Систематика и классификация прокариот

План лекции:

1.Принципы систематики.

2.Общая характеристика отделов и представителей отдела Gracillicutes.

3.Общая характеристика представителей отдела Firmicutes.

4.Общая характеристика представителей отдела Tenericutes.

5.Общая характеристика представителей отдела Mendosicutes.

 

Принципы систематики.

Систематика (таксономия) бактерий является не только одним из наиболее важных и сложных, но и наименее разработанным разделом микробиологии.

Задачами систематики являются классификация, номенклатура и идентификация микроорганизмов.

Классификация – распределение множества микроорганизмов по группам.

Номенклатура – присвоение названия отдельным группам и микроорганизмам.

Основной таксономической категорией является вид.

Вид – это группа близких между собой организмов, имеющих общее происхождение и на данном этапе эволюции характеризующихся определенными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленных отбором от других видов и приспособленных к определенной среде обитания.

Виды → в роды → в семейства → в порядки → классы → в отделы → царства.

Большое значение в микробиологии имеют такие понятия как штамм и клон. Штамм — более узкое понятие, чем вид. Штамм - это культуры бактерий одного и того же вида, выделенные из различных источников или даже из одного источника, но в разное время. Штаммы различаются отдельными специфическими признаками, например, вирулентностью, устойчивостью к антибиотикам, ферментативной активностью.

Клон – популяция (культура) бактерий, полученная из одной бактериальной клетки.

Идентификация – устанавливает принадлежность микроорганизмов к определенному таксону на основании наличия определенных признаков. В большинстве случаев идентификация заключается в определении видовой и родовой принадлежности микроорганизмов.

Определение бактерий до вида важно с позиции не только познавательной, общебиологической, но и связано с решением прикладных и научных задач. Особенно это важно для медицинской, ветеринарной и промышленной микробиологии.

В настоящее время в микробиологии приняты 2 основных подхода в систематике, обусловленных существованием двух систем классификации: филогенетической (естественной) и фенотипической (искусственной).

В основу филогенетической классификации положена идея создания системы прокариот, объективно отражающей родственные отношения между разными группами бактерий и историю их эволюционного развития. Фенотипическая классификация преследует, в первую очередь, практические цели, заключающиеся в том, чтобы установить принадлежность микроорганизма к определенному таксону.

При классификации бактерий учитывается большое количество различных свойств и признаков (критериев систематики). Чем больше сходных признаков имеют сравниваемые микроорганизмы, тем больше оснований для включения их в одну группу.

При идентификации бактерий возможно использование генетических, фенотипических и серологических подходов и критериев систематики.

Генетические критерии систематики.

Наиболее объективными и дающими представление о филогенетических связях между организмами являются ГЕНЕТИЧЕСКИЕ (МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ) КРИТЕРИИ. К ним относятся:

1. Определение относительного содержания ГЦ-пар в ДНК,

2. гибридизация нуклеиновых кислот,

3. методы генетического анализа (изучение переноса генов, генетических скрещиваний, картирование хромосом бактерий и др.),

4. рестрикционный анализ ДНК,

5. применение генетических зондов (ДНК зондов) (короткий отрезок ДНК или РНК известной структуры или функции, меченный каким-либо радиоактивным или флуоресцентным соединением),

6. определение нуклеотидных последовательностей в ДНК или РНК.

Относительное содержание ГЦ–пар в ДНК представляет собой стабильный признак, не зависящий ни от возраста, ни от условий культивирования, ни от отдельных перестроек генов в хромосоме. Каждый вид бактерий имеет ДНК с характерным содержанием ГЦ-пар, и эту величину можно рассматривать как один из важных признаков вида.

Нуклеотидный состав ДНК бактерий можно определить химическими и физическими методами. К химическим относится метод хроматографии на бумаге. Определение состава ДНК этим методом со­стоит из следующих основных этапов: выделение ДНК, ее гидролиз до азотистых оснований, разделения их с помощью хроматографии на бумаге, элюирование оснований с бумаги (извлечение вещества вымыванием его подходящим растворителем) и последующая ультрафио­летовая спектрофотометрия. Хотя этот метод довольно длителен и трудоемок, он позволяет определить непосредственное соотношение азотистых оснований в ДНК. Метод хроматографии на бумаге является классическим методом определе­ния нуклеотидного состава ДНК.

К физическим относятся методы определения содержания азотистых оснований по температуре плавления ДНК (температура при которой происходит денатурация ДНК, чем больше ГЦ-пар, тем выше ее температура плавления), метод ультрацентрифугирования ДНК в градиенте плотности хлористого цезия. Метод основан на том, что имеется линейная зависимость между плотностью ДНК и содержанием в ней ГЦ-пар оснований.

Более тонким методом оценки генетического сходства является метод молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот, с помощью которого определяют число и степень сходства гомологичных участков в геномах сравниваемых видов. Этот метод позволяет перейти от установления степени сходства к выводам о степени родства между организмами.

Метод генетического анализа. Перенос генетической информации и рекомбинация ее с ДНК реципиента может происходить только между двумя родственными микроорганизмами. Осуществлению межвидового, межродового переноса генов могут препятствовать внешние барьеры: например, различия в строении пограничных слоев клеток, что мешает их конъюгации или необходимому для трансдукции прикреплению бактериофага. Включение каждого отдельного фрагмента молекулы ДНК донора зависит от степени его гомологии с ДНК реципиента именно в том небольшом специфическом участке хромосомы, в котором должна произойти рекомбинация.

Рестрикционное картирование. Ферменты рестриктазы способны распознать специфические нуклеотидные последовательности и только в строго определенных участках (сайтах рестрикции) «разрезать» молекулы ДНК на фрагменты (рестрикты). Этот метод дает возможность выявить сравнительно тонкие различия в последовательности нуклеотидов ДНК и может использоваться для дифференциации микроорганизмов на внутривидовом уровне.

Метод молекулярных, или генных зондов (ДНК-зондов) основан на реакции гибридизации между фрагментом нуклеотидной последовательности (зондом), несущим наиболее специфический и наиболее консервативный для данного вида бактерий ген, с полимерной ДНК изучаемого микроорганизма. С помощью этого метода можно идентифицировать любой биологический объект. Точность метода зависит от используемого зонда (его «чистоты»). Разрешающая способность метода может быть повышена с помощью цепной ДНК-полимеразной реакции. В основе полимеразной цепной реакции (ПЦР) лежит многократное реплицирование специфического участка нуклеотидной последовательности, катализируемое ДНК-зависимой ДНК-полимеразой, и использование праймера – фрагмента ДНК, несущего наиболее специфичную для данного микроорганизма нуклеотидную последовательность гена. С помощью праймера обнаруживают искомый фрагмент идентифици­рующего микроорганизма. ПЦР может быть использована для идентификации ДНК любого микроорганизма, если для него имеется соответствующий праймер.

Определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) дает возможность проводить сопоставительный анализ последовательностей в различных молекулах ДНК и РНК. Чаще всего анализируются нуклеотидные последовательности рибосомных РНК - 16SpPHK. Чем больше различий в последовательности нуклеотидов 16SрРНК у двух бактерий, тем раньше началось расхождение между ними, тем дальше они отстоят друг от друга в генетическом родстве. На основании исследований профессора Иллинойского уни­верситета К.Веза (C.Woese) сделана попытка перехода к филоге­нетической классификации микроорганизмов. При этом сравни­вают нуклеотидные последовательности I6S рРНК, состоящей из 1 500 нуклеотидов, из которых 900 — консервативны. На основе множества сравнений с помошью компьютера было построено филогенетическое древо (рис. I). Анализ I6S рРНК позво­ляет определить место микроорганизма на филогенетическом дре­ве, а нахождение видового названия ведется традиционными мик­робиологическими методами. При этом 90% совпадений указыва­ет на принадлежность к определенному роду, 97 % — к определен­ному виду.

В настоящее время разрабатывается классификация всех живых существ, в которой выделены три домена (надцарства): Bacteria, Archaea и Eukarya на основании анализа нуклеотидной последова­тельности 16S рРНК.

ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ СИСТЕМАТИКИ: морфологические, культуральные, физиологические и биохимические.

Морфологические признаки – форма тела, размеры клеток и их взаимное расположение, тип жгутикования, наличие капсулы, подвижность, окраска по методу Грамма, способность образовывать споры, способность к образованию покоящихся клеток.

Культуральные признаки – проявляются при выращивании бактерий в различных условиях: особенности роста бактерий на плотной питательной среде (размер, окраска, форма колоний) и в жидких питательных средах (образование осадка, пленки, помутнения и т.д.).

Физиологические признаки – типы питания, отношение к температуре, способы получения энергии, потребность в факторах роста, характер вторичных метаболитов, отношение к кислороду, к условиям рН среды и др.

Биохимические признаки – выражаются в наличии тех или иных ферментов, образовании определенных продуктов метаболизма (кислоты, спирты, газы), типе запасных веществ, химическом составе клеток.

СЕРОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ СИСТЕМАТИКИ – основаны на специфических реакциях антигенов (компонентов клеточных стенок, жгутиков, капсул, ДНК и токсинов) идентифицируемых микроорганизмов с антителами, содержащимися в сыворотках. Между антигенами и соответствующими антителами происходит связывание, что положено в основу методов серологической диагностики. Серологические методы являются важным инструментом в диагностике и лечении инфекционных заболеваний человека и животных поскольку с их помощью можно не только идентифицировать возбудителя заболевания, но и обнаружить в крови больных и переболевших специфические антитела к соответствующим возбудителям.

Наиболее полно задача быстрой идентификации прокариотных организмов решается с помощью Определителя бактерий Берги, выпускаемого периодически Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание вышло в 1923 г., а последнее девятое – вышло в 4-х томах в 1984-1989 гг.

В девятом издании Определителя бактерий Берги все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae, разделены на 33 группы. Основ­аная идея классификации «по Берги» — легкость идентифика­ции бактерий по совокупности фенотипических, генотипических признаков. Ценность определителя в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и самое современное пособие для идентификации бактерий.

В этом издании бактерии на основании строения пограничного слоя клетки разделены на четыре основных категории (отдела):

1) Gracilicutes (от лат. gracilis – тонкий, cutes – кожа) – грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки;

2) Firmicutes – (от лат. firmus – прочный) – грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки;

3) Tenericutes (от лат. tener – мягкий, нежный) – эубактерии, лишенные клеточных стенок;

4) Mendosicutes (от лат. mendosus – ошибочный) – архебактерии, клеточные стенки которых отличаются от аналогичных структур прокариот).