Систематика бактерий и микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Систематика бактерий и микроорганизмов



Введение

Систематика (таксономия) организмов заключается в распределении их по определенным группам (категориям), каждая из которых имеет свое название: класс -- порядок -- семейство -- род -- вид. В микробиологии широко применяется термин "штамм" -- понятие более узкое, чем вид. Штаммами называют различные культуры одного и того же вида, выделенные из разных мест обитания.

Систематика бактерий -- сложная проблема. До сих пор нет единой, естественной их классификации, отражающей эволюционное развитие отдельных видов бактерий. Положение многих бактерий в системе организмов еще точно не установлено.

Морфологические признаки бактерий, служащие основным критерием (как у растений, так и у животных) для выявления между ними естественных -- эволюционных связей, не многочисленны и не постоянны. Варьируют и физиологические свойства в зависимости от условий развития.

Однако все же разработаны системы классификации бактерий (называемые "определителями"), которые хотя и являются искусственными по построению (без учета эволюционных связей), но позволяют идентифицировать (определять) бактерии.

При распознавании бактерий учитывают морфологические признаки (форму, размеры, наличие и положение жгутиков, способность к спорообразованию), а также физиологические и биохимические свойства (используемые источники питания, характер получения энергии, потребность в кислороде, патогенность и др.). В последние годы начинают учитывать также серологические свойства (реакции с иммунными сыворотками) и состав ДНК.

В соответствии с принятыми в биологии правилами название каждому организму, в том числе бактериям, дается на латинском языке и состоит оно из двух слов: первое обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе -- название вида. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое -- со строчной. Например, Streptococcus lactis относится к шаровидным бактериям, образующим цепочки (род Streptococcus), они вызывают скисание молока в результате сбраживания сахара в молочную кислоту, отсюда видовое название lactis.

В России практически используют две системы классификации бактерий: Н. А. Красильникова и изложенную в руководстве Берджи, которое обычно называют "Определителем Берджи".

Н.А. Красильников относит бактерии к группе Schizomyсеае -- простейшие организмы, не содержащие хлорофилла. Эта группа подразделяется на четыре класса:

- актиномицеты (Actinomyceles);

- настоящие бактерии (Eubacleriae) -- различные бактерии, характеристика которых в основном была дана выше;

- миксобактерии (Myxobacteriae);

- спирохеты (Spirochaetae).

По этой системе бактерии -- возбудители порчи пищевых продуктов, а также используемые в технологии переработки пищевого сырья -- являются представителями двух классов: ЕиЬасteriae и Actinomycetes.

Важнейшими семействами класса Eubacteriae являются следующие:

- Pseudomonadaceae -- неспороносные, аэробные, грамотрицательныё палочковидные бактерии, подвижные -- с полярными жгутиками;

- Bacteriaceae -- палочковидные, не образующие спор, подвижные -- жгутики располагаются по всей клетке;

Важнейшими семействами класса Actinomycetes являются два:

- Mycobacteriaceae -- включающее пропионовокислые и палочковидные молочнокислые бактерии;

- Соссасеае -- грамположительные шаровидные бактерии одиночные и в различных сочетаниях.

В "Определителе Берджи" бактерии отнесены к классу Schizomycetes, который подразделен на 10 порядков. Большинство бактерий, изучаемых в пищевой микробиологии, содержатся в двух порядках:

- Pseudomonadales -- грамотрицательныё, не образующие спор аэробные бактерии с полярным жгутиком, а также вибрионы и спириллы;

- Eubacteriales -- обширная группа типичных бактерий шаровидной и палочковидной форм, спорообразующие и не образующие спор, неподвижные и подвижные с перитрихиально расположенными жгутиками. Важнейшие семейства этого порядка следующие:

Lactobacillaceae -- бесспоровые, грамположительные палочковидные и кокковидные бактерии, вызывающие молочнокислое брожение;

Propionibacteriaceae-- не образующие спор, грамположительные палочковидные бактерии, вызывающие пропионовокислое брожение;

Enterobacteriaceae -- грамотрицательныё палочковидные бактерии, факультативные анаэробы; к этому семейству принадлежат бактерии коли-тифозной группы;

Micrococcaceae -- шаровидные формы, одиночные или в виде виноградных гроздей.

В 1974 г. опубликовано 8-е издание "Определителя Берджи", значительно измененное по сравнению с предыдущим (1957 г.). Изменения претерпели главным образом порядки Pseudomonadales и Eubacteriales.



1. Нитчатые бактерии

Эти бактерии представляют собой длинные нити диаметром от 1 до 7 мкм, состоящие из коротких цилиндрических клеток. Каждая нить окружена тонкой слизистой оболочкой (влагалищем-чехлом). Размножаются эти бактерии с. помощью особых клеток -- гонидий, которые развиваются из концевых клеток нитей. Гонидий могут быть подвижными (со жгутиками). В благоприятных условиях гонидий прорастают в новые нити. В пределах влагалища клетки размножаются делением.

Нитчатые бактерии обитают преимущественно в воде, встречаются и в почве.

2. Миксобактерии

Миксобактерии имеют палочковидную и веретенообразную форму. Они способны к образованию больших количеств слизи. Клеточная оболочка, присущая истинным бактериям, у миксобактерии отсутствует. Оболочка их клеток очень тонкая и эластичная, поэтому миксобактерии при передвижении изгибаются и делают скользящие движения. Размножаются они делением или перешнуровыванием клетки. Некоторые в неблагоприятных условиях превращаются в покоящуюся стадию -- в цисты. Слизистые скопления цист, называемые плодовыми телами, бывают различных форм и размеров, нередко окрашены.

Миксобактерии живут в почве, на различных растительных остатках.

3. Спирохеты

Спирохеты представляют собой гибкие спирально извитые клетки различной длины. Дифференцированное ядро и присущая истинным бактериям оболочка отсутствуют. Клетки покрыты тонкой цитоплазматической мембраной. Они подвижны, передвигаются волнообразным сокращением тела. Спор не образуют. Размножаются делением. Некоторые спирохеты вызывают заболевания человека (возвратный тиф, сифилис).

Спирохеты занимают промежуточное положение между истинными спиральными бактериями и протистами.

4. Актиномицеты

Актиномицеты, или лучистые грибки, -- это одноклеточные организмы, обладающие способностью ветвиться (рис. 3). Одни (собственно актиномицеты) растут в виде тонких ветвящихся нитей диаметром 0,5--1,0 мкм, образующих мицелий, другие похожи на обычные палочковидные бактерии, но искривлены или имеют небольшие боковые выросты; встречаются и кокковидные формы.

Рис. 3. Актиномицеты:

а -- мицелий; б -- актиномицеты немицелиальные; в -- споры

Оформленного ядра у актиномицетов, как и у бактерий, не обнаружено. Мицелевидные формы размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия, что сближает эти актиномицеты с грибами. Немицелевидные формы размножаются делением и перешнуровыванием клеток. Некоторые актиномицеты окрашены (красные, коричневые и др.).

Актиномицеты широко распространены в природе, встречаются они также на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. При развитии некоторых актиномицетов субстрат приобретает специфический землистый запах. Многие актиномицеты вырабатывают антибиотики. Есть среди них и болезнетворные формы (например, туберкулезные и дифтерийные бактерии).

Актиномицеты являются как бы переходными микроорганизмами между бактериями и грибами.

5. Риккетсии

Риккетсии -- это мелкие, длиной не более 1 мкм, неподвижные бактериоподобные организмы, видимые в световой микроскоп. Они сочетают признаки истинных бактерий и вирусов и занимают промежуточное положение между ними. Электронно-микроскопические исследования показывают, что по внутренней структуре они сходны с истинными бактериями. Форма риккетсии разнообразна: округлые, палочковидные; одиночные, соединенные попарно или в короткие цепочки. В клетках обнаруживаются зернистые включения хроматиновой природы.

Риккетсии -- внутриклеточные паразиты, в искусственных питательных средах они не растут.

Заболевания человека и животных, вызываемые риккетсиями, называются риккетсиозами (сыпной тиф, кулихорадка и др.).

6. Микоплазмы

Микоплазмы являются малоизученными микроорганизмами. Клетки их не имеют плотной оболочки, поэтому им свойствен полиморфизм (разнообразие форм). Они встречаются в виде различной величины кокков, нитей, розеток. Размеры их настолько малы, что они не видимы в обычные световые микроскопы.

Эти микроорганизмы проходят через бактериологические фильтры, которые не пропускают истинные бактерии. Они сходны с так называемыми L-формами истинных бактерий, которые тоже являются фильтрующимися формами и не имеют оболочки. Однако невидимые в световой микроскоп L-формы могут вновь превращаться в видимые формы соответствующих бактерий. Существуют, однако, и стабильные L-формы бактерий.

Микоплазмы широко распространены в природе, некоторые из них являются паразитами животных и растений.

7. Вирусы и фаги

Вирусы. Это особая группа организмов, значительно меньших размеров и более простого строения, чем бактерии. Они не имеют клеточной структуры (нет ядра, цитоплазмы, оболочки), а величина их измеряется миллимикронами (нм)2.

Вирусы невидимы в обычные световые микроскопы; они различимы только с помощью электронного микроскопа. Однако о существовании этих ультрамикроскопических организмов стало известно еще в конце прошлого столетия. Вирусы были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским (1864--1926 гг.) при изучении причин гибели табака от мозаичной болезни (светлая пятнистость листьев) на табачных плантациях Крыма.

Являясь внутриклеточными паразитами, вирусы вызывают многие болезни человека (оспу, грипп, бешенство, корь, полиомиелит и др.), животных (ящур, чума крупного рогатого скота) и растений ("мозаики" и другого вида заболевания полевых и огородных культур).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Данные электронной микроскопии показывают, что вирусы разнообразны по форме. Они бывают округлыми, палочковидными, спиралевидными, но чаще в виде многогранников. Размеры вирусов колеблются от десятых до сотых долей микрона, поэтому они проходят (фильтруются) через мелкопористые бактериологические фильтры. Некоторые, наиболее крупные вирусы после специальной обработки могут быть видимы и под световым микроскопом.

Вирусы неоднородны по химическому составу. Одни из них состоят только из белка и одной нуклеиновой кислоты -- ДНК или РНК; другие содержат еще липоиды, полисахариды. Нуклеиновая кислота (в виде спирали) находится внутри вируса. Снаружи она закрыта белковой "оболочкой" (капсидом), состоящей из отдельных белковых субъединиц. На искусственных питательных средах вирусы, как правило, не растут, выращивают их обычно на культурах тканей.

Некоторые вирусы при большом накоплении в пораженной клетке образуют кристаллы разнообразной формы.

На рис. 5,а показаны кристаллы вируса оспенной вакцины.

Различные вирусы неодинаково устойчивы к внешним воздействиям. Так, многие инактивируются при 60° С в течение 30 мин, другие выдерживают температуру 90° С до 10 мин. Вирусы легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Фаги. Это вирусы, поражающие микроорганизмы и вызывающие их растворение (лизис). Вирусы бактерий называют бактериофагами, актиномицетов -- актинофагами. Обнаружены вирусы грибов (микофаги) и некоторых водорослей, так, цианофаги -- паразиты сине-зеленых водорослей.

Впервые лизис бактерий (сибиреязвенных) наблюдал Н. Ф. Гамалея (в 1898 г.). В 1917 г. Д'Эрелль установил подобное явление у бактерий дизентерии. Невидимый ультрамикроскопический паразит бактерий был им подробно изучен, описан и назван бактериофагом (пожирателем бактерий).

Электронная микроскопия показывает, что большинство фагов имеет округлую или многогранную "головку" и отросток (рис. 4, б, в). Головка имеет белковую оболочку; внутри головки заключена дезоксирибонуклеиновая (ДНК) или реже рибонуклеиновая (РНК) кислота. Размеры головки от 40 до 100 нм. Длина отростка 20 -- 225 нм; он представляет собой белковую трубочку -- это полый стержень, окруженный сократительным чехлом из белка. Стержень оканчивается пластинкой с выростами и тонкими нитями. Существуют фаги, которые состоят из одной головки, без отростка, и фаги, имеющие форму палочки. Фаги фильтруются через бактериальные фильтры, и способны размножаться только в живых клетках

В настоящее время изучен механизм проникновения фага в клетки бактерий. Фаг пластинкой отростка прикасается к клетке, адсорбируется на ее поверхности и стержень как бы прокалывает оболочку бактерии. Разрыв оболочки обусловлен наличием в конце отростка фага специфических ферментов. Вслед за этим белковый чехол отростка сокращается и содержимое головки (нуклеиновая кислота) по каналу отростка переходит ("впрыскивается") в бактериальную клетку. Белковые оболочки головки и отростка остаются на поверхности клетки. Фаговая ДНК вызывает перестройку обмена веществ пораженной клетки. Синтезируются уже не бактериальные ДНК и белок, а фаговые, что и приводит к образованию в клетке новых фагов. Оболочка клетки лизируется и фаги освобождаются.

Фаги широко распространены в природе, они обладают специфичностью, так как каждый может воздействовать лишь на определенный вид или на группу родственных видов микроорганизмов.

Явление бактериофагии иногда наблюдается на производствах, использующих микроорганизмы; при этом технологический процесс резко нарушается. Так, нередко лизируются молочнокислые бактерии, входящие в состав заквасок, используемых при изготовлении кисломолочных продуктов. Такие закваски становятся непригодными к употреблению.

Некоторые фаги применяют в медицинской практике для профилактики или лечения заболеваний (например, дизентерии, холеры). В последнее время фаги служат объектами и "моделями" при изучении многих имеющих теоретическое и практическое значение вопросов общей и молекулярной биологии, биохимии, генетики, медицины и др.

8. Генетика микроорганизмов

Генетика прокариот изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов, относящихся к этому обширному и многообразному царству.

Наследственность прокариот обеспечивает сохранение и точное вопроизведение признаков данного вида. Изменчивость определяет появление различий в признаках между особями одного вида бактерий, что в конечном итоге, в процессе эволюции, приводит к возникновению разнообразных форм жизни.

Для прокариот, как и для эукариот, характерны два типа изменчивости: генотипическая (наследственная) и фенотипическая (модификационная). Фенотипические изменения признаков получили название модификаций.

Фенотипическая изменчивость. Фенотипическая изменчивость возникает как ответная реакция организма на изменение условий окружающей среды и проявляется у большинства особей в популяции. Она не является наследственной и не приводит к изменению генетического аппарата бактерий. Фенотипическая изменчивость носит адаптационный характер. Модификации бактерий проявляются лишь временно, в период непосредственного действия фактора, и исчезают при его устранении. Например, широко распространенные в почве бактерии рода Azotobacter активно фиксируют атмосферный азот в условиях недостатка его в почве и резко снижают азотфиксацию при внесении в почву минеральных азотных удобрений. Недостаток кальция в среде вызывает слизистый рост бацилл сибирской язвы, но стоит добавить кальций -- и слизеобразование прекращается.

Возникающие модификации бактерий могут быть относительно стабильными или, наоборот, очень лабильными. Иногда они могут сохраняться в течение нескольких поколений. Так, при длительном воздействии на культуру бактерий пенициллина или ультрафиолетового облучения происходит образование L-форм бактерий, которые сохраняются в течение нескольких поколений.

В природе фенотипические изменения часто повторяются в жизни прокариот. Нередко они носят циклический характер, связанный с сезонными климатическими факторами. Например, в почвах южных районов в сезон знойного засушливого лета большинство бактерий приобретают слизистый матрикс, предохраняющий клетку от высыхания. Роль фенотипической изменчивости сводится к обеспечению выживаемости микробной популяции р изменившихся условиях среды.

Генотипическая изменчивость. Генотипическая изменчивость прокариот проявляется в виде мутаций и рекомбинаций и осуществляется в результате изменений в первичной структуре генетического аппарата.

Генотипические изменения возникают в природе как редкие события в жизни бактериальной популяции. Они не носят направленного характера и не являются адекватными изменению условий среды.

Мутация (от лат. mutatio -- изменение) -- термин, употребляемый в двух смыслах: возникновение изменения в структуре генетического материала и само изменение.

Анализ возникновения мутаций и накопление мутантов в бактериальных культурах был впервые проведен в 1943 г. С. Лурия и М. Дельбрюком. Их работы заложили основы генетики бактерий.

Мутации -- стойкие наследственные изменения в структуре генетического аппарата. Механизм мутаций заключается в выпадении, вставке или замене одной пары нуклеотидов либо группы нуклеотидов в молекуле ДНК, а также в изменении последовательности их расположения. Мутационной изменчивости подвержены такие признаки бактерий, как ауксотрофность по аминокислотам, пуринам, пиримидинам, витаминам и другим компонентам питательного субстрата, чувствительность, или резестентность, к антибиотикам, ферментативная активность и т. д.

Если мутантная бактериальная клетка, оказывается лучше приспособлена к условиям окружающей среды, чем исходные особи, то потомство ее при размножении культуры будет занимать все большую часть популяции и постепенно вытеснит исходные клетки. В результате произойдет изменение генотипического состава и соответственно свойств данной культуры микроорганизма.

По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные мутации возникают в популяциях прокариот без видимого внешнего воздействия и проявляются в самопроизвольном изменении их генома. Они носят случайный, ненаправленный характер и возникают до воздействия какого-либо селекционирующего фактора. Распространенными типами спонтанных мутаций являются устойчивость бактерий к фагам, ауксотрофность, антибиотикорезестентность. Частота спонтанных мутаций отдельных генов составляет 104 -- 1011. Это значит, что любая культура бактерий, достигшая численности 104--1011 клеток, неизбежно содержит мутанты. Одной из причин возникновения спонтанных мутаций могут быть ошибки в работе. ДНК-полимеразы во время процесса репликации ДНК, например включение в синтезируемую дочернюю цепь нуклеотида, некомплементарного нуклеотиду родительской цепи (вместо аденина, комплементарного тимину, включается гуанин или цитозин). В природе спонтанные мутации служат основным источником естественной изменчивости бактерий, а следовательно, именно они и лежат в основе эволюционного процесса прокариот.

Индуцированные мутации вызывают экспериментально действием какого-либо фактора -- химического соединения или различного рода излучениями (рентгеновские, ультрафиолетовые и гамма-лучи). Впервые возможность индуцирования мутаций показали в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов. Они обнаружили мутагенное действие рентгеновских лучей на клетки дрожжей.

Частота индуцированных мутаций значительно выше частоты спонтанных и зависит от природы мутагена и его дозы.

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК выделяют генные и хромосомные мутации.

Генные мутации затрагивают только один ген и чаще всего являются точковыми. Последние представляют собой выпадение, вставку или замену одной пары нуклеотидов.

Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Они носят характер крупных перестроек в отдельных фрагментах ДНК и проявляются в виде делеции -- выпадении меньшего или большего числа нуклеотидов, инверсии -- повороте участка ДНК на 180°, дупликации -- повторении какого-нибудь фрагмента ДНК. Нередко хромосомные мутации приводят к дезинтеграции всех систем бактериальной клетки, что сопровождается летальным эффектом.

Факторы, вызывающие мутации, получили название мутагенов. Наиболее доступным мутагеном является ультрафиолетовое облучение бактериальных культур бактерицидными лампами с длиной волны около 260 нм. При этом механизм повреждения заключается в образовании димера тимина в молекуле ДНК, что приводит к блокированию нормального процесса репликации. В зависимости от дозы ультрафиолетовое облучение может оказать на бактериальные клетки мутагенный или даже летальный эффект.

При рентгеновском и гамма-облучении в ДНК бактерии возникают различные повреждения -- разрывы цепей и химические изменения нуклеотидов. Эффект повреждения прямо пропорционален дозе облучения.

Исключительной эффективностью характеризуются некоторые химические мутагены. Наиболее сильным супермутагеном является нитрозометилмочевина и родственные ей нитрозосоединения. Относительно безопасным мутагеном считается азотистая кислота НNО2. В растворе при рН 4,4 она активна по отношению ко всем группам микроорганизмов от вирусов до бактерий и грибов. Сильными мутагенами являются акридиновые красители, приводящие к мутациям типа вставок и выпадения нуклеотидов.

Эксперименты по индуцированному мутагенезу бактерий используются для решения общебиологических проблем мутагенеза, а также прикладных задач промышленной и медицинской микробиологии.

Генотипическая изменчивость прокариот наблюдается в результате рекомбинации генетического материала за счет частичного объединения геномов двух клеток и проявляется в фенотипе: бактерий. К рекомбинативной изменчивости генетического материала прокариот приводят трансформация, трансдукция и конъюгация.

В отличие от эукариот, у которых при половом процессе происходит образование истинной зиготы, объединяющей генетический материал обоих родителей, у прокариот при всех трех вышеуказанных процессах наблюдается лишь частичный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент, что приводит к образованию неполноценной зиготы -- мерозиготы (от греч. meros -- часть). Таким образом, прокариотная клетка-реципиент становится частично диплоидной, сохраняя в основном генотип клетки-реципиента и приобретая лишь отдельные свойства клетки-донора.

Ответственность за рекомбинации несут специальные гены клетки-реципиента, получившие название гес-генов. Механизм рекомбинаций включает ряд последовательных стадий: разрыв нитей ДНК клетки-реципиента; встраивание фрагментов ДНК, привнесенных из клетки-донора в геном клетки-реципиента; репликация рекомбинативной ДНК, дающей начало потомству клеток с измененным геномом. Доказательства вышеуказанного механизма рекомбинации были экспериментально получены при изучении процесса конъюгации кишечной палочки (Esсherichia coli) с использованием меченых по фосфору (Р32) клеток-доноров.

Трансформация (от лат. Transformation преобразование) -- изменение генома, а следовательно, и свойств бактерий в результате переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в клетку. При трансформации не требуется непосредственного контакта между клеткой-донором и клеткой-реципиентом. Источником трансформирующей ДНК может служить свежеубитая культура бактерий или чистые препараты ДНК, экстрагированной из нее.

Явление трансформации у бактерий впервые наблюдал Ф. Гриффите в 1928 г. Он обнаружил, что при совместном введении в организм мышей убитого вирулентного капсульного пневмококка 5-типа с живым авирулентным бескапсульным пневмококком К-типа все животные погибают. При этом из крови погибших мышей наряду с бескапсульными пневмококками К-типа выделяются вирулентные капсульные пневмококки 5-типа. Гриффите не сумел объяснить явление трансформации. Лишь в 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили трансформирующее вещество из убитых клеток капсульных пневмококков и показали, что им является ДНК, чувствительная к ДНК-полимеразе. 64

Рис. 5. Схематическое изображение обмена между фрагментом ДНК и хромосомой клетки-реципиента (Г. Шлегель, 1972).

Процесс трансформации проходит в несколько этапов:

1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента;

2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (4--5) • 106;

3) проникновение фрагментов ДНК в клетку-реципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов;

4) интеграция -- включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетического обмена (рис. 5);

5) экспрессия -- интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.

Трансформирующий фрагмент ДНК обычно соответствует 0,3% бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам. В клетку-реципиент проникает очень малый фрагмент ДНК, что обусловливает трансформацию только одного признака и редко двух. Путем трансформации из одной клетки в другую могут быть перенесены такие признаки бактерий, как устойчивость к лекарственным препаратам, способность к синтезу капсульных полисахаридов, ферментов, определенных метаболитов и т. д. При трансформации, как правило, не происходит добавления качественно нового наследственного признака, наблюдается лишь замена одного признака другим.

Процесс трансформации показан для многих видов бактерий -- пневмококков, стафилококков, гонококков, менингококков, кишечной палочки, некоторых бацилл и клубеньковых бактерий. Изучение возможности трансформации бактерий свидетельствует о распространенности в царстве прокариот этого механизма передачи генетического материала, а следовательно, о существенной роли его в эволюционном процессе. Установлено, что проникновение фрагмента ДНК в клетку-реципиент вызывает трансформацию бактерий с достаточно высокой частотой 10-2--10-3 и зависит от вида микрoорганизма, свойств трансформирующей ДНК и состояния клеток-реципиентов.

Трансдукция заключается в переносе генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.

Прежде чем рассмотреть суть процесса трансдукции, следует, отметить, что по механизму взаимодействия с бактериальной клеткой фаги подразделяются на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги, проникая в клетку, обусловливают формирование новых фагов и лизис бактерий. Заражение клеток умеренными фагами не всегда сопровождается лизисом бактерий, часть их выживает и становится лизогенными. В лизогенных бактериях ДНК фага включается в ДНК клетки, и умеренный фаг превращается в профаг, утрачивая при этом способность лизировать бактериальную клетку. Профаг ведет себя как часть бактериальной хромосомы и репродуцируется в ее составе в течение ряда поколений. Освобождение умеренных фагов из клеток лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием индуцирующих агентов -- ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации и химических мутагенов.

Механизм трансдукции заключается в следующем. В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, содержащей один ген или несколько сцепленных генов, включается в геном фага. Трансдуцирующий . фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина .в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Таким образом, бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.

У бактерий различают 3 типа трансдукции: специализированную, общую и абортивную.

При специализированной трансдукции в геном фага включаются строго определенные гены ДНК бактерии-донора, расположенные на хромосоме бактерии непосредственно рядом с профагом. Прилегающие к профагу гены выщепляются из бактериальной хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Освобождающиеся из клетки-донора трансдуцирующие дефектные фаги вызывают лизогенизацию клетки-реципиента. ДНК дефектного фага включается в состав хромосомы клетки-реципиента, привнося в нее и гены бактерии-донора.

Общая трансдукция отличается от специализированной тем, что в состав ДНК фага включается любой фрагмент ДНК бактерии-донора.

Таким образом, при общей трансдукции трансдуцирующие фаги переносят из хромосомы бактерии-донора любые гены, контролирующие различные признаки, в клетку бактерии-реципиента.

При абортивной трансдукции фрагмент хромосомы клетки-донора, привнесенный трансдуцирующим фагом в клетку-реципиент, не включается в ее хромосому, а локализуется в цитоплазме и делении клетки-реципиента передается только одной из образующихся клеток.

Трансдукция в эксперименте показана на кишечных бактериях, псевдомонадах, стафилококках, бациллах и актиномицетах. Очевидно, в естественных условиях перенос генетического материала с помощью фагов может быть самым распространенным механизмом рекомбинации у прокариот. Трансдукция определяет появление разновидностей бактерий с новыми свойствами, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез ферментов, аминокислот и др.

В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает не только широкие возможности межвидовой гибридизации бактерий, но и возможность получения гибридов среди таксономически отдаленных групп прокариот.

Конъюгация происходит при непосредственном контакте бактериальных клеток и предусматривает направленный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент. Феномен конъюгации в 1946 г. описали Дж. Ледерберг и Э. Тейтум на примере кишечной палочки штамма К12.

Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у них полового F-фактора, относящегося к числу конъюгативных плазмид. Клетки, несущие F-фактор, обозначаются F+; клетки, лишенные F-фактора,-- F-. F-фактор (F-плазмида) в клетках F+ обычно находится в изолированном состоянии от бактериальной хромосомы и является цитоплазматической структурой. Бактериальные клетки, содержащие F-фактор, отличаются от остальных клеток рядом свойств: измененным поверхностным зарядом и способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры F-пили.

Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки-донора к клетке-реципиенту. В течение нескольких минут клетка-донор и клетка-реципиент сближаются, возможно, за счет сокращения F-пили и вступают в непосредственный контакт. Через цитоплазматический мостик по каналу сокращенной F-пили, менее чем за 5 мин, происходит передача полового F-фактора, независимо от бактериальной хромосомы, из цитоплазмы клетки-донора F+ в цитоплазму клетки-реципиента F-. При этом клетка-донор не теряет своей донорной способности, так как в ней остаются копии F-фактора (рис. 19).

Среди популяции клеток F+ имеются бактерии, способные при конъюгации передавать не F-фактор, а фрагмент бактериальной хромосомы. Эти клетки бактерий и образованные ими штаммы обозначаются Hfr (от англ.high frequency of recombination), что означает бактерии с высокой частотой рекомбинации. Рекомбинации между клетками Нfг и клетками F- происходят в тысячу раз чаще, чем между клетками F+ и F-. Отличие клеток Hfr от клеток F заключается в том, что половой F-фактор у них включен в бактериальную хромосому. Во время конъюгации в клетке-Доноре Hfr идет процесс репликации ДНК-

При этом одна из реплицирующихся цепей ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент F , вторая остается в клетке-доноре Hfr, затем каждая из этих цепей достраивается комплементарной нитью. Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, поэтому из клетки-донора Hfr в клетку-реципиент F? передается не вся хромосома, а лишь ее фрагмент. Между перенесенным из клетки Hfr фрагментом хромосомы и гомологичным участком хромосомы клетки F? происходит генетический обмен. В результате часть донорной ДНК встраивается в ДНК реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК исключается из нее. Эффективность включения донорной ДНК в хромосому реципиента высока и составляет примерно 0,5 (рис. 5). Конъюгацию прокариот не следует отождествлять с половым процессом эукариот, так как при конъюгации в клетку р. передается только часть генетического материала клетки F+, в результате чего образуется неполноценная мерозигота. Основу последней составляет геном клетки-реципиента с привнесенной частью генома клетки-донора.

Скачком в эволюции прокариот явилось появление рекомбинативной изменчивости, заключающейся в частичном объединении генетической информации двух прокариотных клеток донора и реципиента. Таким образом возник новый дополнительный материал для естественного отбора, ускоряющий процесс эволюции. Из трех вышерассмотренных рекомбинативных процессов наиболее совершенным является конъюгация, так как она обеспечивает более полный обмен генетической информации между двумя клетками. Известны случаи, когда при длительной конъюгации (90 мин) двух клеток Escherichia coli наблюдается вхождение всей хромосомы клетки-донора в клетку-реципиент.

Однако, оценивая значимость рекомбинаций в эволюционном процессе прокариот, следует иметь в виду, что эффективность генетических рекомбинаций оказывается высокой только для близкородственных бактерий имеющих родство в пределах вида.

9. Значение мутаций. Перспективы генной инженерии

Мутационная изменчивость прокариот по отношению к здоровью человека и его хозяйственной деятельности проявляется по-разному. С одной стороны, мутации патогенных бактерий и вирусов несут серьезную угрозу здоровью человека. За последние 30--40 лет наблюдается неуклонный рост резестентных форм патогенных бактерий к различного рода химическим лекарственным препаратам и антибиотикам. В основе их появления лежит естественный отбор спонтанно возникающих мутантов. Развитию резестентности мутантов способствует бесконтрольный прием лекарств. Недостаточные дозы лекарственных препаратов не убивают патогенные микробы, а, наоборот, способствуют отбору резестентных мутантов в популяции. Широкий арсенал применяемых химиотерапевтических препаратов и антибиотиков, сам по себе, является сильным селективным фактором, способствующим появлению множественной лекарственной устойчивости патогенных бактерий. Множественную лекарственную устойчивость проявляют гноеродные стрепто и стафилококки, гонококки, пневмококки, микобактерии туберкулеза, возбудители кишечных инфекций и др.

Однако мутации патогенных бактерий имеют не только теневую сторону для здоровья человека. Индуцированный мутагенез патогенных бактерий и вирусов позволил человеку создать высокоэффективные вакцинные штаммы микроорганизмов со стабильно сниженной вирулентностью.

Индуцированный мутагенез применяется также для создания высокопродуктивных промышленных штаммов микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. Так, использование химических мутагенов и ионизирующего излучения с последующим ступенчатым отбором позволили получить мутантные штаммы микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков, которые в 10--20--100 раз превосходят по продуктивности природные формы.

Индуцированный мутагенез был положен и в основу выведения высокопродуктивных мутантов бактерий, синтезирующих аминокислоты. Некоторые дикие штаммы коринебактерий, называемые глута-миновыми, способны синтезировать до 30 г/л глутаминовой кислоты и выделять ее в среду. Промышленные штаммы Cjrenebacterium glutamicum, полученные путем индуцированного мутагенеза, производят до 100 г/л этой аминокислоты. На сегодняшний день ежегодно в мире микробиологическим синтезом получают 270 тыс. т глутаминовой кислоты. Второе место по объему продукции занимает лизин, производство которого достигло 180 тыс.т.

Общеизвестно, что гибридизация среди представителей царства эукариот осуществляется только между близкородственными организмами. У прокариот, посредством передачи плазмид, гибридизация не ограничивается рамками даже крупных систематических категорий. И в этом смысле прокариоты открывают беспредельные возможности нового научного направления -- генной инженерии, заключающегося в конструировании гибридов из материала совершенно разного происхождения.

Методы генной инженерии предусматривают решение трех проблем:

-- выделение молекул ДНК из клеток различных организмов;

-- сшивка фрагментов ДНК различного происхождения в единую молекулу;

-- введение вновь полученной молекулы ДНК в клетку-реципиент и далее в ее хромосому.

Первые опыты по генной инженерии, начатые в 1972--1973 гг., позволили с помощью фага включить в геном кишечной палочки (Esherichia coli) ген LIG, контролирующий синтез лигазы. При этом содержание лигазы в клетках-реципиентах возросло в 500 раз и фермент составил 5% массы всего бактериального белка.

Методом генной инженерии получен высокопродуктивный штамм Esherichia coli по синтезу треонина, потребляющий в качестве источника углерода дешевую сахарозу вместо дорогостоящих глюкозы или фруктозы.

Весьма актуальны генно-инженерные работы по созданию новых бактерий -- фиксаторов азота. Эта проблема решается в двух направлениях: за счет расширения видовой специфичности клубеньковых бактерий, способных входить в симбиоз, помимо бобовых культур, с растениями других семейств, а также за счет придания способности фиксировать азот некоторым симбионтам растений -- бактериям-эпифитам и ослабленным фитопатогенам.

В последние годы развернуты работы в области клеточной инженерии. Суть их заключается в слиянии протопластов различных клеток, актиномицетов, бацилл, коринебактерий, мицелиальных грибов и дрожжей. Путем обработки клеток полиэтиленгликолем можно осуществить рекомбинацию далеких неродственных организмов. Так, при слиянии протопластов клеток азотобактера и микоризного гриба рода Rhizopogon получен гибридный эукариотный организм, активно фиксирующий азот. В недалеком будущем методами генной инженерии будут получены микроорганизмы-суперпродуценты, производящие ценные для человека продукты.

10. Влияние абиотических факторов среды на микроорганизмы

В каждой микрозоне прокариоты формируют сложнейшие микробоценозы. Структура и функции микробоценозов во многом зависят от совокупности действующих факторов среды. Определенные факторы среды могут стимулировать развитие микроорганизмов, действовать на них угнетающе либо вызывать гибель микробной популяции. Положительный или отрицательный эффект действующего фактора обусловлен как природой самого фактора, так и свойствами микроорганизма.

Влажность. Развитие прокариот, как и любых других организмов, в первую очередь определяется условиями влажности. Именно наличие влаги обусловливает уровень процессов метаболизма в клетке, поступление в нее веществ питательного субстрата, энергию роста и размножения бактерий. Различные группы прокариот характеризуются весьма разной потребностью к условиям влажности и по-разному реагируют на высушивание.

Большинство бактерий при влажности среды свыше 20% развиваются нормально.

В природе микроорганизмы очень часто подвергаются действию сильного иссушения, например при контакте с сухой почвой или горячим сухим воздухом. Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы клетки, почти полному прекращению процессов метаболизма и в конечном итоге к переходу микробной клетки в состояние анабиоза. На отношении микроорганизмов к высушиванию издавна основано хранение пищевых продуктов в сухом состоянии.

Однако и в условиях глубокого иссушения бактерии сохраняют жизнеспособность. Достаточно сказать, что микобактерии туберкулеза сохраняют жизнеспособность в высохшей мокроте больного более 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы в сухом состоянии выживают до 10 лет. Недаром метод сублимации в настоящее время широко применяется для длительного хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, оспы, гриппа, а также для содержания производственных и музейных культур микроорганизмов.

Температура. Прокариоты не имеют физиологического механизма, регулирующего температуру клетки, и, следовательно, их жизнедеятельность непосредственно зависит от температуры окружающей среды.

Для бактерий, как и для любых других организмов, существует свой температурный диапазон. Он характеризуется тремя кардинальными точками: минимальная температура, ниже которой прекращается рост и развитие бактерий; оптимальная температура, соответствующая наивысшей скорости роста микроба; максимальная температура, выше которой скорость роста бактерий практически снижается до нуля. На основании температурного диапазона все прокариоты подразделяются на 3 группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (от греч. psychros-- холод, phileo -- люблю) представлены бактериями, развивающимися при низких температурах от -- 5 до 20--35° С. Среди них выделяют подгруппу облигатных психрофилов, неспособных расти при температуре выше 20 °С. Это бактерии, постоянно обитающие в условиях низких температур -- в воде глубоких озер, северных морей и океанов. Вторую весьма обширную подгруппу составляют факультативные психрофилы -- бактерии, приспособившиеся к действию переменных температур от --5°С до 20--35°С. Они населяют зону умеренного климата с резкими температурными колебаниями зимы и лета.

К мезофилам (от греч. mesos-- средний) относится подавляющая масса прокариот, для которых температурный диапазон лежит в пределах 10--47°С, при оптимальных температурах 30-- 40° С. В эту группу входят многие патогенные бактерии, вызывающие заболевания теплокровных животных и человека, имеющие температурный оптимум около 37° С.

Термофилы (от греч. Thermos-- тепло, жар) составляют достаточно обширную и разнообразную группу бактерий, растущих в температурном пределе от 10 до 55--60°С. Они выделяются из навоза, торфа, почвы и воды горячих источников. Среди них имеются факультативные термофилы, одинаково успешно развивающиеся как при температуре 55--60° С, так и при 10--20° С, и облигатные термофилы, не способные к росту при температуре ниже 40° С. Сравнительно недавно обнаружены экстремальные термофилы, температурный оптимум которых лежит выше 70° С. Они выделены из илов и воды горячих источников и отнесены к родам Thermomicrobium, Thermus, Thermothrix и др. Клеточная стенка, мембраны, рибосомы термофилов обладают высокой термостабильностью, а ферментные системы бактерий этой группы имеют температурный оптимум в пределах 70° С.

В отличие от низких температур, высокие температуры оказывают более губительное действие на микробную клетку. При повышении температуры выше максимального предела наблюдается выделение РНК из клетки, нарушается активность ферментных систем, происходит денатурация белков, что, в конечном счете вызывает необратимую деградацию клеточных структур. Наиболее чувствительны к действию высокой температуры психрофилы и мезофилы, наименее уязвимы термофилы. Особую стойкость к высокой температуре проявляют споры бактерий, выдерживающие температуру кипения в течение двух-трех часов.

Лучистая энергия. Действие различного вида излучений на прокариоты зависит от их энергии и от дозы облучения. Так, инфракрасное излучение (длины волн от 760 нм до 400 мкм) из-за малого значения энергии не способно вызвать какие-либо существенные фотохимические изменения в живых клетках. Рентгеновские лучи (длины волн менее 10 нм) заключают в себе столь огромную энергию, что поглощение их сопровождается ионизацией макромолекул в живых клетках. Возникающие фотохимические изменения сопровождаются развитием мутаций либо гибелью клетки. Однако, среди прокариот, известны отдельные виды бактерий, обладающие поразительной устойчивостью к действию рентгеновских лучей. Это тионовые бактерии, обитающие в залежах урановых руд, а также бактерии Micrococosus Radiodurans, выделяемые из воды атомных реакторов при концентрации ионизирующего излучения в 2--3 млн. рад.

Даже видимый свет (длины волн от 380 до 760 нм) оказывает благоприятное влияние только на развитие специализированной группы фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий. Все прочие прокариоты предпочтительнее развиваются в темноте.

Сильным мутагенным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 253,7 нм. Поглощение их сопровождается образованием димеров тимина в молекуле ДНК, что, в свою очередь, подавляет репликацию ДНК и приводит к прекращению деления микробной клетки. Нередко образование димеров тимина в молекуле ДНК и является основной причиной гибели микроорганизма. Повреждающее действие ультрафиолетового облучения частично снима ется облучением культур видимым светом. Это явление в 1948 г. окрыл А. Кельнер. Оно получило название фотореактивации. Очевидно, фотореактивация обусловлена активированием ферментов, расщепляющих аномальные димеры тимина.

На бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей на бактерии основано использование их для обеззараживания продуктов питания, лабораторных питательных сред, посуды, а также дезинфекции палат, операционных, помещений родильных домов. Этот метод холодной стерилизации не изменяет качества продуктов, так как в малых дозах не нарушает целостность макромолекул белков, витаминов, ферментов, полисахаридов и т. д. В последнее время ультрафиолетовое излучение входит в практику для обработки биологических препаратов -- вакцин и сывороток. Экспериментально установлено, что коротковолновое излучение с длиной волны от 260 до 300 нм вызывает инактивацию многих вирусов и фагов.

Ультразвук. Ультразвук -- высокочастотные колебания звуковых волн (более 20 000 Гц). Ультразвук оказывает мощное бактерицидное действие на прокариоты. Сила этого действия зависит от частоты колебаний, длительности воздействия, а также от физиологического состояния и индивидуальных особенностей микроорганизма. При длительном озвучивании микробной культуры наблюдается 100%-ный летальный эффект.

Механизм бактерицидного действия ультразвука заключается в необратимых физико-химических изменениях жизненно важных компонентов микробной клетки и механических повреждениях всех клеточных структур. В настоящее время ультразвуковые датчики применяются для стерилизации пищевых продуктов, лабораторного оборудования и вакцин.

Реакция среды. Реакция среды определяется концентрацией водородных (Н+) и гидроксильных (ОН?) ионов в водном растворе. Для количественной характеристики реакции среды вводят величину рН -- водородный показатель. Реакция среды является одним из важных факторов, определяющих развитие бактерий. Она оказывает влияние на растворимость веществ питательного субстрата и поступление их в клетку. Изменение реакции среды нередко сопровождается повышением концентрации токсических соединений. При смещении рН в кислую сторону и повышении температуры наблюдается резкое увеличение скорости денатурации белков.

Все прокариоты по отношению их к кислотности среды могут быть разделены на несколько групп. Подавляющее большинство их относятся к нейтрофилам, для которых диапазон оптимального значения рН составляет 6,5--7,5. Среди этой группы многие бактерии способны проявлять кислототолерантность или щелочетолерантность и развиваться в широком диапазоне рН от 4 до 9. К кислото-толерантам относятся бактерии, накапливающие органические кислоты в процессе метаболизма клетки,-- молочнокислые, уксуснокислые, пропионовокислые и целый ряд других бактерий. Примером щелочетолерантов являются аммонифицирующие, нитрифицирующие бактерии, азотобактер, энтеробактерии и др.

Среди разнообразного мира прокариот имеются и ярко выраженные ацидофилы, развивающиеся в кислой среде со значением рН 2-3. К умеренным ацидофилам относятся бактерии, обитающие в воде кислых болот и озер, а также в кислых низкоплодородных почвах при рН 3-4. Крайние ацидофилы выделяются из терриконов угольных шахт и горячих кислых источников. Примером крайних ацидофилов являются бактерии родов Thiobacillus из и Sulfomonas, а также Thermopasma acidophila.

Противоположную ацидофилам группу составляют алкалофильные бактерии, для которых оптимальным диапазоном рН является щелочная среда от 9 и выше. К алкалофильным бактериям относятся представители рода Bacillus и холерный вибрион, размножение которого возрастает при значении рН выше 9.

Устойчивость прокариот к кислой и щелочной среде объясняется спецификой химизма их клеточных барьеров. Помимо этого, в процессе метаболизма они способны удалять из -клетки ионы Н+ или ОН?, поддерживая внутриклеточное значение рН в нейтральном диапазоне.

На отрицательном влиянии повышенной кислотности среды на большинство микроорганизмов основано применение маринадов.

Кислород. Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе (20,9% по объему и 23,2% по массе); в связанном виде входит, в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы.

По отношению к молекулярному кислороду прокариоты подразделяются на несколько физиологических групп. Большинство прокариот для жизнедеятельности нуждаются в О2 и носят название облигатных (строгих) аэробов. В клетках облигатных аэробов большая часть молекулярного кислорода расходуется в процессе дыхания в качестве конечного акцептора водорода, меньшая часть его включается в молекулы различных соединений.

Верхний предельный максимум концентрации молекулярного кислорода, выдерживаемый микробной клеткой, для разных микроорганизмов различен. Многие облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию О2 порядка 40--50%. Однако среди этой группы имеются бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах -- не более 2%. Такие микроорганизмы получили название микроаэрофилов. Нередко эта особенность микроорганизмов связана с ингибирующим действием О2 на ферментные системы клетки, например на нитрогеназы аэробных азотфиксируюших бактерий.

Вторую, менее обширную группу прокариот составляют микроорганизмы, для жизнедеятельности которых молекулярный кислород не нужен. Такие микроорганизмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся маслянокислые, метанобразующие, сульфатвосстанавливающие и некоторые другие бактерии. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участия О2. Среди бактерий этой группы имеются микроорганизмы, неспособные выносить даже незначительное количество молекулярного кислорода в среде. К ним относятся представители родов Methanobacterium, Methanosarcina, Fusobacterium и др.

Многие виды маслянокислых бактерий проявляют устойчивость к молекулярному кислороду и носят название аэротолерантных. Примером аэротолерантов являются бактерии рода Clostridium -- Cl.acetobutylicum, Cl.perfringens, Cl.sporogenes и др. Особую аэротолерантность проявляют эндоспоры маслянокислых бактерий. Развитие облигатно-анаэробных бактерий в природных условиях обусловливается выделением газообразных продуктов СО2 и Н2, механически вытесняющих О2 из окружающей среды, а также активным потреблением молекулярного кислорода живущими рядом аэробами.

...