Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

Основы микробиологии

190

Бактерии

ВВЕДЕНИЕ. Бактерии – группа микроорганизмов, различающихся по множеству морфологических, биохимических и генетических признаков. В связи с этим возможны различные способы классификации бактерий. В настоящее время по коду международной номенклатуры бактерий (ICNB) зарегистрировано около 6 000 штаммов микроорганизмов. Молеку- лярно-генетический анализ рибосомной РНК из природных сред позволяет предположить, что количество еще не изученных бактерий значительно превышает количество зарегистрированных.

ЭУБАКТЕРИИ. Классическое определение бактерий основывалось на морфологических признаках: даже с помощью светового микроскопа можно различать палочки, кокки, спириллы, объединенные между собой клетки (колонии, филаменты), а также структурные особенности спор и гиф. Для дальнейшей классификации бактерий используется специфическое окрашивание клеток. Реакция клеток на окрашивание по Граму отражает особенности строения клеточной стенки: грамположительные бактерии имеют массивную многослойную клеточную стенку, построенную из муреина, под которой располагается плазматическая мембрана. Клеточное содержимое грамотрицательных бактерий одето внутренней и внешней клеточными мембранами, между которыми находится периплазматическое пространство. Поверх внешней мембраны располагается однослойная клеточная стенка, построенная из муреина и сложных липополисахаридов. Более детальная классификация бактерий возможна при изучении их физиологических и биохимических особенностей. Можно выделить несколько основных критериев для классификации.

Отношение к кислороду: рост бактерий может происходить в аэробных (в присутствии кислорода) или анаэробных (без кислорода) условиях.

Источник энергии: бактерии-фототрофы могут осуществлять фотосинтез, перерабатывая энергию солнечного света, а бактерии-хемотрофы используют в качестве источника энергии различные органические или неорганические соединения, осуществляя дыхание или брожение.

Природа окисляемого соединения. В соответствии с этим критерием выделяются органотрофы (для которых источником энергии служат органические соединения) и литотрофы, получающие энергию за счет окисления таких неорганических веществ, как H2, NH3, H2S, S, CO, Fe2+ и т. д.

Источник углерода. Автотрофные бактерии фиксируют СО2, а гетеротрофные для получения углерода используют органические соединения.

Тип взаимоотношений с другими организмами.

По типу взаимоотношений с другими организмами выделяют сапрофитный (автономный) или пара-

зитический (зависящий от организма-хозяина) образ жизни бактерий. Подверженность фаговой инфекции определенного типа также может служить

вкачестве признака для классификации бактерий (phage typing).

Приспособленность к условиям среды обитания.

В то время как мезофильные бактерии обитают

вумеренных условиях, другие бактерии (экстремофилы) приспособились к существованию в экстремальных условиях (температура, давление, рН, концентрация солей и т. д.). Признаки для дальнейшей классификации бактерий можно обнаружить при изучении пигментации, анализе химических компонентов клеточной стенки и клеточной мембраны (состав жирных кислот), данных иммунологического анализа поверхностных антигенов (серология) или устойчивости к действию антибиотиков. В последнее время особенно широко применяется анализ генетических признаков. Первичные данные для классификации можно получить из анализа состава ДНК (содержание G + C). Число бактерий, геном которых полностью секвенирован, постоянно увеличивается, и полученная информация используется при объяснении

результатов анализа генетических признаков. С 1972 г. для классификации и установления эволюционных связей между различными бактериями используют результаты секвенирования рибосомных РНК, прежде всего 16S- и 23S-рРНК. В этих молекулах выделяются высококонсервативные участки, сохранившиеся в процессе эволюции. В соответствии со структурой рРНК все живые организмы делятся на три основных надцарства: археи, эубактерии (прокариоты) и эукариоты.

ХАРАКТЕРИСТИКА И ТАКСОНОМИЯ БАКТЕРИЙ. Быстрая и достоверная идентификация микроорганизмов имеет большое значение в клинической медицине, ветеринарной практике, пищевой промышленности и лабораторных исследованиях. Наряду с визуальным (с помощью микроскопа) и биохимическим анализом микроорганизма, изучают его способность расти на различных питательных средах, а также проводят анализ ДНК, например, используя ДНК-зонды, специфичные для определенных таксонов.

Не всегда по полученным результатам можно отнести исследуемый штамм к тому или иному таксону, и в таких случаях требуется тщательный анализ более широкого набора признаков.

Основы микробиологии

192

Основы микробиологии

Грибы

ВВЕДЕНИЕ. Грибам принадлежит важная роль в круговороте веществ в природе, в частности они участвуют в разрушении древесины и образовании гумуса. В симбиозе с высшими растениями (микоризы) грибы помогают им перерабатывать различные вещества. В то же время некоторые предствители грибов являются опасными патогенами растений (например, мучнистая роса). В биотехнологии грибы используют в производстве пищевых продуктов, при получении антибиотиков и ферментов; при утилизации биомассы важную роль играет способность грибов осуществлять разложение органических соединений. Среди 70 000 видов охарактеризованных грибов наиболее широко представлены сумчатые грибы аскомицеты (около 20 000 видов). В качестве примеров здесь рассмотрены Penicillium notatum и Aspergillus niger. Очень важны в биотехнологии представители фикомицетов – грибы родов Rhizopus и Mucor. Около 12 000 видов грибов базидиомицетов относятся к съедобным грибам (шампиньоны, лисички, белые грибы и т. д.), а некоторые другие их представители участвуют в разрушении древесины (белый и красный плесневые грибы). Среди грибов встречаются патогенные для человека виды (их около 300). Все грибы – гетеротрофы. Их клеточная стенка содержит хитин, глюкан и в некоторых случаях также целлюлозу.

РАЗМНОЖЕНИЕ ГРИБОВ. Типы размножения грибов чрезвычайно разнообразны, в качестве примера мы рассмотрим размножение сумчатых грибов аскомицетов. Вегетативное тело грибов (таллом) состоит из мицелия – системы ветвящихся нитей (гифы). При бесполом размножении на концевых выростах мицелия образуются конидиеносцы. В конидиях происходит деление и высвобождение спор, из которых формируется новый мицелий. Как и многие другие грибы, аскомицеты способны к половому размножению. У них существует две различающиеся по облику формы (явление диморфизма), что существенно затрудняет их классификацию. Гифы формируют мужские и женские половые органы (антеридии и аскогонии соответственно); после протекания плазмогамии образуются дикариотические гифы, дающие начало аскокарпу («плодовому телу»). Затем в концевых клетках дикариотических гиф два ядра сливаются и формируют диплоидную зиготу (этот процесс называется кариогамией). После мейоза образуются восемь аскоспор (у аскомицетов) или четыре базидиоспоры (у базидиомицетов), из которых в дальнейшем вырастает мицелий.

множается исключительно бесполым путем, поэтому для осуществления рекомбинации в лабораторных условиях проводят слияние протопластов с различными типами ядер (гетерокариоз, парасексуальный процесс). P. notatum и родственный гриб Cephalosporium acremonium – продуценты важнейших лактамных антибиотиков. Другим примером биотехнологического применения грибов рода Penicillium является использование Penicillium camamberti при изготовлении сыров. Геном P. notatum имеет размер 32 млн п.н., и к настоящему времени секвенирована лишь небольшая его часть.

ASPERGILLUS NIDULANS – другой представитель аскомицетов, морфологически отличающийся от Penicillium по форме конидий. Размер генома составляет 31 млн п.н. и его структура пока полностью не расшифрована (2005 г.). В биотехнологии штаммы Aspergillus находят широкое применение: A. oryzae часто служит в качестве организма-хозяина для экспрессии рекомбинантных белков, A. niger является промышленным продуцентом лимонной и глюконовой кислот. Другие штаммы Aspergillus используются для синтеза внеклеточных ферментов (амилаз и протеиназ), а также в пищевой промышленности (например, в азиатском регионе для приготовления соевого соуса и мисо). Как и в случае Penicillium, для усовершенствования штаммов Aspergillus проводят слияние протопластов с последующим отбором.

RHIZOPUS ORYZAE и R. nigricans – представители фикомицетов, растущие на рисе и хлебе соответственно. Гифы этих грибов растут чрезвычайно быстро и буквально пронизывают питательную среду. Бесполое размножение фикомицетов происходит с образованием спор в специализированном мицелии – спорангиях. Представители родов Rhizopus и Mucor находят широкое применение в биотехнологии, так как в процессе разложения органического субстрата они выделяют в среду разнообразные внеклеточные ферменты. Геном R. oryzae составляет около 39 млн п.н., его нуклеотидная последовательность будет определена в ближайшее время (2005 г.).