СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ Основные термины o o Систематика

СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

Основные термины o o Систематика (таксономия) – наука о многообразии и взаимосвязях организмов. Задачами систематики являются классификация, номенклатура и идентификация организмов. Классификация – распределение множества организмов по группам (таксонам). Таксон – группа организмов объединенная по определенным однородным свойствам в рамках той или иной таксономической категории.

Основные термины o o o Номенклатура – присвоение названий отдельным группам и видам микроорганизмов. В систематике бактерий принята бинарная номенклатура, согласно которой бактериям присваивается название, состоящее из двух слов: первое определяет их принадлежность к конкретному роду, второе – к виду. Например, Clostridium botulinum и Clostridium tetani – два различных вида бактерий, относящихся к одному роду. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий

Основные термины o o Основной таксономической категорией является вид. Вид микроорганизмов – это совокупность особей, объединенных по сходству морфологических свойств, но отличающихся от других представителей рода. Виды объединяются в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки, далее следуют классы, отделы, царства. В микробиологии существуют также более мелкие таксономические единицы, чем вид: подвид (subspeciens), разновидность. Подвиды могут различаться по физиологическим (biovar), морфологическим (morphovar) или по антигенным (serovar) свойствам.

Основные термины o o Чистая культура – совокупность однородных организмов, выделенных на питательной среде, характеризующихся сходными морфологическими, тинкториальными, культуральными, биохимическими и антигенными свойствами. Kлон – чистая культура, полученная из одной клетки, и штамм – культуры бактерий одного вида, выделенные из различных источников либо из одного источника в разное время или полученные в ходе генетических манипуляций.

Проблемы систематики микроорганизмов o o o Э. Геккель первым поместил все одноклеточные (микроскопические) организмы в новое царство Prostista отдельно от растений (Plantae) и животных (Animalia). Появление электронного микроскопа выявило две группы фундаментально отличающихся клеток: прокариоты и эукариоты. В 1967 г. было выделено отдельное царство грибы (Fungi).

Проблемы систематики микроорганизмов o o o В ХХ в. проблемы в систематике микроорганизмов, а бактерий в особенности, стали возрастать с увеличивавшимся объемом знаний об этих организмах. В 1980 -х гг. был проведен филогенетический анализ всех форм клеточной жизни, основанный на сравнительном секвенировании РНК малой субъединицы рибосомы. Было доказано, что существуют две самостоятельные группы прокариот. В результате были определены три клеточные формы жизни: эукариоты, прокариоты и археи.

Системы классификации o В настоящее время в микробиологии приняты два различных подхода к систематике, обусловливающих существование двух систем классификации: филогенетической (естественной) и фенотипической (искусственной).

Системы классификации o В основу филогенетической классификации положена идея создания системы прокариот, объективно отражающей родственные отношения между разными группами бактерий и историю их эволюционного развития.

Системы классификации o Фенотипическая классификация преследует, в первую очередь, практические цели, заключающиеся в том, чтобы быстрее установить принадлежность микроорганизма к определенному таксону.

Идентификация прокариотов o o Сегодня задача быстрой идентификации прокариотов решается с помощью издания «Определитель бактерий» Берджи (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology), периодически издаваемом Обществом американских бактериологов с привлечением к его написанию крупных специалистов из других стран, изучающих те или иные группы бактерий. Первое издание Определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. Берджи; девятое издание в русском переводе вышло в 1997 г

Фенотипическая классификация o o o В девятом издании «Определителя бактерий» Берги все обнаруженные микроорганизмы, отнесенные в царство Procaryotae, разделил на 33 группы. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, относятся к категории легко отделяемых и вынесены в название групп, например: грамотрицательные кокки (группа 8), грамположительные палочки, образующие эндоспоры (группа 13). Основная идея классификации по Берги – легкость идентификации бактерий.

Совокупность признаков для идентификации бактерий o o 1) Морфологические признаки – определение формы, размеров клеток и их взаимного расположения. 2) Тинкториальные признаки – способность окрашиваться различными красителями. Важным признаком является отношение к окраске по Граму. По этому признаку все бактрии делятся на грамм-положительные и грамм-отрицательные. Морфологические признаки и отношение к окраске по Граму определяют принадлежность к крупным таксонам – роду, семейству.

Совокупность признаков для идентификации бактерий o 3) Культуральные свойства – 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. ).

Совокупность признаков для идентификации бактерий o o o 4) Подвижность бактерий. Различают подвижные (ползающие или скользящие, плавающие) и неподвижные бактерии. 5) Спорообразование – форма и характер расположения спор в клетке. 6) Физиологические свойства – способы использования источников 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.

Совокупность признаков для идентификации бактерий o o 7) Биохимические свойства – способность ферментировать различные углеводы, протеолитическая активность, образование индола, сероводорода, наличие уреазы и других ферментов. 8) Чувствительность к специфическим бактериофагам. 9) Антигенные свойства зависят от химического состава клеточной стенки и жгутиков. 10) Химический состав клеточных стенок – содержание основных сахаров и аминокислот, их состав.

Совокупность признаков для идентификации бактерий o o o 11) Липидный и жирокислотный состав проводят с помощью газовой хроматографии. 12) Белковые спектры определяют фракционированием двумерным электрофорезом в полиакриаамидном геле. 13) Нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в ДНК, наличие минорных оснований в ДНК, нуклеотидный состав рибосомальной РНК.

Фенотипическая классификация o o o Классификация Берги является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами. В этом же руководстве предложена схема деления царства Procaryotae на высшие таксоны (отделы, классы). В основу деления на отделы положено строение клеточной стенки.

Отдел 1 Gracilicutes o o o К отделу Gracilicutes (от лат. cutes – кожа, gracilis – тонкий) относятся 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

Отдел 2 Firmicutes o o К отделу Firmicutes (от лат. firmus – прочный) относятся бактерии с грамположительной клеточной стенкой. Клетки могут иметь разную форму: палочки, кокки, нитевидные, 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 3 Tenericutes o o К отделу Tenericutes (от лат. tener – мягкий, нежный) относятся бактерии, 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. Могутбыть сапрофитными, паразитами или патогенами. Отдел состоит из одного класса Mollicutes (микоплазмы).

Отдел 4 Mendosicutes o o o К отделу Mendosicutes (от лат. mendosus – ошибочный) относятся бактерии 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.

Филогенетическая классификация o o Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. Наиболее объективными и дающими представление о филогенетических связях между микроорганизмами являются генетические (молекулярно-биологические) критерии. К ним относятся определение относительного содержания ГЦ-пар в ДНК, гибридизация нуклеиновых кислот, определение нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК или РНК, применение генетических зондов (ДНК-зондов), рестрикционный анализ ДНК, методы генетического анализа (изучение переноса генов, генетических скрещиваний, картирование хромосом бактерий и др. ). первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества ДНК у разных объектов.

Критерии филогенетической классификации o o o Молярное содержание ГЦ-оснований у широкого круга прокариот колеблется в широких пределах: от 25 до 80 мол. %. В то же время, например у разных видов бактерий рода Pseudomonas, содержание ГЦ-пар в ДНК имеет близкие величины – от 61, 8 до 69, 5 мол. % от общего количества оснований. Следовательно, каждый вид бактерий имеет ДНК с характерным средним содержанием ГЦпар, и эту величину можно рассматривать как один из важных признаков вида.

Критерии филогенетической классификации o o o Более тонким методом оценки генетического сходства организмов сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК из разных источников методом ДНК-гибридизации. В настоящее время анализируются нуклеотидные последовательности рибосомных РНК – 16 S-р. РНК. Эта РНК универсально распространена, функционально постоянна и консервативна, чтобы установить глубокие эволюционные связи. Чем больше различий в последовательности нуклеотидов 16 S-р. РНК у двух бактерий, тем раньше началось расхождение между ними и, следовательно, тем дальше отстоят они друг от друга в филогенетических отношениях.

Критерии филогенетической классификации o o o Карл Вёз предложил взять за основу прокариотную 16 S рибосомальную РНК. Эта молекула входит в состав рибосом, которые отвечают за синтез белка. Аппарат синтеза белка незначительно меняется во времени. Поэтому в молекулах р. РНК разных организмов большинство нуклеотидов неизменно, а изменяющаяся в процессе эволюции часть уникальна для конкретного организма. 16 S р. РНК состоит из 1500 нуклеотидов, из которых 900 – консервативны, т. е. она может считаться своеобразным биологическим генетическим «хронометром» .

Критерии филогенетической классификации o o o Сравнивая нуклеотидные последовательности этой молекулы у разных организмов, можно получить группы сходства биологических объектов, отражающие их родственные связи и эволюционное развитие. На основе множества сравнений было построено филогенетическое древо, где все представители живого мира разделены на три больших домена (империи, надцарства): Bacteria, Archaea и Eukarya. Домены Bacteria и Archaea содержат только прокариотические организмы, а домен Eukarya объединяет всех эукариот - как одноклеточных, так и многоклеточных, включая человека. Одновременно было доказано, что митохондрии и хлоропласты имеют прокариотное симбиотическое происхождение.

Критерии филогенетической классификации o o В настоящее время для идентификации конкретного микроорганизма сначала выделяют его чистую культуру и проводят анализ нуклеотидной последовательности 16 S р. РНК. Он позволяет определить место микроорганизма на филогенетическом древе. При этом 90% совпадений говорит о принадлежности к определенному роду, 97% - к определенному виду. Для уточнения таксономической принадлежности проводят ДНКДНК-гибридизацию, которая дает >30% совпадения в пределах рода и >70% - в пределах вида.

Типы клеточной организации o o На основании полученных данных выявлены не две группы организмов, различающихся прокариотными и эукариотными типами клеточной организации, а три: 1) Одну образую все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т. п. В царстве Эукариоты есть три группы, содержащие микроскопические объекты. Это водоросли, простейшие и грибы. 2) Ко второй группе, получившей название Бактрии, относится подавляющее большинство прокариот. 3) В третью группу вошли малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бактерии, экстремальные галлофилы и термоацидофилы. Эта группа получила название архебактерий.

Общая характеристика архей o o o Археи отличаются от бактерий и эукарий рядом существенных признаков. В обычных липидах глицерол связан сложноэфирной связью с жирными кислотами, а у архей – простой эфирной связью с изопреноидным С 20 -спиртом – фитанолом. Цепи фитанола могут содержать пятичленные кольца. Липиды архей способны образовывать тетрамеры (С 40), поэтому сложенная из тетрамеров мембрана более жесткая, чем традиционный бислой, из-за отсутствия внутреннего пространства. Археи могут иметь как обычные бислойные, так и ригидные монослойные мембраны.

Общая характеристика архей o o Чем экстремальнее условия их обитания, тем больше монослойных областей содержится в их ЦПМ. У архей не найдены типичные для бактерий пептидогликановые (муреиновые) клеточные стенки. В состав клеточных стенок архей может входить другой гетерополисахарид – псевдомуреин, в котором отсутствует N-ацетилмурамовая кислота. Некоторые археи могут иметь поверх ЦПМ белковый Sслой в качестве клеточной стенки. Еще один вариант организации архей – это полное отсутствие клеточной стенки, когда мембрана почти целиком представлена ригидным монослоем из тетрамеров, усиленным большим количеством пятичленных колец, например, как у Thermoplasma.

Общая характеристика архей o o Среди архей выделяют: 1. метаногены (Euryarchaeota)– строгие анаэробы, обитающие в донных осадках пресноводных зон, богатых органикой, или в рубце жвачных. Они восстанавливают СО 2 до метана, водород потребляют из атмосферы. 2. экстремальные галофилы (галоархеи), растущие при высоких концентрациях соли (от 12 -15 до 32% растворе Na. Cl), способные осуществлять особый тип фотосинтеза с помощью бактериородопсина, который на свету работает как протонная помпа. 3. термоацидофилы обитают в горячих кислых источниках. Сюда же относятся облигатно анаэробные термококки развиваются при высоких температурах (от +75 до 90 С).

o o Традиционная общая схема клеточной эволюции основывается на следующих предположениях: из популяции первичных клеток в результате целого ряда событий, приведших к повышению уровня клеточной организации, под давлением естественного отбора возникла популяция предковых клеток, их которых в конечном итоге произошли разные группы прокариот. Маловероятно, что предковые клетки были все на «одно лицо» . Единственная их общая черта – прокариотная организация. Эукариотная клетка возникла в результате эндосимбиоза, в котором ядерно-цитоплазматическим компонентом, т. е. клеткой-хозяином, были существенно различающиеся между собой прокариотные клетки. Следствием такого взгляда на общий ход эволюции явилось признание двух основных подцарств живых организмов прокариотов и эукариотов.