочнокислих бактерій. Отримано штами з підвищеною активністю використання лактози і гідролізу білків молока, що володіють стійкістю до бактеріофагів. Перенесення генів з неспоріднених штамів дозволяє «додати» молочнокислим мікроорганізмам ряд додаткових можливостей (наприклад, здатність до утворення a-кетоглутарата з глутамату).
Потенційні проблеми, що виникають при неконтрольованому внесення гемом в навколишнє середовище, викликали широкі дебати в науковому співтоваристві, залучаючи урядові органи і поборників захисту навколишнього середовища. Основне питання полягав в тому, як довго гемом і їх ДНК будуть існувати в навколишній природі і чи зможуть модифіковані гени від гемом бути передані аборигенних мікроорганізмів. Початкові експерименти показали, що гемом швидко відмирають при внесенні в природні ценози, оскільки не здатні конкурувати з існуючими спільнотами мікроорганізмів. Припускали, що чужорідна ДНК, внесена в гемом, знижує конкурентоспроможність живих клітин в порівнянні з «дикими» штамами через великих енергетичних витрат на реплікацію ДНК. Це припущення було підтверджено при вивченні виживання в грунті гемом Pseudomonas sp. з введеної плазміди, що несе гени розщеплення потужного гербіциду, 2,4,5-тріхлорфеноксіацетата. Клітини гемом-псевдомонад швидко зникали з грунтового зразка і через кілька днів не виявлялися при прямих висіву на середовища. Однак через кілька тижнів гемом-псевдомонади знову можна було виявити в зразку, що говорить про те, що вони не відмирали повністю. Результати цих та подальших експериментів показали, що модифіковані псевдомонади можуть жити в грунті протягом тривалого часу. Інші спостереження показали існування гемом в ґрунтових і водних екосистемах у вигляді некультивованих форм бактерій. Спеціальні дослідження також показали, що ДНК зруйнованих гемом-клітин, адсорбована на частинках грунтової глини, стійка до дії ДНКаз і може існувати в такому «іммобілізованим» вигляді досить довго, а потім бути залучена в процес трансформації. Гени в ґрунтових і водних екосистемах можуть бути також перенесені в результаті трансдукції. Так, через рік після введення в водну екосистему специфічного штаму Pseudomonas sp. В13 в ній були виявлені види, що розщеплюють 3-хлорбензол (3-ХБ), які раніше з цієї еконіші не виділялися. Більш того, в геномі нового ізоляту були виявлені послідовності, що належать штаму В13. Припускають, що новий штам виник в результаті обміну частиною генома між аборигенної бактерією і внесеним штамом В13, нездатним утилізувати 3-ХБ. Таким чином, перенесення генетичного матеріалу в природних нішах можливий протягом значного часу після введення чужорідних генів, і наслідком цього може бути зміна пулу генів мікробіоти даної екосистеми, що відіб'ється на біорізноманіття і стабільності цієї спільноти.
Будь-яка інтродукція гемом в природні еконіші небезпечна через можливість горизонтального перенесення рекомбінантних генів від гемом до інших представників мікробного співтовариства. Ситуація ускладнюється відсутністю адекватних методів виявлення та контролю над поширенням гемом в навколишньому середовищі. Одним із шляхів може бути впровадження в стерпний спадковий матеріал генів «програмованої клітинної смерті», які будуть експресуватися після того, як функція гемом в даному местообитании буде виконана. Якщо ці гени буде нести рекомбінантна плазміда, то її передача іншій мікроорганізму буде викликати його загибель. Тим самим вирішується проблема поширення цих плазмід в навколишньому середовищі.