Предмет и задачи микробиологии

Тема 1Введение

 

1. Предмет и задачи микробиологии

2. Значение микроорганизмов в природе и жизни человека

3. Промышленная микробиология; ее научные основы

4. Вклад микробиологии в развитие генетики, молекулярной биологии и биотехнологии

Предмет и задачи микробиологии

Микробиология – наука о микроскопически малых существах, называемых микроорганизмами. Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохимию, систематику, генетику, экологию микроорганизмов, их роль и значение в круговороте веществ, патологии человека, животных и растений, в экономике.

К микроорганизмам относятся преимущественно одноклеточные организмы – бактерии, микроскопические грибы и водоросли, простейшие, вирусы. Предметом изучения микробиологии традиционно служат в основном бактерии, в общем плане организации рассматриваются вирусы.

Задачи микробиологии:

1. Разработка способов борьбы с инфекционными заболеваниями.

2. Решение проблемы увеличения устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Создание новых способов лечения и профилактики заболеваний.

3. Исследование связи между инфекциями и хроническими болезнями.

4. Исследование новых возможностей использования микроорганизмов в промышленности и для контроля экологической среды.

5. Увеличение разнообразия микроорганизмов.

6. Изучение биопленок.

7. Исследование геномов микроорганизмов с помощью молекулярно-генетических методов.

8. Выяснение симбиотических взаимодействий между микроорганизмами и высшими организмами.

9. Использование микроорганизмов в качестве объектов для изучения различных фундаментальных вопросов биологии.

10. Использование микроорганизмов в качестве тест-объектов для первичной оценки новых открытий и новых технологий в биологии.

Значение микроорганизмов в природе и жизни человека

Микроорганизмы первыми поселяются на материнской горной породе и обусловливают почвообразовательные процессы. Микроорганизмы участвуют в образовании гумуса и обеспечивает доступность гумуса для растений. Особую роль в формировании и поддержании плодородия почвы играют бактерии, участвующие в круговороте азота в природе.

Микроорганизмы-редуценты – «санитары» природы. Они осуществляют разложение растительных и животных остатков и превращают их в минеральные вещества. Микроорганизмы способны осуществлять деградацию ксенобиотиков – пестицидов, гербицидов, нафталина, толуолов и др. Микроорганизмы принимают активное участие в биологическом самоочищении водоемов.

С давних пор процессы брожения применялись человеком при приготовлении теста для хлеба, пива, вина, уксуса, кисломолочных продуктов, росяной мочке льна. Изучение биосинтетической деятельности микроорганизмов позволило установить их способность к синтезу самых разнообразных соединений, имеющих большое народнохозяйственное значение.

Достижения микробиологии находят практическое применение в металлургии для извлечения различных металлов из руд, получении биогаза, добычи нефти.

Успехи в области микробиологии открыли новые возможности в профилактике и лечении многих инфекционных заболеваний, в борьбе с которыми ранее медицина была бессильна.

Решение таких актуальных проблем, как обеспечение человечества продуктами питания, разработка способов борьбы с болезнями,возобновление энергетических ресурсов, охрана окружающей среды, так или иначе будут связаны с использованием микроорганизмов.

 

Промышленная микробиология

Промышленная микробиология (микробная биотехнология) – это наука о важнейших микробиологических процессах и их практическом применении для получения индустриальным способом ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, о получении отдельных полезных веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства.

В промышленной микробиологии можно выделить направления:

1. Использование живой или инактивированной биомассы микроорганизмов. Живая и инактивированная биомасса микроорганизмов используется в классических пищевых производствах, в качестве средств биологической защиты растений, для приготовления различных биоудобрений, при силосовании кормов, консервантов и т.д.

2. Производства, основанные на получении продуктов брожения, гниения. Таким образом получают глицерин, молочную и лимонную кислоты, ацетон, бутанол, биогаз, биоэтанол и другие важные химические соедине­ругие важные химические соедине­ния.

3. Продукты метаболизма. В первую очередь– это кормовой белок, различные аминокислоты в качестве кормовой добавки, нуклеотиды, реактивы для биохи­мических исследований, антибиотики, каротиноиды, стероиды.

4. Ферменты микробного происхождения. Из культур микроорга­низмов получают ферменты, применяемые в медицине и в промышленности – амилазы, протеиназы для обработки кож, пектиназы для осветления соков и др.

5. Рекомбинантные продукты. Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Затем – рекомбинантный инсулин, интерферон, эритропоэтини др.

Открытие микроорганизмов А.ван Левенгуком

Открытие микроорганизмов связано с именем голландского естествоиспытателя Антония ван Левенгука (1632–1723), который, заинтересовавшись строением льняного волокна, отшлифовал несколько грубых линз. Позднее он достиг большого совершенства при изготовлении линз и назвал их «микроскопиями». Микроскопы А. ван Левенгука, несмотря на простоту конструкции, давали хорошее изображение при увеличении примерно от 50 до 300 раз. С помощью этих микроскопов он рассматривал все, что попадалось под руку: воду из пруда, зубной налет, слюну, кровь, настой перца и многое другое. Результаты своих наблюдений Левенгук посылал в Лондонское королевское общество. В своих письмах он сообщал, что окружающий нас мир густо населен микроскопическими обитателями, которые он назвал живыми маленькими животными – «анималькулями». А. ван Левенгук был убежден, что микроорганизмы устроены как и макроорганизмы.

Открытие А. ван Левенгука привлекло всеобщее внимание. Оно явилось основой развития микробиологии, изучения форм микроорганизмов и их распространения во внешней среде. Это был морфологический или описательный период развития микробиологии, который продолжался с конца XVII до середины XIX в. Этот период для микробиологии был малоплодотворным, так как оптические приборы того времени не позволяли отличить один вид микроорганизма от другого, не могли дать представление о биологических свойствах и роли микроорганизмов в природе.

 

Таблица 1 - Различия в строении клеток прокариот и эукариот

 

Признак	Прокариотическая клетка	Эукариотическая клетка
Организация генетического материала	Нуклеоид, состоящий чаще всего из одной замкнутой в кольцо или линейной хромосомы. Имеются гистоподобные белки. Гены не несут интронов (за исключением архебактерий). Гены организованы в опероны. Митоз отсутствует.	Ядро, содержащее обычно более одной хромосомы. Есть белки гистоны. Гены имеют экзонно-интронную организацию. Опероны отсутствуют. Деление ядра путем митоза.
Локализация ДНК	В нуклеоиде и плазмидах	В ядре и некоторых органеллах
Цитоплазматические органеллы	Отсутствуют (кроме рибосом)	Имеются
Рибосомы в цитоплазме	70S-типа	80S-типа
Движение цитоплазмы	Отсутствует	Имеется
Жгутики	Состоят из одной фибриллы, построенной из субъединиц белка флагеллина	Состоят из микротрубочек, собранных в группы
Компартментализация клеток	Слабо выражена	Клетка разделена мембранами на отдельные отсеки
Клеточная стенка (там, где она имеется)	Содержит пептидогликанмуреин (за исключением архебактерий)	Пептидогликанмуреин отсутствует

Таблица 2 - Отличия вирусов от клеточных организмов

Свойства	Вирусы	Прокариоты	Эукариоты
Клеточная организация	–	+	+
Тип нуклеиновой кислоты	ДНК или РНК	ДНК + РНК	ДНК + РНК
Автономный метаболизм	–	+ (кроме некоторых риккетсий)	+
Рост на питательных средах	–	+ (кроме риккетсий)	+
Рост на питательных средах	–	+	+

 

4. Бактериофаги

Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами. Высказано предположение, что для каждой бактерии имеется соответствующий фаг. Для некоторых бактерий число бактериофагов велико: у E. сoli целая серия колифагов Т1, Т2, Т3, Т4, ….Т7, М1…..М13 и т.д.

Рассмотрим строение колифага Т4. Он относится к сложным вирусам, т. е. он состоит из икосаэдрической головки, отростка (хвоста). В капсиде головки находится плотно упакованная двухцепочечная линейная ДНК и фермент транскриптаза в неактивном состоянии. Отросток фага имеет сложное строение. В нем различают полый стержень, покрытый сократимым чехлом, который заканчивается базальной пластинкой с шипами и нитями. Все структуры отростка имеют белковую природу. В области базальной пластинки находится фермент лизоцим, способный разрушать муреин клеточной стенки бактерий. Здесь же имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для сокращения чехла отростка бактериофага.

В зависимости от особенностей размножения в чувствительной клетке бактериофаги подразделяются на: вирулентные и умеренные.

Вирулентные фаги всегда лизируют зараженные ими бактерии и имеют только один путь развития – литический цикл: бактерии погибают.

Умеренные фаги могут вести себя двояко: 1) после проникновения в клетку нуклеиновая кислота фага может вовлекаться в литический цикл; 2) вступает с клеткой-хозяином всвоего рода симбиоз, т. е. встраивается в хромосому бактериальной клетки и превращается в профаг, передаваясь всему потомству данной клетки. Это лизогенный путь. Бактерии, которые содержат профаг, называются лизогенными.

Состояние лизогении довольно неустойчиво. Индукторами перехода лизогения ↔ литический цикл являются: состояние бактерии-хозяина, УФ-излучение, митомицин С, алкилирующие агенты, изменение температуры.

Фаговая или лизогенная конверсия – приобретение новых признаков (например, морфология их колоний, биохимические признаки, способность синтезировать токсины или антибиотики и др.).

· Для некоторых бактерий число бактериофагов довольно велико: имеются многочисленные серии бактериофагов (например, у E. сoli целая серия колифагов Т1, Т2, Т3, Т4, ….Т7,М1…..М13 и т.д.).

· Большинство бактериофагов содержит двухцепочечную ДНК, но охарактеризованы и бактериофаги с одноцепочечной ДНК (колифаг М13) и с одноцепочечной РНК (колифагиfr, Qβ, R17).

 

Рис. 2 - Строение сложных бактериофагов на примере колифага Т4

1 23 45

Рис. 3 -Адсорбция фага Т4 и инъекция ДНК в E.coli – Этапы взаимодействия вирулентных фагов с клеткой-хозяином: 1 - адсорбция, 2 - прикрепление фагов к бактериям, 3 - сокращение чехла бактериофага, 4 - разрушение клеточной стенки и проникновение полого стержня в клетку, 5 - инъекция ДНК.

Рис. 4 - Взаимодействие умеренных (подробно охарактеризовано для колифага λ) и вирулентных (на примере колифага Т4) бактериофагов с чувствительной клеткой: А – адсорбция фага на клетке; Б – интеграция фаговой ДНК в хромосому бактерий; В – репликация фаговой ДНК вместе с бактериальной; Г – деление клетки; Д – репликация фаговой ДНК и синтез фаговых белков; Е – образование капсидов; Ж – упаковка ДНК в капсиды; З – созревание фаговых частиц; И – лизис клетки и выход фаговых частиц

Таблица 3 - Отличительные свойства состояний умеренных бактериофагов

Свойства	Вирион	Профаг	Вегетативный фаг
Наличие специфической нуклеиновой кислоты	+	+	+
Репликация нуклеиновой кислоты	–	Вместе с бактериальной хромосомой	+
Синтез фаговых белков	–	–	+
Способность к заражению	+	–	–
Способность вызывать лизис клетки	–	–	+

· Профаг – геном фага, интегрированный в хромосомнуюДНКбактериальных клеток. Умеренные фаги интегрируются в геном клетки-хозяина или существуют в виде плазмид. Это латентная форма взаимодействия фага и бактериальной клетки, при которой не происходит лизис бактерий.

· Фаголизис – гибель бактериальных клеток, который вызван наличием в клетке бактериофагов.

· Лизогенная конверсия, фаговая конверсия -приобретение новых свойств бактериальной клеткой вследствие заражения её умеренным бактериофагом (обусловлена профагом). Лизогенная конверсия может затрагивать такие важнейшие свойства бактерий как морфология их колоний, биохимические признаки, способность синтезировать токсины или антибиотики, устойчивость к лекарственным препаратам и др. Это явление хорошо изучено у некоторых болезнетворных бактерий.

 

А Б В

Рис. 1 –Микрофотографии клеток бактерий: А – сферических; Б – палочковидных; В – извитых

 

 

 

Рис. 2 –Типы скоплений кокковидных (от греч. kokkos – зерно) клеток:

диплококки (от лат. diplos – двойной); стрептококки (от греч. streptos – цепочка); тетракокки (от лат. tetra – четыре); стафилококки (от лат. staphyle – гроздь винограда); сарцины (от лат. sarcina – связка, тюк)

 

Рис. 3 –Типы расположения палочковидных клеток:

монобактерии; диплобактерии;стрептобактерии

 

АБВ

Рис. 4 –Типы извитых клеток: А – вибрионы (от греч. vibrio – извиваюсь, изгибаюсь); Б – спириллы (от греч. speira – спираль); В – спирохеты

· Плеоморфизм – это морфологическая изменчивость клеток,в зависимости от условий имеющих вид палочек, кокков или слабое ветвление. У некоторых видов бактерий при прохождении цикла развития также наблюдается изменение формы клеток (рис.5). Поэтому при микроскопировании следует учитывать (указывать) среду культивирования, температуру культивирования, возраст культуры.

Рис. 5 -Проявление плеоморфизма: Изменение формы клеток у нокардий в зависимости от возраста культуры: 1 – 2-суточная культура, 2 - 4-5-суточная; 3-4 - 7-8-суточная

 

Рис. 6 – Размеры бактерий (сравнение), изображенные в одинаковом масштабе

 

· Средние линейные размеры бактерий находятся в пределах 0,5–3,0 мкм (10⁶ мкм = 1 м), но есть среди бактерий свои «гиганты» и «карлики». В частности, клетки нитчатой серобактерии Beggiatoaalba имеют диаметр до 500 мкм;продольные размеры клеток спирохет могут достигать 250 мкм. Самые мелкие из известных бактерий – микоплазмы, диаметр клеток которых составляет 0,1–0,15 мкм. Размеры клеток дрожжей, мицелиальных грибов, простейших и водорослей находятся в пределах 10–100 мкм.

 

Таблица 1 - Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных прокариот

 

Компоненты клеточной стенки	Грамположительные бактерии	Грамотрицательные бактерии
внутренний слой (пептидогликановый)	внешний слой (наружная мембрана)
Пептидогликан	+	+	-
Тейхоевые кислоты	+	-	-
Полисахариды	+	-	+
Белки		-	+
Липиды		-	+
Липополисахариды	-	-	+
Липопротеины	-		+

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, толщина ее составляет 14-17 нм. Внутренний слой клеточной стенки представлен муреином, на долю которого приходится 1–10 % ее сухой массы. Структурные микрофибриллымуреина грамотрицательных бактерий сшиты менее компактно, поэтому поры в ихмуреиновом слое значительно шире, чем в молекулярном каркасе грамположительных бактерий.

Внешний слой клеточной стенки образован фосфолипидами, липопротеинами и белками. По строению наружная мембрана имеет типичную организацию, характерную для элементарных мембран. Наружная мембрана выполняет не только механические, но и физиологические функции. В ней находятся трансмембранные белки, которые насквозь пронизывают мембрану. Они представляют собой заполненные водой каналы или гидрофильные поры в липофильной мембране, их называют поринами. Существует несколько различных типов поринов, которые выполняют транспорт через мембрану гидрофильных низкомолекулярных веществ.

Пространство между цитоплазматической и наружной мембраной получило название периплазматического. В периплазматическом пространстве находятся белки (протеиназы, нуклеазы, периферические белки цитоплазматической мембраны, рестриктазы и пермеазы).

Клеточная стенка бактерий выполняет следующие функции: механическую защиту клетки от воздействий факторов окружающей среды;обеспечивает поддержание формы клетки; дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах; осуществляет транспорт веществ и ионов; препятствует проникновению в клетку токсических веществ; на клеточной стенке находятся рецепторы, на которых адсорбируются бактериофаги и бактериоцины; в клеточной стенке находятся антигены (липополисахариды и тейховые кислоты); на клеточной стенке находятся рецепторы, ответственные за взаимодействие клеток донора и реципиента при конъюгации бактерий.

· Муреин – гетерополимер, построенный из цепочек, в которых чередуются остатки N-ацетилглюкозамина и N - ацетилмурамовой кислоты, соединенные между собой β-1,4-гликозидными связями (рис. 2).

Рис. 2 - Структура субъединицы муреина клеточной стенки эубактерий: цифры в кружках обозначают: 1, 2 – места полимеризации гликанового остова молекулы; 3 – место присоединения с помощью фосфодиэфирной связи молекулы тейхоевой кислоты в клеточной стенке грамположительныхэубактерий; 4, 5 – места, по которым происходит связывание между гликановыми цепями с помощью пептидных связей; 6– место ковалентного связывания (пептидная связь) с липопротеином наружной мембраны у грамотрицательныхуэбактерий; 7 – место действия лизоцима

Рис. 3 - Схематичное изображение структуры однослойного поперечносшитогомуреинового мешка

· Особенность клеточных стенок бактерий по сравнению с клетками эукариот – это наличие в них особых структурных элементов, а именно:

- чередующихся последовательностей N-ацетилглюказамина и N- ацетилмурамовой кислоты;

- наличие мезо -диаминопимелиновой кислоты, D-форм аланина и глутаминовой кислоты.

· Существует метод окраски, позволяющий разделить бактерии на две группы: грамположительные и грамотрицательные бактерии. Он был предложен в 1884 г. датским ученым Х. Грамом. Этот метод основан на различной способности микроорганизмов удерживать в клетке красители трифенилметанового ряда – кристаллический фиолетовый или генциановый фиолетовый, что в свою очередь зависит от химического состава и ультраструктуры клеточной стенки бактерий.

Рис. 4 - Схематичное строение клеточной стенки грамположительных бактерий (например, относится большинство из: молочнокислых бактерий, пропионовокислых бактерий, спорообразующих бактерий, микобактерий, актиномицетов)

 

Рис. 5 - Строение тейхоевой кислоты · Тейхоевые кислоты – это полимеры, образованные остатками спирта рибита или глицерина, связанными фосфодиэфирными мостиками. Они влияют на катионный обмен клетки. У некоторых бактерий они принимают участие в регуляции активности автолитических ферментов – гидролаз, способных разрушать собственную клеточную стенку в процессе роста.

 

Рис. 6 - Схематичное строение клеточной стенки грамотрицательных бактерий (большинство фототрофных бактерий, миксобактерии, цитофаги, риккетсии, хламидии, спирохеты, энтеробактерии, псевдомонады и др.)

 

 

Типы размножения бактерий

Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла репликации молекулы ДНК.

Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, которое приводит к образованию двух одинаковых дочерних клеток. У большинства грамположительныхэубактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру.

Клетки большинства грамотрицательныхэубактерий делятся путем перетяжки. Синтез новой клеточной стенки может происходить в нескольких местах или только в зоне формирования поперечной перегородки.

При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерням клеткам, и сама, таким образом, исчезает.

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. При почковании на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), которая увеличивается в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется от последней. Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново. В процессе почкования симметрия наблюдается в отношении только продольной оси. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке: есть старая материнская клетка и новая дочерняя клетка. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Это когда материнская клетка дает ограниченное число дочерних клеток, например, 4.

Для одной группы одноклеточныхцианобактерий описано размножение путем множественного деления. Оно начинается с репликации хромосомы и увеличения размеров вегетативной клетки, которая затем претерпевает ряд быстрых последовательных бинарных делений. Это приводит к образованию мелких клеток, получивших название баеоцитов, число которых колеблется от 4 до 1000. Освобождение баеоцитов происходит путем разрыва материнской клеточной стенки.

Рис. 6 - Способы деления и синтез клеточной стенки у прокариот: А – деление путем образования поперечной перегородки; Б – деление путем перетяжки; В – почкование; Г – множественное деление; 1 – клеточная стенка (толстой линией обозначена клеточная стенка материнской клетки), тонкой – заново синтезированная); 2- ЦПМ; 3 – мембранная структура; 4 – цитоплазма, в центре которой расположен нуклеоид; 5 – дополнительный фибриллярный слой клеточной стенки

 

Тема 1Введение

 

1. Предмет и задачи микробиологии

2. Значение микроорганизмов в природе и жизни человека

3. Промышленная микробиология; ее научные основы

4. Вклад микробиологии в развитие генетики, молекулярной биологии и биотехнологии

Предмет и задачи микробиологии

Микробиология – наука о микроскопически малых существах, называемых микроорганизмами. Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохимию, систематику, генетику, экологию микроорганизмов, их роль и значение в круговороте веществ, патологии человека, животных и растений, в экономике.

К микроорганизмам относятся преимущественно одноклеточные организмы – бактерии, микроскопические грибы и водоросли, простейшие, вирусы. Предметом изучения микробиологии традиционно служат в основном бактерии, в общем плане организации рассматриваются вирусы.

Задачи микробиологии:

1. Разработка способов борьбы с инфекционными заболеваниями.

2. Решение проблемы увеличения устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Создание новых способов лечения и профилактики заболеваний.

3. Исследование связи между инфекциями и хроническими болезнями.

4. Исследование новых возможностей использования микроорганизмов в промышленности и для контроля экологической среды.

5. Увеличение разнообразия микроорганизмов.

6. Изучение биопленок.

7. Исследование геномов микроорганизмов с помощью молекулярно-генетических методов.

8. Выяснение симбиотических взаимодействий между микроорганизмами и высшими организмами.

9. Использование микроорганизмов в качестве объектов для изучения различных фундаментальных вопросов биологии.

10. Использование микроорганизмов в качестве тест-объектов для первичной оценки новых открытий и новых технологий в биологии.