Исследования генома бактерий и наследственности разных штаммов
Изучение генетического аппарата бактерий стало основой развития молекулярной биологии, включая генные технологии. Существование пола у растений было известно с конца 17 в.; в конце 19 в. исследователи наблюдали разделение хромосом в ядрах клеток растений и животных. Однако открытые Грегором Менделем (1822-1884) законы наследственности и его теория «маркера наследственности» слишком опередили время и оставались незамеченными в течение 35 лет, пока не были переоткрыты и заново сформулированы в 1900 г. X. Де Фризом (1848-1935), K. Корренсом (1864-1933) и Э. фон Чермаком (1871-1962).
Спустя несколько недель после лекции Де Фриза в Амстердаме (1900), в которой он ввел понятия мутация и мутант, Вейеринк выступил с докладом «Различные формы наследственности у микробов», отметив, что некоторые варианты бактерий также можно назвать мутантами. В этом докладе прозвучало, что микробы представляют собой полезные объекты для изучения не только законов наследственности и изменчивости, но также принципов межвидовой конкуренции.
В 1912 г. Бейеринк, полностью признавая теорию Де Фриза («Теория мутаций», 1901, 1903), дал следующую трактовку введенному в 1909 г. датским биологом Вильгельмом Иогансеном (1857-1927) понятию ген: «Гены, или единицы наследственности, - это переносчики видимых признаков, очевидно представляющие собой часть протоплазмы или клеточного ядра». Идеи Бейеринка относительно мутаций, обратных мутаций (реверсий) и адаптации были основаны на его работах с дрожжами и Serratia marcescens.
Хотя природа гена как функциональной генетической единицы («цистрона») и мутаций все более прояснялась и в исследованиях на высших организмах, некоторые генетики рассматривали мутации как направленные процессы. Ошибочность такого представления показали в своих экспериментах Сальвадор Лурия (1912-1991) и M. Дельбрюк, разработав «флуктуационный тест» (1943) и установив наличие спонтанных ненаправленных мутаций у бактерий. Их данные были подтверждены «экспериментом по распределению» Х. Ньюкомба (1949) и экспериментами, проведенными методом непрямого отбора (1952) с применением метода отпечатков, или реплик, Дж. Ледербергом и Э. Ледерберг.
Ранние попытки выявления пола у бактерий описаны лишь в немногих работах. Копуляционные пары клеток у гигантской пурпурной бактерии Chromatium okemii и Rhodospirillum наблюдали Ф. Фёрстер (1892) и Х. Поттхоф (1922). В 1925 г. были проведены эксперименты по скрещиванию двух ауксотрофных мутантов Escherichia coli, опубликованные позднее (Schermon, Wing, 1937). Плодотворные эксперименты по совместному культивированию ауксотрофных мутантов Neurospora crassa (1941) и открытие трансформации у Рnеumococcus (см. ниже) побудило Ледерберга исследовать генетические структуры бактерий c помощью скрещивания мутантных штаммов Е. coli. Конъюгация (половая рекомбинация) была впервые описана в 1946 г. B работе Татума (1909-1975) и Ледерберга, проведенной с использованием в качестве партнеров двух стабильных двойных ауксотрофных мутантов.
Открытие феномена трансформации с переносом «голой» ДНК было cделано в эпидемиологических исследованиях на Рnеumococcus (Streptococcus) pneumoniae. B 1928 г. Ф. Гриффит обнаружил, что можно трансформировать шероховатый (бескапсульный) R-вариант в гладкие (покрытые капсулой) S-клетки путем пассировапия R-клеток іn vivo, если вводить их мышам вместе с убитыми нагреванием клетками S-типа. Эксперименты іn vitro, проведенные О. Эвери, С. Маклеодом и М. Маккарти (1944), доказали, что трансформирующим агентом при таких наследуемых изменениях служит ДНК.
Открытие ДНК в качестве носителя генетической информации, означавшее революцию в биологии, дало новый стимул исследованиям, и в 1950 г. Дж. Ледерберг и Э. Чаргафф, проведя тонкие количественные эксперименты, установили, что представители различных таксономических групп различаются по содержанию в ДНК гуанина и цитозина (G + C) и существует общее правило:
А = Т; G = С; А+G = С+Т
Начиная с 1946 г. открытия следовали одно за другим, и важнейшим среди них было установление молекулярной структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком (1953). Кольцевую структуру бактериальной хромосомы и ее способность к репликации удалось выявить благодаря исследованию механизма конъюгации, роли F-плазмиды и особенностей Hfr-штаммов, способных скрещиваться с высокой частотой (Hayes, 1953). Механизм переноса ДНК в результате непосредственного контакта клеток при конъюгации изучали Э. Вольман и Ф. Жакоб (1955).
