למרבית החיידקים יש כרומוזום מעגלי בודד היכול להגיע בגודלו מ-160,000 זוגות של בסיסים ב-"Candidatus Carsonella ruddii" ועד ל-12,200,000 זוגות בסיסים ב-"Sorangium cellulosum". חיידקים מן הסוג "Borrelia", כמו החיידק "Borrelia burgdorferi" האחראי למחלת ליים, הם יוצאי דופן מבחינת סידור הגנום, ולהם כרומוזום קווי יחיד. הגנים בחיידקים הם לרוב מקטע רציף ב-DNA, ובמינים מעטים בלבד נמצאו אינטרונים בגנים.
חיידקים רבים מכילים פלסמיד, שהם מקטעי DNA נוספים על הכרומוזומים שיכולים להכיל גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה או גנים המקודדים פקטורים פתוגניים. סוג נוסף של DNA חיידקי הם נגיפים המשתלבים בתאי החיידקים (בקטריופאג'ים) בתופעה הידועה כליזוגניות. קיימים זנים רבים של בקטריופאג'ים, חלקם מתמוססים בתוך התא של החיידק המארח, ואילו אחרים נוספים אל הכרומוזום של החיידק. הנגיפים עשויים להשפיע על פנוטיפים שאותם מבטא החיידק, ודוגמה לכך היא ביטוי גנים של רעלנים על ידי החיידק "Clostridium botulinum" כאשר יש בו פאג'. חיידקים פיתחו מנגנוני הגנה שונים מפני פאג'ים בהם אנזימי הגבלה, החותכים DNA זר, או רצפי קריספר, שהם מקטעים חוזרים בגנום המאפשרים לחיידקים לפתח חיסון נרכש מפאג'ים.
חיידקים, כאורגניזמים שמתרבים ברבייה אל-זוויגית, יורשים העתקים זהים של הגנים של הוריהם. ואולם שינויים בגנים עשויים להתרחש בעקבות שחלוף או מוטציה. מוטציות נוצרות בעקבות שגיאות במהלך העתקת ה-DNA או כתוצאה מחשיפה למוטגנים. שיעור המוטציות במיני חיידקים שונים הוא גבוה, ואף בזנים שונים מאותו המין. שינויים גנטיים בגנום החיידק עשויים להתרחש או בעקבות מוטציות אקראיות, או בעקבות מוטציות הנגרמות ממצבי עקה, שבה גנים החיוניים להתפתחות חיידק בסביבה מסוימת עוברים מוטציות רבות.
חלק מהחיידקים מעבירים גם חומר תורשתי בין תאים. תהליך כזה יכול להתרחש בשלושה אופנים:
קליטת גנים מחיידקים שונים או מהסביבה נקראת העברה גנטית אופקית, והיא עשויה להיות נפוצה מאוד בסביבה טבעית. להעברת גנים חשיבות מיוחדת בעמידות לאנטיביוטיקה, שכן היא מאפשרת העברה של גנים המקנים עמידות מאנטיביוטיקה בין פתוגנים שונים.
מגוון ועמידות.
החיידקים, שמספרם על-גבי כדור הארץ עולה על זה של כל שאר היצורים גם יחד, הם יצורים מגוונים וסתגלנים במידה בלתי רגילה:
שני סוגים אלה כוללים את רוב אוכלוסיית החיידקים, אולם יש מגוון דרכי הסתגלות נוספות:
חילוף חומרים.
כל החיידקים זקוקים לאנרגיה לצורך קיומם. לפיכך ניתן למיין בצורה גסה את החיידקים ל-2 קבוצות:
כל החיידקים זקוקים למקור פחמן. החיידקים יכולים להשיגו ב-2 דרכים:
את החיידקים ניתן לסווג גם לפי אופן קיומם בנוכחות חמצן:
עמידות לאנטיביוטיקה.
יותר ויותר חיידקים מפתחים עמידות לפניצילין ולשאר סוגי האנטיביוטיקה.
האנטיביוטיקה עצמה היא מוצר חדש יחסית שקיימת בשימוש מסחרי מתקופת מלחמת העולם השנייה והפכה לנפוצה רק בשנות ה-50. האנטיביוטיקה פועלת על חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים תוך ניצול תכונות דופן תא החיידק כך שתאים אחרים (תאי האדם) לא ייפגעו.
כבר בשנות ה-60 התברר כי זנים מסוימים של חיידקים פיתחו עמידות כלפי האנטיביוטיקה (בייחוד כלפי הפנצילין) והיה צורך לפתח סוגים חזקים יותר של אנטיביוטיקה על מנת להתמודד עם חיידקים אלו.
חיידק ה-"MRSA" מוכר החל משנת 1996 כ"חיידק בתי החולים". חיידק זה עלול להיות עמיד בפני כל סוגי האנטיביוטיקה הידועים, ובכך מאיים על כל המאושפזים בבתי החולים. סכנתו כפולה היות שהוא תוקף את החולה במצב בו מערכות ההגנה הרגילות שלו אינן פועלות כראוי.
מיני החיידק "Pseudomonas", דוגמת "Pseudomonas aeruginosa" נפוץ כגורם זיהומים אצל מדוכאי מערכת החיסון ובבתי חולים ואף הוא פיתח עמידות נגד רוב סוגי האנטיביוטיקה הקיימים.
חיידקים עמידים במיוחד מטופלים באמצעות ליפופפטידים, אך ב-2007 נמצאו חיידקים שפיתחו עמידות גם לטיפול זה.
בחודש מרץ 2007 התפרסמו ידיעות על תמותה של חולים המאושפזים בבתי חולים בישראל בגלל התפרצות החיידק האלים "Klebsiella pneumoniae".
רבייה וגידול.
רוב החיידקים מתרבים על ידי חלוקת התא לשניים (פליגה), אולם יש שיטות רבייה נוספות כמו רבייה באמצעות נבגים והנצה.
הזמן האורך לאוכלוסיית חיידקים להכפיל את עצמה נקרא זמן הדור. בדרך כלל זמן הדור של החיידקים הוא קצר ביותר ביחס לזמן הדור של האדם, ותחת תנאים אופטימליים יכול להיות אף 9.8 דקות עבור חיידקים מסוימים. חיידקי "Escherichia coli", הנחקרים ביותר מבין החיידקים, מתרבים בתנאי מעבדה מיטביים כל 20 דקות. זמן קצר זה הוא יתרון ברור בתחום ההנדסה הגנטית. כך לדוגמה חיידקים המהונדסים גנטית מפיקים את ההורמון אינסולין על ידי תעתוק גן שהוחדר אליהם. זמן דור של 20 דקות, מאפשר התפשטות מהירה של החיידקים ובעקבות כך כמות גדולה מאוד של אינסולין המופק מחיידקים אלה. את האינסולין ממצים בשיטות תעשייתיות.
במעבדות מגדלים חיידקים במדיום מוצק או נוזלי. מדיום גידול מוצק כמו צלחות אגר, מאפשר לבודד מושבות של חיידקים. שימוש במדיום נוזלי נעשה כאשר נדרש נפח גדול של חיידקים. לעיתים משתמשים במדיום גידול סלקטיבי, שבו מוספים או מוסרים חומרי מזון או אנטיביוטיקות, וכך מתאפשר זיהוי סוגים ואף מינים של חיידקים.
זיהוי חיידקים.
החיידקים הם לרוב חסרי צבע ולכן קשה להבחין בינם לבין המצע. צביעתם מאפשרת להשיג ניגוד בינם לבין סביבתם. קיימות שיטות רבות ומגוונות של צביעת חיידקים. בחירה בצביעה שונה נותנת זיהוי קל של אוכלוסיית חיידקים שונה ומדגישה חלקים אחרים של התא.
צביעת גראם, למשל, היא הצביעה הנפוצה ביותר בבקטריולוגיה והיא תהליך שנועד להבדלה ראשונית בין סוגי חיידקים על סמך מבנה הדופן שלהם. צביעת גראם מבדילה בין חיידקים גראם-חיוביים לגראם-שליליים (בעלי דופן תא עבה או דקה, בהתאמה). התהליך קרוי על שם הרופא הדני הנס כריסטיאן גראם שהחל את פיתוחו.
צביעת גראם אינה, כאמור, השיטה היחידה לצביעת חיידקים. שיטות נוספות בהן משתמשים על מנת לצבוע חיידקים הן:
החיידקים והאדם.
רק מיעוט מתוך מאות אלפי סוגי החיידקים הם פתוגנים הגורמים למחלות. סוגים רבים של חיידקים אף מועילים או חיוניים לאדם ולבריאותו.
שימוש בחיידקים כמו ה-"Lactobacillus" לצד שמרים ועובשים משמש את האדם בהכנת מזונות שונים כמו גבינות, חמוצים, חומץ, יין ויוגורט. בהקשר למוצרים אלה, החיידקים הם אלו הגורמים פעמים רבות את הריח הרע הנובע מהם. גם במחלות ובתופעות המלוות בחיידקים נלווה ריח לא נעים, לדוגמה בתופעת אבני שקדים (טונסילוליטים).
יכולתם של חיידקים לצרוך מגוון רחב של תרכובות מנוצלת על ידי האדם למען שמירת הסביבה כמו פירוק שפכים, או שימוש בחיידקים הצורכים פחמימנים בנפט לטיפול בהתבקעות מכליות נפט. שימוש נוסף בחיידקים לטובת האדם הוא בהדברה ביולוגית במזיקים, ודוגמה בולטת לכך הוא חיידק מהמין "Bacillus thuringiensis" הפוגע במיני זחלים שונים של יתושים.
זמן הדור הקצר של החיידקים, המאפשר גידול מהיר באוכלוסייה, וכן היכולת לבצע שינויים גנטיים בצורה פשוטה יחסית בחיידקים הפכו אותם ככלי חשוב בהנדסה גנטית. באמצעות הנדסה גנטית גורמים לחיידקים לייצר חלבונים מבוקשים, למשל ייצור אינסולין על ידי חיידקים במקום להפיק אותו מבלוטת הלבלב של בעלי חיים.
חיידקים מלאכותיים.
בעשור השני של המאה ה-21 החלה התקדמות ראשונית בפיתוח חיידקים מלאכותיים או מלאכותיים למחצה.
בשנת 2010 הצליח צוותו של קרייג ונטר לסרוק את הקוד הגנטי של חיידק ולייצר קוד זה באופן מלאכותי. הקוד הגנטי הוחדר לחיידק ממין אחר, שהחל לתפקד בתור החיידק המקורי בהתאם לקוד הגנטי.
בשנת 2014 צוות מחקר ממכון סקריפס למחקר הצליח ליצור חיידק מלאכותי-למחצה שה-DNA שלו עשוי מארבעת הנוקלאוטידים הטבעיים, ובנוסף עשוי משני נוקלאוטידים מלאכותיים. במחקרם שהתפרסם בשנת 2017 הראו שהחיידקים יכולים לשמור על הקוד הגנטי לאורך זמן, והנוקלאוטידים המלאכותיים נשמרו גם לאחר 60 חלוקות של התא.
עד סוף העשור ייצור חיידקים מלאכותיים למחצה נחשב לחסר כל יכולת יישום של ממש בתעשייה או ברפואה. בסוף שנת 2019 הציג הטכניון פיתוח של חיידק שמסוגל לבצע חישוב מתמטי בסיסי.
מיון.
בעבר נקראו ממלכות החיידקים האמיתיים והחיידקים הקדומים בשם הכולל מונרה (Monera). עד לפני כמה עשרות שנים סווג חלק מהחיידקים כצמחים, חלק כפטריות וחלק כאצות, וממלכת החיידקים לא הייתה קיימת. התגלית שהביאה לסיווגם של החיידקים כיצורים נפרדים היא ההבדל הבסיסי ביותר בין חיידקים ובין שאר היצורים: כל החיידקים (אמיתיים וקדומים) הם פרוקריוטיים, ואילו כל היצורים האחרים הם איקריוטיים (בעלי גרעין).
להלן המיון השלם, המלא והמעודכן לשנת 2004:
פרוקריוטים