ОСОБЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы — многочисленная и разнообразная группа самых мелких живых существ планеты, занимающих низшие ступени эволюции. Микроорганизмы относятся к трем типам организации живого:

–доклеточные формы: вирусы, прионы;

–прокариоты: сине-зеленые водоросли, архебактерии, эубактерии, спирохеты, актиномицеты, риккетсии, хламидии, микоплазмы;

–эукариоты: микроскопические животные (в т. ч. простейшие), растения, грибы.

Общие черты микроорганизмов и других организмов:

1. Состоят из тех же элементов, что и другие организмы.

2. Имеют в структуре те же соединения (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые

кислоты).

3. Имеют те же механизмы обеспечения энергией и биохимические процессы.

Отличительные особенности микроорганизмов:

1. Малые размеры. Диаметр большинства бактерий не превышает тысячной доли миллиметра. Эта величина — микрометр (микрон), или 10–3, — «аршин» микробиолога. Ультраструктуры бактерий измеряются в нанометрах: 1 нм = 10–3 мкм = 10–6 м. Размеры простейших и микроскопических грибов находятся

впределах 100 мкм. Размеры вирусов — 25–450 нм.

2.Относительная простота строения.

3.Повсеместное распространение во всех средах обитания и огромная численность популяций (до 1012–1014).

4.Превосходство биомассы микроорганизмов над биомассой животных и растений. Микроорганизмы — самая значительная и самая разнообразная часть организмов, населяющих биосферу Земли.

5.Высокие темпы размножения (в большинстве случаев — одна генерация до

20 мин).

6.Высокая скорость адаптации к среде:

а) синтез индуцибельных ферментов. У высших растений и животных изменения обмена веществ жестко ограничены имеющимся набором ферментов, в процессе индивидуального развития состав ферментов у них меняется незначительно. Для имеющих малые размеры бактерий необходима высокая способность к адаптации. В клетке бактерии найдется место только для нескольких сотен тысяч белковых молекул. Поэтому ненужные в данное время ферменты не могут содержаться про запас. Индуцибельные ферменты, служащие для переработки питательных веществ, синтезируются только тогда, когда соответствующее вещество появляется вблизи клетки. Такие ферменты могут составлять до 10 % общего белка в клетке;

б) быстрое формирование резистентности к антибиотикам.

7. Активность и пластичность метаболизма. Большое отношение площади поверхности к объему приводит к интенсивному взаимодействию с внешней средой; с этим связан очень быстрый обмен веществами между средой и клеткой многих микроорганизмов.

У бактерий наблюдается значительное разнообразие способов питания, получения энергии и путей обмена веществ, широкий спектр конечных продуктов метабо-

лизма. Некоторые микроорганизмы способны утилизировать такие вещества, как аммиак, соединения железа, серы, сурьмы. Определенные бактерии (как и растения) производят органические вещества с помощью солнечных лучей, но кислород не выделяют (в отличие от растений).

8.Генетическое разнообразие, выработанные эволюцией сложные, совершенные и высокие темпы изменчивости, быстрое формирование лекарственной устойчивости.

9.Микроорганизмы в природе — ключевой элемент круговорота веществ и энергии. Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют круговорот веществ и энергии в природе, расщепляют органические соединения, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород. Без бактерий жизнь в ее современных формах была бы невозможна.

Микроорганизмы испытывают воздействие разнообразных природных и антропогенных факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.

Роль микроорганизмов в жизни человека.

Положительная. Нормальная микрофлора является одним из факторов врожденного иммунитета, обеспечивая антагонизм по отношению к патогенным микроорганизмам. С помощью бактерий осуществляются важные производственные процессы: получение многих пищевых продуктов (простокваша, кефир, сыр, кумыс, квашеные пищевые продукты, вино, пиво, хлеб), производство антибиотиков, гормонов, витаминов, органических кислот, ферментов, спиртов, выделка кож. Промышленное использование анаэробов особенно выгодно, так как при их выращивании воздух в ферментеры подавать не нужно, производственный процесс облегчается, а стоимость продуктов ферментации значительно снижается по сравнению с аналогичными аэробными процессами.

Отрицательная. Патогенные микроорганизмы, а иногда и условно-пато-генные, вызывают заболевания у человека. Различные виды бактерий вызывают порчу сельскохозяйственных и пищевых продуктов.

СИСТЕМАТИКА БАКТЕРИЙ

Систематика бактерий — наука о положении бактерий в органическом мире в соответствии с их происхождением и биологическим сходством.

Принципы систематики бактерий:

1. Феносистематика (нумерическая таксономия) основана на анализе макси-

мального количества сопоставляемых признаков (морфологических, физиологических, биохимических, серологических, экологических). Признаки подбирают так, чтобы они были альтернативными, т. е. чтобы их варианты можно было обозначать знаками «плюс» или «минус». При этом каждый из признаков одного штамма сравнивают с каждым признаком всех других штаммов. Считается, что сходство между двумя исследуемыми штаммами тем больше, чем больше отношение числа совпадающих признаков к числу всех учитываемых. Для попарного сравнения пользуются коэффициентом сходства (подобия):

a + b + c + d

где a — наличие признака у обоих штаммов; b — наличие признака у А и отсутствие у В; с — наличие у В и отсутствие у А; d — отсутствие у обоих.

В результате расчетов получаются величины от 0 до 1.

S = 1 означает 100%-ное сходство (идентичность), a S < 0,02 — абсолютное несходство.

Полученные величины вносятся в матрицу сходства и могут также быть представлены в виде дендрограммы, подобной филогенетическому древу. Однако нумерическая таксономия не имеет прямого отношения к филогении.

Большое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняет классификацию.

2.Хемосистематика основана на анализе структуры химических соединений поверхностных образований бактериальной клетки, состав которых имеет видовые отличия.

3.Геносистематика предполагает объединение бактерий на основе степени сходства геномов.

Генетическая информация в прокариотической клетке содержится в одной хромосоме. Генетический код состоит из четырех букв — начал названий азотистых оснований: двух пуриновых — А (аденина) и Г (гуанина), двух пиримидиновых — Ц (цитозина) и Т (тимина).

Специфичность нуклеиновых кислот для различных бактерий обусловливается их химическим строением и отражается на количественном соотношении пуриновых

ипиримидиновых оснований, а также на последовательности чередования нуклеотидов в цепи молекулы.

Молекулярно-генетические критерии систематики:

1) процентное соотношение Г/Ц, которое существенно отличается у различных групп микроорганизмов. Этот показатель наиболее часто используют как таксономический признак для характеристики микроорганизмов;

2) коэффициент подобия (колеблется от 25 до 75 %), который определяют по формуле

Г + Ц . Г + Ц + Т + А

Коэффициент подобия остается постоянным для данного вида. Чем выше коэффициент подобия, тем больше вероятность принадлежности выделенного микроорганизма к определенному виду. При этом исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60 % свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду, выше 40 % — к одному роду;

3)плазмидный профиль — совокупность типов плазмид;

4)секвенирование — определение последовательности нуклеотидов в рибосомной РНК (рРНК) — «золотой стандарт» систематики.

4. Смешанный подход.

Систематика бактерий разрабатывает принципы их классификации, таксоно-

мии, номенклатуры и идентификации.

Классификация — распределение организмов в соответствии с их общими свойствами по группам более высокого порядка (таксонам). Различают два вида классификаций: искусственные и естественные (филогенетические).

Попытки систематизировать все объекты живой природы предпринимались со времен Аристотеля. Долго использовался монофилитический подход (все живое от одного предка), сохранялось стремление к естественной классификации. Потом данный подход пришлось на время отвергнуть, так как объекты живой природы не выстраивались в единую лестницу.

Искусственная классификация бактерий базировалась на их объединении в отдельные группы на основе только фенотипического сходства. Первая искусственная классификация бактерий была приведена в 1923 г. немецким ученым Дэвидом Берджи в 1-м издании определителя бактерий. В нем были систематизированы все сведения, имеющиеся к тому времени. Последующие издания определителя бактерий Берджи издавались Международным комитетом по таксономии бактерий.

Основой для искусственной классификации служило адекватное описание штаммов. Последние объединялись в виды, виды в роды, а роды в семейства. Искусственная классификация учитывала, в первую очередь, практические моменты и использовалась для идентификации видов.

Построение естественной классификации бактерий — конечная цель их так-

сономии. Она состоит в том, чтобы объединить родственные формы, связанные общностью происхождения, и на этой основе создать филогенетическое древо бактерий. В настоящее время действует 11-е издание определителя бактерий Берджи (2001), в котором используется генетический подход — установление связи между бактериями на генетическом уровне.

Клеточные живые организмы являются прокариотами (домен Бактерии) или эукариотами (домены Растений, Грибов, Животных (многоклеточных и одноклеточных

— Простейших)). Прокариоты имеют ряд отличительных особенностей от эукариот

(табл. 1).

Бактерии, в свою очередь, делятся на два царства: Эубактерии (собственно бактерии) и Архебактерии (другое название — Археи) (рис. 2).

Э

У

К

А

Р

И

О

Т

Ы

Рис. 2. Главные домены клеточной жизни (родство групп установлено по сходству нуклеотидных последовательностей рРНК)

Археи (архебактерии) обнаружены в 70-х гг. XX в. Число известных архебактерий по сравнению с эубактериями (истинными бактериями) мало. Как и эубактерии, архебактерии относятся к прокариотам, но значительно отличаются химическим строением клеточных макромолекул и способностью осуществлять уникальные биохимические процессы.

Архебактерии очень рано отделились от эубактерий, большинство из них — прямые потомки тех бактерий, которые научились использовать доступные на заре эволюции неорганические доноры и акцепторы водорода. Архебактерии живут в экстремальных условиях: горячих, кислых, высокосолевых подземных водах. Среди архебактерий нет возбудителей инфекционных заболеваний.

Такое деление возникло недавно (1990) на основе последовательности рибосом-

ной РНК (рРНК). Построение классификации на основе рРНК отображает родство организмов по происхождению, но зачастую не отражает сходство в образе их жизни. Генетическую классификацию организма можно провести, даже не зная, как он выглядит. Достаточно просеквенировать его рРНК. Некоторые группы архебактерий так и были описаны: рРНК есть, а сами микроорганизмы пока никто не видел.

Выбор именно рРНК неслучаен, т. к. рибосомы — это места синтеза белка, они имеются во всех клетках и очень консервативны по своим функциям. В особенности это относится к рРНК, т. к. на последовательность их оснований не может влиять ни вырожденность генетического кода, ни супрессорные мутации. Таким образом, рРНК отвечает требованиям, которые можно предъявить всеобщему филогенетическому маркеру.

В результате каталогизации нуклеотидных последовательностей были установлены коэффициенты сходства, что привело к созданию дендрограммы — филогенетического древа бактерий (рис. 3). При определении последовательности нуклеотидов в 16S pPHK у большого числа бактерий обнаружились как неожиданные различия, так и поразительные черты сходства.

Грамположительные с низким содержанием Г+Ц

â

Грамположительные с высоким содержанием Г+Ц

â

Зеленые, не содержащие S2- (цианобактерии, спирохеты, хламидии)

â

Зеленые серобактерии

â

Грамотрицательные протеобактерии

Рис. 3. Эволюция бактерий

Установлением соподчинения отдельных групп организмов занимается таксономия (гр. taxis — порядок, расположение, nomos — закон) — раздел систематики, разрабатывающий принципы классификации.

Таксон (таксономическая единица) — классификационная единица, группа организмов, объединенных по определенным однородным свойствам в рамках той или иной таксономической категории.

Таксоны, применяемые в бактериологии:

1.Домен (Domain) — группа рангом выше царства, объединяющая разные организмы, обладающие определенным набором общих черт.

2.Царство (Kindom) — совокупность типов бактерий.

3.Тип (Phylum) — совокупность классов бактерий.

4.Класс (Class) — совокупность порядков бактерий.

5.Порядок (Order) — совокупность семейств бактерий.

6.Семейство (Family) — совокупность взаимосвязанных родов бактерий, базируется на основе типового рода.

7.Род (genus) — совокупность близкородственных видов, базируется на основе типового вида.

8.Вид (species) — основной таксон в классификации бактерий — эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющих экологическое единство и близкий генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками и антигенной структурой. Критерий репродуктивной изоляции у некоторых бактерий не является строгим, всегда выражен лишь до уровня семейств, возможен обмен генетическим материалом между близкородственными родами (например, Salmonella, Shigella, Escherichia) и приобретение бактериями новых свойств (например, изменение спектра чувствительности к антибиотикам).

Подвиды (внутривидовые категории) — совокупность популяций определенного вида, отличающихся рядом признаков, не препятствующих объединению в вид.

Подвидовые таксоны:

1.Вариант (вар) — совокупность популяций микроорганизмов определенного вида, отличающихся по свойствам. Различают морфо-, гено-, ферменто-, серо-, био- (резистенс-, фаго-), эковары.

2.Штамм (нем. stammen — происходить, ствол, основа) — чистая культура микроорганизмов, выделенная из одного определенного источника (организма, окружающей среды). Другими словами, штамм — конкретный образец (изолят) данного вида.

3.Чистая культура — совокупность микроорганизмов одного вида или варианта, полученная из одного образца и содержащаяся в определенном объеме среды (например, в пробирке). Выделение чистых культур бактерий необходимо для их идентификации.

После идентификации и определения свойств чистая культура становится штаммом. Разные штаммы одного и того же вида бактерий могут отличаться друг от друга по ряду свойств (например, по чувствительности к антибиотикам, способности к образованию токсинов, ферментов). Штаммы имеют различия по месту и времени выделения. При описании нового штамма один образец культуры в жизнеспособном состоянии должен быть сдан в официально признанную коллекцию культур.

4.Клон (греч. klon — росток) — генетически однородная чистая культура микроорганизмов, полученная из одной материнской клетки.

Номенклатура бактерий — название бактерий в соответствии с международными правилами (табл. 2). Наименование бактерий регламентируется Международным кодексом номенклатуры бактерий, разработанным Международным комитетом

Все таксоны до вида определяются одним словом. У видов бактерий бинар-

ная номенклатура, т. е. название вида состоит из двух слов: родовое (первое, пишется с прописной буквы) и видовое (второе, пишется со строчной буквы): Staphylococcus aureus, Escherichia coli. При повторном написании родовое название сокращается до начальной буквы: S. aureus, E. coli.

Первоначальное правило, согласно которому в родовом названии должны быть отражены морфологические признаки, а в видовом — физиологические, в связи с крупными новыми открытиями перестало соблюдаться. Сегодня родовые названия могут отражать экологические, физиологические (Nitrosomonas, Azotobacter), биохи-