25. Основные питательные потребности клеток

Все живые клетки нуждаются в источниках питания, содержащихся в питательных средах. Питательная среда обеспечивает жизнедеятельность, рост и развитие биообъектов. Прежде чем начинать работы по культивированию разных типов клеток, необходимо точно знать их питательные потребности и зависимости.

Постоянным компонентом питательных сред является вода, в которой нуждаются все живые клетки. Некоторые компоненты питательных сред, находящиеся в твердом агрегатном состоянии, могут либо образовывать придонный осадок, либо равномерно распределяться по всему объему в виде взвеси, либо плавать на поверхности раствора (частицы угля).

В больших количествах клеткам необходимы макроэлементы: углерод, азот, кислород, водород, фосфор, сера, калий, кальций, магний. Снабжение клеток кислородом и водородом осуществляется за счет воды. Углерод является составной частью всех органических соединений и его источники многочисленны и многообразны: чаще всего сахара, многоатомные спирты и органические кислоты. В качестве азотистого субстрата для изготовления питательных сред служат в основном белки животного и растительного происхождения.

Клетки в незначительных количествах нуждаются также и в некоторых микроэлементах: натрий, марганец, никель, кобальт, хлор, цинк, медь, кремний и некоторые другие. Кроме основных компонентов, питательные среды могут содержать факторы роста. Это органические соединения (витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др.), в которых нуждаются ауксотрофные клетки и которые они синтезировать не в состоянии. Отсутствие таких веществ приводит к нарушению обменных процессов и прекращению роста клеток. В качестве необходимых компонентов питательных сред могут выступать газы: NH3, H2S, CO2, N2, O2, H2, CH4. Углеводы (обычно это сахароза или глюкоза) входят в состав любой питательной смеси в концентрации 2-3%. Они необходимы в качестве питательного компонента.

Обязательными компонентами питательных сред должны быть фитогормоны. К ним относятся ауксины, вызывающие дифференцировку клеток экспланта, и цитокинины, индуцирующие клеточные деления.

Питательные среды могут иметь неопределенный состав, т. е. включать биогенные добавки (растительного, животного или микробного происхождения), например мясной экстракт, дрожжевой экстракт, кукурузную муку, морские водоросли и т. д. Такие питательные среды называются натуральными. Применяют также среды, приготовленные из чисто химических соединений в заранее определенных соотношениях. Это так называемые синтетические среды. Применение находят и полусинтетические питательные среды, сочетающие в своем составе компоненты как натуральных, так и синтетических сред. Среды данных типов имеют как преимущества, так и недостатки.

26. Преимущества и недостатки разных типов питательных сред

Все питательные среды по составу делятся на натуральные и синтетические.

Натуральные – состоят из продуктов животного или растительного происхождения (овощные или фруктовые соки, ткани животных, молоко, отвары мяса, вытяжки почвы, различные части растений). Преимущества: развиваются многие микроорганизмы, поскольку такие среды содержат все компоненты, необходимые для их роста и развития. Недостатки: имеют сложный, непостоянный химический состав и мало пригодны для изучения обмена веществ микроорганизмов, так как в них трудно учесть потребление ряда компонентов и образование продуктов метаболизма.

Натуральные среды используются главным образом для поддержания культур микроорганизмов, накопления биомассы и для диагностических целей.

Синтетические – это среды, в которые входят лишь соединения определенного химического состава, взятые в точно указанных количествах. Такие среды готовятся для определенной культуры бактерий, метаболизм которой заранее известен исследователю. Широко используются при исследовании обмена веществ, физиологии и биохимии микроорганизмов. Преимущества: можно приготовить подобную синтетическую среду для развития микроорганизмов. Применяются для анализа жизнедеятельности бактерий. Например, можно узнать, какие вещества они выделяют в окружающую среду и сколько. Недостатки: необходимо знать особенности обмена веществ данного организма и потребности его в источниках питания. Могут иметь относительно большой набор компонентов.

Полусинтетические – среды, главными компонентами которых являются соединения известного химического состава - углеводы, соли аммония, фосфаты и т.д., а натуральные природные компоненты содержатся в небольших количествах (дрожжевой автолизат, почвенный экстракт или гидролизаты молока, казеина и т.п.). Недостатки: непостоянство состава. Преимущества: обладают хорошими ростовыми свойствами, относительно недороги. Они находят широкое применение в промышленной микробиологии для получения аминокислот, витаминов, антибиотиков и других важных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

По назначению

Общего назначения – (преимущество) эти среды пригодны для культивирования большого количества известных микроорганизмов. На таких средах способны развиваться бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи. Недостатки: скорость развития каждого микроорганизма будет зависеть от степени соответствия химического состава такой среды питательным потребностям клетки.

Элективные – предназначены для выделения микроорганизмов из мест их естественного обитания. Преимущества: состав идеально подобран для жизнедеятельности только одного вида микроорганизмов. Например, такая элективная среда пригодна только для размножения кишечной палочки. Тогда из посева множества бактерий на чашке Петри мы увидим только колонии той самой кишечной палочки и никакие больше. Недостатки: необходимо хорошо знать метаболизм исследуемой бактерии, чтобы удачно ее отобрать из смеси других видов.

Дифференциально-диагностические – (преимущество) дают возможность быстро отличить одни виды микроорганизмов от других или выявить некоторые их особенности. Примером индикаторной среды для выявления кишечной палочки в естественных субстратах может служить агарированная среда Эндо. Бактерии из рода Escherichia на этой среде образуют розовые и малиновые колонии с металлическим блеском, а бактерии рода Salmonella - бесцветные. Недостаток: при составлении учитываются характерные питательные потребности конкретного микроорганизма. 

Широко применяются в санитарной и медицинской микробиологии для быстрой идентификации определенных групп микроорганизмов.

Консервирующие (транспортные) среды используются широко в клинической практике для сохранения жизнеспособности микроорганизмов в период от момента взятия биоматериала до посева. Преимущества: сохранение жизнеспособности микроорганизма, причем не менее 8 - 12 часов при комнатной температуре, предупреждение размножения микроорганизмов. Недостаток: сложный состав, строгие требования.

По консистенции

Жидкие среды (преимущества) широко применяют для выяснения физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов, для накопления биомассы или продуктов обмена, а также поддержания и хранения многих микроорганизмов, плохо развивающихся на плотных средах. Преимущество: возможность равномерного распределения зародышей. Недостаток: при помещении в такую среду эксплантов часто имеет место их гибель вследствие создания неблагоприятных для развития эксплантов анаэробных условий.

В основном недостатки одинаковые: строгие требования к составу, предварительно нужно знать потребности конкретного биообъекта.

Полужидкие среды обычно используют для хранения культур, реже – для накопления биомассы (например, анаэробов).

Сыпучие – основу их составляют зерно, жмыхи, разваренное пшено, отруби и другие подобные вещества.

Плотные среды используют для выделения чистых культур микроорганизмов, изучения морфологии колоний, диагностических целей, для хранения культур, количественного учета микроорганизмов.