кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) дает возможность проводить сопоставительный анализ последовательностей в различных молекулах ДНК и РНК. Поскольку секвенирование всего генома бактерий в настоящее время – трудоемкая и дорогостоящая процедура, то чаще всего анализируются нуклеотидные последовательности рибосомных РНК – 16S-рРНК. Эта РНК универсально распространена, функционально постоянна и, кроме того, достаточно консервативна, чтобы установить глубокие эволюционные связи. Чем больше различий в последовательности нуклеотидов 16S-рРНК у двух бактерий, тем раньше началось расхождение между ними и, следовательно, тем дальше отстоят они друг от друга в филогенетических отношениях. Фенотипические критерии систематики В классификации бактерий используют набор фенотипических признаков: морфологических, культуральных, физиологических и биохимических. Описание морфологических признаковвключает определение формы, размеров клеток и их взаимного расположения, типа жгутикования, наличия капсулы, способности образовывать споры, особенностей внутреннего строения. К категории морфологических признаков относится и окраска по методу Грама, связанная со строением клеточной стенки. Однако только морфологических признаков для идентификации бактерий недостаточно. Если, например, выделены подвижные грамотрицательные палочки, не образующие эндоспоры и имеющие длину 6 мкм, то определить их видовую принадлежность только на основании этого невозможно, ибо указанными признаками обладают бактерии многих видов. При характеристике культуральных признаков, т. е. таких, которые проявляются при выращивании бактерий в различных условиях, отмечают 10 особенности роста бактерий на плотной питательной среде (размер, окраска, форма, характер колоний) и в жидких питательных средах (образование осадка, пленки, взвеси, хлопьев и т. д.). Однако и этих признаков недостаточно, так как у культур различных видов они могут проявляться сходным образом. К числу физиологических признаков относятся возможность использовать те или иные источники углерода и азота, потребность в факторах роста, тип энергетических процессов (аэробное и анаэробное дыхание, брожение), отношение к температуре, влажности, кислотности среды и другим факторам внешней среды. Разнообразными являются биохимические признакибактерий, которые обусловлены наличием тех или иных ферментов, образованием определенных продуктов метаболизма (кислоты, спирты, газы и др.), типом запасных веществ, химическим составом клеток и т. д. Серологические критерии систематики Серологические (от лат. serum – сыворотка) критерии систематики основаны на специфических реакциях взаимодействия антигенов (компоненты клеточных стенок, жгутиков, капсул, ДНК и токсинов) идентифицируемых микроорганизмов с антителами, содержащимися в сыворотках. Между антигенами и соответствующими им антителами происходит связывание, что положено в основу методов серологической диагностики. Такие серологические реакции, как агглютинация, преципитация, связывание комплемента, иммунофлуоресценция, иммуноферментный и радиоиммунный анализ, позволяют легко и быстро проводить предварительную идентификацию микроорганизмов. Для постановки серологических реакций необходима сыворотка, которую получают из крови лабораторного животного, иммунизированного коллекционным (известной видовой и штаммовой принадлежности) микроорганизмом. Она содержит антитела, специфичные к данному штамму. Полученную сыворотку используют в серологических реакциях для выявления родственных микроорганизмов, обладающих такими же антигенными детерминантами, как и коллекционный штамм. 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. Серологические методы, пожалуй, остаются 11 единственными методами диагностики при невозможности или трудностях выделения возбудителя, сравнительно редко дают ложноположительные или ложноотрицательные результаты. Современная классификация бактерий В современной систематике бактерий сложилась ситуация, характерная и для классификации других организмов: достигнуты успехи в создании филогенетической системы классификации, отражающей основные направления эволюционного развития и родство представителей определенных таксонов, но сохраняют свое значение искусственные фенотипические классификации, более удобные для идентификации микроорганизмов. В настоящее время отсутствует сколько-нибудь детализированная эволюционная система прокариот и, скорее всего, решение этой проблемы – дело неблизкого будущего. Особенности прокариот в области морфологической, физиолого-биохимической, генетической организации говорят о неприменимости к ним хорошо разработанных принципов, используемых при построении системы высших организмов. Не останавливаясь на исторических аспектах проблемы систематики бактерий, следует отметить, что наиболее приемлемой филогенетической системой классификации прокариот является система, основанная на сопоставлении последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Эта система положена в основу 2-го издания многотомной энциклопедии прокариот – Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (Руководство по систематике бактерий Берджи), первый том которой вышел в свет в 2001 г. В этом труде все прокариоты разделены на 26 филогенетических «ветвей» (групп) на основании строения их 16S-рРНК; 23 «ветви» представлены эубактериями, а три – архебактериями. Следует подчеркнуть, что большое количество этих филогенетических групп содержат виды прокариот, которые не выделены в виде чистых культур и поэтому еще детально не изучены. Для представителей данных видов известны в настоящее время только последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Из 23 групп эубактерий две филогенетические группы представлены грамположительными бактериями, остальные группы – грамотрицательными. Грамотрицательные бактерии состоят из крупной группы Протеобактерий (Proteobacteria) и 20 групп остальных бактерий, имеющих данный тип клеточной стенки. Краткая характеристика Протеобактерий, к которым по составу 16S-рРНК наиболее близки митохондрии и хлоропласты большинства эукариот, приведена в табл. 2. 12 Протеобактерии – очень гетерогенная в морфологическом, физиологическом и биохимическом плане группа грамотрицательных бактерий. Для представителей этой группы характерны все типы энергетического метаболизма и питания. Клетки большинства видов Протеобактерий имеют палочковидную, сферическую или вибриоидную форму, размножаются в основном бинарным делением, но для некоторых видов характерно почкование и образование плодовых тел в сложном клеточном цикле. В этой группе имеются как подвижные за счет жгутиков, так и неподвижные бактерии. По отношению к молекулярному кислороду Протеобактерии бывают облигатными аэробами, облигатными и факультативными анаэробами. Группа Протеобактерий на основании различий в 16S-рРНК разделена на пять подгрупп: альфа, бета, гамма, дельта и эпсилон. Кроме Протеобактерий, к грамотрицательным относятся следующие основные группы эубактерий: водородные термофилы, зеленые нитчатые бактерии, зеленые серные бактерии, цианобактерии, спирохеты, цитофаги, бактероиды, хламидии, планктомицеты, дейнококки, хлорофлексусы, фузобактерии, фибробактерии, термодесульфобактерии и др. Филогенетические группы грамположительных бактерий – Actinobacteria и Firmicutes. Группа Actinobacteria («актиномицетная ветвь») представлена следующими родами бактерий, имеющими в ДНК высокое содержание ГЦ- пар: Geodermatophilus, Frankia, Streptomyces, Arthrobacter, Micrococcus, Actinomyces, Bifidobacterium, Propionibacterium, Actinoplanes, Nocardia, Rhodococcus, Corynebacterium, Mycobacterium. Группа Firmicutes («клостридиальная ветвь» – главным образом грамположительные бактерии с низким содержанием ГЦ-пар в ДНК) состоит из следующих родов: Clostridium, Lactococcus, Pediococcus, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Listeria, Caryophanon, Staphylococcus, Sarcina, Sporosаrcina, Bacillus, Desulfotomaculum, Heliobacterium, Mycoplasma, Ureaplasma и др. 13 Таблица 2 Грамотрицательные бактерии филогенетической группы Proteobacteria (Протеобактерии) Основные фенотипические группы Наиболее распространенные роды Ферментирующие палочки и вибрионы Энтеробактерии, Vibrio, Photobacterium, Aeromonas, Zymomonas Палочки и кокки, обладающие аэробным дыханием Pseudomonas, Zoogloea, Azotobacter, Beijerinckia, Azomonas, Rhizobium, Bradyrhizobium, Agrobacterium, Acetobacter, Gluconobacter, Legionella, Neisseria, Acinetobacter, Rickettsia Бактерии, образующие чехлы Sphaerotilus, Leptothrix, Crenothrix Бактерии, образующие простеки Caulobacter, Hyphomicrobium Паразиты бактерий Bdellovibrio Спириллы и магнитоспириллы Spirillum, Aquaspirillum, Magnetospirillum, Campylobacter, Helicobacter Миксобактерии Polyangium, Myxococcus Бактерии, восстанавливающие Desulfovibrio, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfuromonas Нитрификаторы Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrobacter, Nitrococcus Бактерии, окисляющие серу и железо Thiobacillus, Thiomicrospira, Thermothrix, Beggiatoa, Thiothrix, Gallionella Бактерии, окисляющие водород Alcaligenes, Ancylobacter, Paracoccus, Rhizobium, Pseudomonas, Spirillum Метилотрофные бактерии Methylomonas, Methylocystis, Methylobacter, Methylococcus Фотосинтезирующие пурпурные бактерии Серные: Chromatium, Thiospirillum, Thiocapsa; несерные: Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Rhodocyclus В составе архебактерий выделяют три филогенетические группы: Crenarchaeota, Euryarchaeota и Korarchaeota. Группа Crenarchaeota состоит из экстремально термофильных бактерий, большинство представителей которых осуществляют метаболизм серы, некоторые восстанавливают ионы железа и молибдена. В группу Euryarchaeota входят облигатно анаэробные метаногенные архебактерии, а также экстремальные термофилы и галофилы. Группа Korarchaeota образована архебактериями, обитающими в горячих серных источниках. До настоящего времени ни один из представителей этой 14 группы (обладающих сходной 16S-рРНК) не выделен в виде чистой культуры, поэтому их фенотипические признаки изучены недостаточно. Заканчивая рассмотрение филогенетических ветвей прокариот, следует отметить, что предложенная филогенетическая система, основанная на исследовании нуклеотидных последовательностей только одного гена рибосомной РНК – не более чем одна из технически удобных и разработанных систем упорядочения многочисленных организмов в целях их идентификации, поэтому построить логически верную таксономию бактерий только с учетом этого признака не представляется возможным. Наиболее признанной и используемой фенотипической классификацией бактерий является классификация, представленная в девятом издании Определителя бактерий Берджи. В этом издании бактерии на основании строения пограничного слоя клетки разделены на четыре основные категории (отдела): 1) Gracilicutes (от лат. cutes – кожа, gracilis – тонкий) – 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 других прокариот. В отдел Gracilicutes входят бактерии различной морфологии с грамотрицательной клеточной стенкой. Размножение происходит в основном бинарным делением, некоторые бактерии размножаются почкованием. Эндоспор не образуют. Большинство подвижны: встречаются все типы передвижения бактерий – с помощью жгутиков, скольжением, изгибанием. Отдел включает аэробные, анаэробные и факультативные анаэробные бактерии; фототрофные и хемотрофные бактерии. Отдел подразделяют на три класса: Scotobacteria, Oxyphotobacteria, Anoxyphotobacteria. В класс Scotobacteria входят грамотрицательные бактерии, не использующие световую энергию для целей метаболизма, а получающие ее только в результате окислительно-восстановительных реакций. Название класса происходит от греч. sсotos – темнота. Это самый крупный класс бактерий. В класс Anoxyphotobacteria входят пурпурные бактерии, зеленые бактерии и гелиобактерии, осуществляющие аноксигенный фотосинтез (без выделения молекулярного кислорода). Класс Oxyphotobacteria представлен цианобактериями и прохлорофитами, осуществляющими оксигенный фотосинтез (с выделением молекулярного кислорода). Этот тип фотосинтеза аналогичен фотосинтезу, протекающему в растениях. В отдел Firmicutes включены бактерии с грамположительной клеточной стенкой. Клетки могут иметь разную форму: палочки, кокки, нитевидные, 15 ветвящиеся. Некоторые представители образуют эндоспоры. Большинство из них неподвижны; подвижные формы имеют перитрихиальное жгутикование. В состав отдела входят аэробные, анаэробные и факультативно анаэробные бактерии. Отдел состоит из двух классов: Firmibacteria, Thallobacteria. Класс Firmibacteria включает большое количество «неветвящихся» грамположительных бактерий. Класс Thallobacteria включает бактерии, клетки которых способны «ветвиться». Отдел Tenericutes представлен бактериями, не имеющими клеточной стенки. В связи с отсутствием клеточной стенки форма клеток непостоянна: в чистой культуре одного вида одновременно присутствуют кокковидные, палочковидные, нитевидные, грушевидные, дисковидные и другие клетки. Размножение бактерий, входящих в этот отдел, происходит бинарным делением, почкованием. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитными, паразитами или патогенами. Отдел состоит из одного класса Mollicutes (микоплазмы). Отдел Mendosicutes образован бактериями с ригидной клеточной стенкой, но не содержащей пептидогликана муреина. Большинство представителей – строгие анаэробы, многие из которых имеют жгутики. Виды характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить в экстремальных условиях. Отдел состоит из одного класса – Archaebacteria. В составе четырех отделов (основных категорий) выделено 35 групп (или секций) бактерий, которые в большей или меньшей степени будут охарактеризованы в последующих главах. К отделу Gracilicutes принадлежат следующие группы. Группа 1. Спирохеты. Группа 2. Аэробные (или микроаэрофильные), подвижные, спиралевидные (или вибриоидные) грамотрицательные бактерии. Группа 3. Неподвижные или редко подвижные грамотрицательные изогнутые бактерии. Группа 4. Грамотрицательные аэробные (или микроаэрофильные) палочки и кокки. Группа 5. Факультативно аэробные грамотрицательные палочки. Группа 6. Грамотрицательные анаэробные прямые, изогнутые или спиралевидные палочки. Группа 7. Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстановление серы или сульфата. Группа 8. Анаэробные грамотрицательные кокки. Группа 9. Риккетсии и хламидии. Группа 10. Аноксигенные фототрофные бактерии. 16 Группа 11. Оксигенные фототрофные бактерии. Группа 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие организмы. Группа 13. Почкующиеся и (или) образующие выросты бактерии. Группа 14. Бактерии, имеющие чехлы. Группа 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, не образующие плодовых тел. Группа 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела. В отдел Firmicutes входят: Группа 17. Грамположительные кокки. Группа 18. Грамположительные палочки и кокки, образующие эндо-споры. Группа 19. Грамположительные палочки правильной формы, не образующие спор. Группа 20. Грамположительные палочки неправильной формы, не образующие спор. Группа 21. Микобактерии. Группы 22–29. Актиномицеты. К отделу Tenericutes принадлежит: Группа 30. Микоплазмы. Отдел Mendosicutes включает: Группа 31. Метаногены. Группа 32. Сульфатредуцирующие архебактерии. Группа 33. Экстремально галофильные архебактерии (галобактерии). Группа 34. Архебактерии, лишенные клеточной стенки. Группа 35. Экстремально термофильные и гипертермофильные архебактерии, метаболизирующие серу. В заключение следует подчеркнуть, что большинство микроорганизмов, существующих в природных сообществах, еще должно быть выделено в чистые культуры. Считается, что в настоящее время культивировать можно только 0,1 % всего микробного разнообразия, а остальных представителей бактерий вырастить и идентифицировать не удается, хотя уже в чистую культуру выделены и описаны около 5 тыс. видов прокариот. |