ОСНОВЫ СИСТЕМАТИКИ МИКРООРГАНИЗМОВ Бактерии и Археи составляют

ОСНОВЫ СИСТЕМАТИКИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Бактерии и Археи составляют по имеющимся данным всего 0, 2% всех известных видов живых организмов Прокариоты возникли более 3, 5 млрд. лет назад и заселяют все природные местообитания Насекомых сейчас насчитывается более миллиона видов и появились они только в кембрийский период, т. е. менее 600 млн. лет назад

• Определение вида в бактериологии не сравнимо с тем, которое используется в классификации высших эукариот. Биологическая концепция вида, как таковая, не может быть применена к прокариотам, поскольку у них отсутствует гаметы и мейоз, и, с другой стороны, обмен генетическим материалом происходит часто даже между отдаленно родственными видами. • Большинство наблюдаемых в природе прокариот не удается культивировать, из-за чего невозможна их идентификация. Доля видов прокариот, существующих в природе, но не выделенных в виде культур оценивается как 95 -99% всех микроорганизмов

Современная таксономия включает три аспекта: 1) описание (получение данных о свойствах организмов), 2) классификация (теория и процесс классификации организмов), 3) номенклатура (присвоение названий и соответствующего таксономического ранга классифицируемым организмам. Достоверность описания организма зависит от использованных для его изучения методов.

Таксономия Разносторонняя характеристика Идентификация Определение признаков с помощью набора тестов, предварительно выбранных в соответствии с изучаемой проблемой Применение теории и метода классификации Формирование таксономических групп (таксонов) Присвоение таксонам названий (номенклатура) Известные виды Сравнение с известными видами Новый вид Отнесение к известному виду (идентификация) Таксономический анализ

«Международный кодекс ботанической номенклатуры» «Международный кодекс номенклатуры бактерий» (ICNB) «Одобренные списки названий бактерий»

Таксономические категории классификации микроорганизмов • Вид — группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующихся определенными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленных отбором от других видов и приспособленных к определенной среде обитания. • Штамм - бактериальные культуры одного вида, выделенные, например, из разных мест обитания. Различия между штаммами не выходят за пределы вида. • Клон — еще более узкое понятие, это культура, выделенная из одной клетки

Таксономические категории классификации микроорганизмов • Биовары – подвиды (штаммы) одного вида, различающиеся по физиологическим свойствам • Мофовары – подвиды (штаммы) одного вида, различающиеся морфологически • Серовары – подвиды (штаммы) одного вида, различающиеся по антигенным свойствам.

2 типа систематики биологических объектов • Филогенетическая, или естественная, в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами. • Практическая (фенотипическая), или искусственная, цель которой — выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам

Критерии систематики: Свойства и признаки, характерные для всех бактерий данной группы и нехарактериные для представителей других групп. • Генетические • Фенотипические • Серологические

Генетические критерии • Относительное содержание ГЦ-пар в ДНК • Метод молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот • Рестрикционное картирование • Применение ДНК-зондов • Анализ секвенированных последовательностей

Метод молекулярной гибридизации

Рестрикционное картирование

ДНК-зонды

Фенотипические критерии • • Морфологические признаки Культуральные признаки Физиологические признаки Биохимические признаки

Серологические признаки Основаны на специфичных реакциях взаимодействия антигенов микроорганизмов с антителами. • Реакция агглютинации • Реакция преципитации • Связывание комплемента • Иммунофлуоресценция • Иммуноферментный анализ • Радиоиммунный анализ

Реакция агглютинации (от лат. agglutinatio - склеивание) - склеивание корпускул (бактерий, эритроцитов и др. ) антителами в присутствии электролитов

Реакция преципитации - (от лат praecipilo осаждать) - это формирование и осаждение комплекса растворимого молекулярного антигена с антителами в виде помутнения, называемого преципитатом. Он образуется при смешивании антигенов и антител в эквивалентных количествах, избыток одного из них снижает уровень образования иммунного комплекса.

Иммуноферментный анализ

• Конечная цель систематики микроорганизмов состоит в том, чтобы связать их таксономию с эволюцией и таким образом достичь уровня классификации высших животных и растений. • Эволюцию и родство таксонов бактерий пытаются проследить с помощью филогенетических рядов, построенных на основе изменений консервативных молекул, таких как рибосомальные РНК, базируясь на гомологии их участков

• Филогенетические исследования позволили однозначно установить, что все известные прокариоты эволюционировали от одного общего предка – «прогенота» • Прогенот дал начало двум эволюционным линиям прокариот – археям и бактериям. • Все современные организмы эволюционировали в пределах трех основных линий – Archaea (археи), Bacteria (бактерии) и Eukarya (эукариоты). • Эукариоты произошли от общего прокариотического предка, который, как утверждают, был более родственен археям, чем бактериям. • Гены эукариот происходят как от Archaea, так и от Bacteria, Представители домена Bacteria явились предками хлоропластов и митохондрий.

Современная филогенетическая классификация прокариот • Представлена в «Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology» • Основана на сопоставлении последовательности нуклеотидов в 16 S РНК • Прокариоты разделены на 26 основных филогенетических ветвей. 23 ветви – эубактерии, 3 – архебактерии • Из 23 ветвей эубактерий, 2 – грамположительные бактерии, 21 – грамотрицательные • Г- бактерии делятся на очень крупную группу протеобактерий и 20 мелких групп • Протеобактерии разделены на 5 подгрупп: α-, β-, γ-, δ -, ε-протеобактерии

Филогенетические группы Г+ бактерий: • Actinobacteria: (Geodermatophilus, Frankia, Streptomyces, Arthrobacter, Micrococcus, Actinomyces, Bifidobacterium, Propionibacterium, Actinoplanes, Nocardia, Rhodococcus, Corynebacterium, Mycobacterium ) • Firmicutes: (Clostridium, Lactococcus, Pediococcus, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Listeria, Caryophanon, Staphylococcus, Sarcina, Sporosrcina, Bacillus, Desulfotomaculum, Heliobacterium, Mycoplasma, Ureaplasma )

Филогенетические группы архей • Crenarchaeota • Euryarchaeota • Korarchaeota

Современная фенотипическая классификация выделяет 4 высших таксона у прокариот • Отдел I. Gracilicutes Включает организмы с разной морфологией, имеющие грамотрицательную клеточную стенку. Размножение в основном бинарным делением, в некоторых группах – почкованием, в одной – множественным делением. Спор не образуют. Многие подвижны: с помощью жгутиков или скольжения. Аэробные, аназробные или факультативно аназробные формы. Отдел подразделяется на 3 класса, объединяющие нефотосинтезирующие (Scotobacteria) и фотосинтезирующие (Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria) организмы.

• Отдел II. Firmicutes Входят организмы с грамположительной клеточной стенкой. Размножаются в основном бинарным делением. Некоторые образуют зндоспоры. У других споры на гифах или в спорангиях. Перемещаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны. В состав отдела входят азробные, анаэробные, факультативно анаэробные формы. В зависимости от морфологии предложено деление на 2 класса: Firmibacteria (кокки, палочки, неветвящиеся нити) и Thallobacteria (ветвящиеся формы).

• Отдел III. Tenericutes Относятся прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка и не синтезируются предшественники пептидогликана. Клетки окружены ЦПМ, чрезвычайно плеоморфны. Размножение бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитами, паразитами или патогенами. Представлены одним классом Mollicutes.

• Отдел IV. Mendosicutes Объединены прокариоты, по имеющимся данным, претендующие на более раннее происхождение, чем формы, включенные в I и II отделы. Клетки разной формы: кокки, палочки, нити. Многие плеоморфны. Большинство имеют клеточную стенку, но она не содержит типичного пептидогликана. Клеточная стенка может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов. Окрашивание по Граму отрицательное или положительное. Большинство – строгие аназробы. Многие имеют жгутики. Характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить в экстремальных условиях. Объединены в класс Archaeobacteria.

Тонкие спиралевидные Группа 1. Спирохеты одноклеточные формы, обладающие своеобразной морфологией и способом движения. Длина клеток колеблется от 5 до 250 мкм. Склонны к образованию аномальных форм (гранул, цист). Размножаются поперечным делением. Клетки состоят из протоплазменного цилиндра, аксиальной нити и наружной оболочки. Оболочка тонкая и эластичная, что и обеспечивает спирохетам своеобразный способ передвижения. Грамотрицательны.

Группа 2. Аэробные, подвижные спиралевидные или изогнутые грамотрицательные бактерии Прокариоты, входящие в эту группу, имеют жесткую клеточную стенку, так что клетка свою форму не меняет. Движение осуществляется с помощью одного или множества полярно расположенных жгутиков. Хемоорганогетеротрофы, существенно различающиеся потребностями в питательных веществах. Некоторые виды могут расти на простой синтетической среде, для роста других необходимы сложные среды.

Группа 3. Неподвижные грамотрицательные изогнутые бактерии Включает семейство Spiromonaceae, объединяющее облигатно аэробные формы с характерной клеточной морфологией: от прямых палочек до колец, не полностью или полностью закрученных; при этом в культуре одновременно могут присутствовать клетки разной формы.

Группа 4. Грамотрицательные аэробные палочки и кокки К семейству Pseudomonadaceae относятся одиночные прямые или слегка изогнутые подвижные палочки. Движение осуществляется с помощью полярно расположенных жгутиков. Типичные представители семейства объединены в род Pseudomonas. Это в основном облигатно аэробные хемоорганогетеротрофы, потребляющие широкий набор органических соединений. Некоторые представители рода могут получать энергию также за счет окисления молекулярного водорода или окиси углерода, т. е. являются факультативными хемолитотрофами.

Семейство Azotobacteraceae объединяет виды, имеющие крупные клетки, склонные к изменению морфологии в зависимости от возраста культуры и условий культивирования. Среди представителей этого семейства встречаются подвижные и неподвижные формы. Бактерии рода Azotobacter образуют цисты. Хемоорганогетеротрофы. Способны активно фиксировать молекулярный азот. Облигатные аэробы. Обитают в почве, воде и на поверхности растений. Азотобактер — первый аэробный микроорганизм, для которого была показана способность фиксировать молекулярный азот.

Группа 5. Факультативно анаэробные грамотрицательные палочки Хемоорганогетеротрофы. Отдельные представители характеризуются высокими пищевыми потребностями. Энергию получают за счет дыхания или брожения. Представители этого семейства широко распространены в природе. Среди них много патогенных и сапрофитных видов. Это обитатели почв, морских и пресных вод, разлагающихся остатков Животных и растений, постоянные обитатели кишечника человека и многих видов животных, птиц, рыб, рептилий. Наиболее изученный представитель семейства — Escherichia coli.

Группа 9. Риккетсии и хламидии Обладая способностью осуществлять определенные реакции окислительного характера (например, при добавлении необходимых кофакторов окислять глюкозу, пировиноградную и глутаминовую кислоты), хламидии не могут синтезировать высокоэнергетические соединения, и в первую очередь АТФ, поэтому они получили название "энергетических паразитов". Хламидии паразитируют в организме различных позвоночных (птиц, человека и других млекопитающих), вызывают у человека ряд заболеваний, например трахому и воспаления дыхательных органов

Группа 10. Микоплазмы Формы, у которых отсутствует клеточная стенка. Для них характерен ярко выраженный полиморфизм. В культуре одного вида можно одновременно обнаружить крупные шаровидные тела, мелкие зерна, клетки эллипсовидной, дискообразной, палочковидной и нитевидной формы. Последние могут ветвиться, образуя структуры, подобные мицелиальным. Для микоплазм описаны различные способы размножения: бинарное деление, фрагментация крупных тел и нитей, процесс, сходный с почкованием. В культурах микоплазм обнаружены формы с наименьшими из всех известных клеточных микроорганизмов размерами. Поэтому, вероятно, именно микоплазмы можно считать наиболее простыми самостоятельно воспроизводящимися системами

Группа 12. Грамположительные кокки В состав группы входят представители 15 родов, значительно различающихся филогенетически и фенотипически. Это облигатные аэробы, анаэробы или факультативные формы. Энергию получают за счет дыхания и/или брожения. Хемоорганогетеротрофы с различными потребностями в питательных веществах.

Группа 13. Грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры В составе группы представители 6 родов. Род Bacillus объединяет подвижные палочковидные клетки, размеры которых колеблются в довольно широких пределах. Жгутики расположены перитрихиально. Окрашивание по Граму различно: положительно или положительно только в молодой культуре. Облигатные или факультативные аэробы. В состав рода Clostridium входят палочки, отличающиеся от предыдущего рода формой спорообразования и облигатно анаэробным способом существования. Источник энергии в большинстве случаев — маслянокислое брожение. Большинство бактерий рода Clostridium — сапрофиты, обитатели почвы. Некоторые виды живут в кишечнике человека и животных

Группа 16. Микобактерии — грамположительные, неподвижные палочки, прямые или неправильных очертаний. В процессе развития палочковидные формы превращаются в кокковидные. Характерным морфологическим признаком микобактерий является образование ветвящихся форм. М. tuberculosis — возбудитель туберкулеза, М. leprae — возбудитель проказы

Группы. 26 — 33: актиномицеты Группа объединяет организмы с разной морфологией: от кокков и палочек до форм, образующих ветвящиеся нити или формирующих развитый мицелий. Субстратный мицелий развивается в толще агаризованной среды, над поверхностью которой разрастаются гифы воздушного мицелия. Актиномицеты характеризуются разными способами размножения. Большинство размножаются с помощью спор, образующихся в специальных органах спороношения — спорангиях. Последние различаются строением (длинные или короткие, прямые или спиралевидные с разным числом завитков) и расположением (последовательное, супротивное, мутовчатое и др. ).