9.1 Объекты и методы микробиологии
Наиболее важным для биотехнологов разделом биологии является микробиология – наука о микроорганизмах (микробах) – мельчайших, невидимых невооруженным глазом живых существах . изучает их систематику, строение, физиологию, генетику, методы выявления и распознавания.
В зависимости от объекта исследований выделяют области микробиологии:
· бактериология (изучает бактерии — прокариоты),
· микология (дрожжевые и плесневые грибы),
· вирусология (вирусы).
Специальные разделы микробиологии:
Ø медицинская микробиология изучает патогенные и условно патогенные для человека микроорганизмы, закономерности их взаимодействия с организмом, методы диагностики, профилактики и лечения инфекционных заболеваний .
Ø сельскохозяйственная микробиология изучает значение микроорганизмов в образовании почвы, питании растений, разрабатывает методы получения и применения бактериальных удобрений, способы консервирования кормов, борьбы с фитопатогенными микроорганизмами .
Ø ветеринарная микробиология изучает возбудителей инфекционных заболеваний животных .
Ø космическая изучает особенности микрофлоры человека и окружающей среды в космических кораблях, условия выживания и распространения микроорганизмов в космосе .
Ø техническая (промышленная) исследует микроорганизмы, играющие важную роль в производстве (например, пищевых продуктов, антибиотиков, органических кислот, ферментов, аминокислот и др.).
!Микробиология является научной основой всех биотехнологических процессов, играет важную роль в обеспечении качества и безопасности продукции.
Микроорганизмы – первые, самые древние живые существа на нашей планете. Им принадлежит заслуга первичного насыщения атмосферы кислородом, накопления биомассы и формирования почвы, а также энергетического потенциала в виде нефти, угля, газа, руд. Некоторые микробы в процессе эволюции стали нашими друзьями (бифидобактерии как защитная микрофлора, использование в пищевой промышленности и биотехнологии), другие — врагами, с которыми нам приходится бороться (болезнетворные, возбудители порчи продуктов).
Микроорганизмам принадлежит огромная роль в круговороте веществ в природе. Пастер писал: «Микробы – бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль».
Основными методами микробиологических исследований являются:
o микроскопия (световая, люминесцентная, электронная, лазерная) .
o выделение чистых культур и контролируемое культивирование .
o аналитические методы (физиолого-биохимические, генетические, молекулярно-биологические и т.д.).
9.2 История развития микробиологии
Микробиологические процессы люди использовали с древних времен (вино, кумыс, простокваша, хлеб), когда еще не знали природы этих процессов и считали их божественным даром. Начало микробиологии как науки относится к середине 17 века, когда любознательный голландский торговец Антони ван Левенгук (1632-1723), пользуясь различными линзами, которые делал сам, увидел «каких-то маленьких зверьков – анималькулей» в слюне, воде, других объектах. Он настолько увлекся этими исследованиями, что стал с 1674 года регулярно посылать письма-отчеты о них Королевскому обществу в Лондоне, а позже, в 1695 описал свои наблюдения в книге «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком».
Долгое время исследователи занимались только описанием форм и размеров микробов. Начало физиологического периода положено работами французского ученого-химика Луи Пастера (1822-1895). Он нашел способ лечения вина от порчи путем его прогревания при 60° С в течение нескольких минут – так появился процесс пастеризации, доказал невозможность самозарождения жизни в современных условиях, создал вакцины против сибирской язвы, холеры кур, бешенства.
Другое известное имя в микробиологии – Роберт Кох (1843-1910). Им впервые введены плотные питательные среды, разработаны методы выделения чистых культур, обнаружен и изучен возбудитель туберкулеза, разработаны методы окрашивания микроорганизмов. За эти работы в 1905 он получил Нобелевскую премию.
Большой вклад в развитие микробиологии внес наш соотечественник Илья Ильич Мечников (1845-1916). Им создана фагоцитарная теория иммунитета, установлен антагонизм между молочнокислыми и гнилостными микроорганизмами, на основании этих исследований создана теория долголетия. В 1908 получил Нобелевскую премию за работы по иммунитету.
Еще один знаменитый ученый – Дмитрий Иванович Ивановский, физиолог растений, открыл возбудителя мозаичной болезни табака небактериальной природы, считается основоположником вирусологии.
Виноградский Сергей Николаевич – основоположник почвенной микробиологии. Изучал серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии, открыл явление хемосинтеза, предложил избирательные среды. Вместе с Бейеринком считается основоположником экологического направления в микробиологии, в которое огромный вклад внес Омелянский В.Л.
Королев Сергей Александрович создал теоретические основы технической микробиологии.
В современной микробиологии особое внимание уделяется фундаментальным исследованиям (выяснению путей метаболизма, регуляции обмена веществ) и систематике микроорганизмов (построению филогенетического древа). Быстро развиваются экологическая, популяционная, медицинская, сельскохозяйственная и техническая микробиология.
9.3 Основы систематики микроорганизмов
Систематика – наука о разнообразии живых организмов, взаимоотношениях и родственных связях между группами (таксонами). Цель – создание системы органического мира. Включает три раздела:
· классификация (определяет порядок расположения таксонов в общей системе),
· номенклатура (диктует правила наименования таксонов),
· идентификация (подразумевает этапы и методы определения таксономической принадлежности микроорганизм)
Для классификации микроорганизмов используются общие принципы систематики в биологии. Среди микроорганизмов встречаются представители трех царств: вирусы (относятся к империи неклеточные), прокариоты (или дробянки, к этому царству относятся бактерии и цианобактерии), грибы (дрожжи и плесени).
Микроорганизмы, как и все живые существа, обладают определенными признаками, по которым их отличают и разделяют на устойчивые, отчетливо различающиеся группы. Раньше использовались в основном морфологические признаки, затем добавились биохимические свойства, в настоящее время все чаще используют генетические признаки и в будущем создание классификации будет основано на генетических картах.
Основная таксономическая единица – вид – совокупность особей микроорганизмов, сходных по морфологическим, культуральным, физиолого-биохимическим свойствам и генотипу. Рассмотрим критерии вида.
Морфологические свойства — форма, взаимное расположение, размер и строение клеток, некоторые внешние особенности строения, например, наличие или отсутствие спор, капсул, жгутиков . окраска по Граму.
Размеры микроорганизмов обычно измеряют в мкм (10-6м, например, диаметр кокков 1-2 мкм, длина крупных палочек и размер дрожжей – 6-10 мкм) или нм (10-9 м, размеры вирусов от 6 до 300 нм). Для точного измерения используют специальные приспособления – объект- и окуляр-микрометры.
Культуральные свойства – особенности роста на разных питательных средах (на плотных – в виде колоний разного цвета, формы и размера, каждая колония вырастает из одной клетки, миллионы организмов с одинаковыми генами, т.е. по сути дела клоны).
Физиолого-биохимические — способы получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к температуре и другим факторам внешней среды.
Генетические – особенности строения ДНК (например, процентное содержание гуанина и цитозина используется при идентификации молочнокислых микроорганизмов).
Виды объединены в таксоны более высокого уровня – роды и т.д. В микробиологии используют следующие основные уровни систематики (группы, таксоны):
царство → отдел → класс→ порядок→ семейство→ род→ вид→ штамм
Штаммы (более узкое понятие, чем вид) – различные культуры одного и того же вида, выделенные из разных сред, могут отличаться незначительными признаками (интенсивностью кислотообразования, устойчивостью к антибиотикам, бактериофагам и т.д.).
Культура – микроорганизмы, выделенные из объекта внешней среды и выращенные на питательных средах. Чистая культура – состоящая из особей одного вида, смешанная – из нескольких.
Кроме основных используют промежуточные таксоны: подцарство, подотдел, подкласс, подвид. В последние годы используются также таксоны домен (надцарство) и филум.
9.4 Номенклатура микроорганизмов
Названия таксонов пишутся в соответствии с Международным Кодексом номенклатуры:
Ø латинскими буквами .
Ø всех рангов выше вида состоят из одного слова, причем таксоны, как правило, имеют стандартные окончания: порядок — ales, напр. Bacteriales . семейство – aceae, например, Enterobacteriaceae . род — um, us, например Bacillus, Bacterium .
Ø для обозначения вида применяют бинарную номенклатуру, т.е. название вида состоит из двух слов: первое обозначает род (с большой буквы), второе – видовой эпитет (с маленькой). Например, Streptococcus thermophilus (стрептококк теплолюбивый), Bacillus subtilis (сенная палочка), Mycobacterium tuberculosis (туберкулезная палочка). Часто родовое название сокращают после первого упоминания, например Str. thermophilus, B.subtilis и т.д.
Если у микроорганизмов обнаружены отклонения от типичных видовых свойств, то такие культуры рассматриваются как подвиды. В этом случае к названию вида добавляют название подвида через слово subspecies, например Lactococcus lactis subsp. cremoris (лактококк молочный подвид сливочный).
В микробиологии различают также инфраподвидовые подразделения микроорганизмы – варианты, отличающиеся свойствами:
— антигенными — серовар .
— морфологическими — морфовар .
— химическими — хемовар .
— физиологическими — биовар .
— патогенностью — патовар .
— отношением к бактериофагам — фаговар.
Таким образом, подвидовое деление будет включать следующие таксоны:
вид → подвид → вариант → штамм
Для биоварианта к названию вида (или подвида) добавляют слово biovar, например, Lac. lactis subsp. lactis biovar diacetilactis (молочный лактококк, биовариант, образующий диацетил, т.е. ароматообразующий).
В названии штамма добавляют условные обозначения в виде букв и цифр (иногда это название коллекции и номер штамма в ней или условное обозначение, но единой международной системы пока нет). Например, Lactobacillus acidophilus B12, Bifidobacterium adolescentis 42C, Escherichia coli H127.
9.5 Классификация микроорганизмов
Классификация микроорганизмов – одна из наиболее сложных задач биологии. Идеальная – естественная классификация, определяющая место каждой таксономической группы в эволюции и их родственные связи. В микробиологии до последнего времени использовались искусственные классификации – по нескольким наиболее характерным признакам. Ни одна из существующих не является полной и всеобъемлющей.
Наиболее широко для практических целей используется определитель бактерий Бе́рджи (иногда используется другая транскрипция – Берги). Американский бактериолог Берджи в начале ХХ века предложил разделение бактерий по ряду определенных признаков и в 1924 году выпустил первый определитель. В настоящее время выпущено уже 9 изданий, к их созданию привлекаются ведущие микробиологи мира.
В соответствии с девятым изданием (1994) определителя Берджи все прокариоты делятся на 4 категории:
1 – грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки (в 8 издании они названы грациликутами – в переводе с латинского «с тонкой кожей») .
2 – грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки (фирмикуты — с крепкой кожей) .
3 – эубактерии, лишенные клеточной стенки (тенерикуты — с мягкой, нежной кожей) .
4 – археобактерии, имеющие особый химический состав клеточной стенки (мендозикуты — имеющие дефект)
Описание в определителе Берджи 9 издания дается по группам, всего 35 групп.
Готовится 10-е издание определителя Берджи, в котором будет 5 томов (пока изданы первые, на русский язык пока не переведены). В этом издании сделана попытка перехода к филогенетической классификации микроорганизмов на основании сравнения нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. Предусмотрено деление на 3 домена (бактерии, археи и эукариоты), каждый домен делится на филумы, классы, роды, виды. Бактерии и археи имеют прокариотическое строение клеток, однако археи имеют особую структуру 16S рРНК, отличаются строением мембран и специфическими путями метаболизма, которые позволяют им выживать в экстремальных условиях.
Классификация постоянно совершенствуется. Например, существуют загадочные L-формы, которые способны давать некоторые микроорганизмы после воздействия антибиотиков. Похожи на осколки клеток, фильтруются через бактериальные фильтры, при благоприятных условиях могут регенерировать в нормальные полноценные клетки.
