Принципи класифікації бактерій

Перша спроба наукової класифікації мікроорганізмів належить дат­ському зоологу Отто Мюллеру, який у своїй книзі “Animalcula infusoria fluvi­atillia et terestria” (1786) наводить усі головні форми мікроорганізмів. У зап­ропонованій ним класифікації всі відомі на той час види він розділив на два роди – Monas і Vibrio.

Х. Еренберг (1795-1876) у книзі “Інфузорії як досконалі організми” (1838) розділив клас інфузорії на 22 родини, три з яких об’єднували бактерії. В нього зустрічаємо назви Spirillum, Spirochaetа і Bacterium, які вживаються і в сучасній систематиці. Він уперше використав для назв видів принцип бі­нарної номенклатури. З відомих у наш час видів знаходимо в Еренберга опис сінної палички (Bacillus subtilis), Spirillum volutans. Він же вперше описав “чудову паличку” (Bacterium prodigiosum, сучасна назва – Serratia marces­cens), яка викликала жах своєю появою у вигляді кривавих плям на крохма­листих продуктах (“кривавий хліб”).

Перші класифікаційні схеми бактерій будувалися за принципом ката­логізації, коли об’єднання мікроорганізмів у таксони здійснювалось на під­ставі морфологічних ознак. Але з часом стало зрозуміло, що вивчення лише морфологічних характеристик недостатньо для задовільного розподілу бакте­рій по таксономічних групах. Необхідність використання для класифікації бактерій поряд з морфологічними фізіолого-біохімічних ознак була обґрунто­вана С. М. Виноградським і М. Бейєринком.

Вивчення морфолого-культуральних властивостей досліджуваного мікроорганізму – це перший крок у спробі його класифікації. При цьому звертається увага на форму та розміри клітини, морфологію колоній (рис. 8), характер росту на рідких поживних середовищах.

В останні роки в класифікації прокаріот намітилось два основних нап­рямки. В основу першого покладена ідея створення філогенетичної системи бактерій, тобто побудови єдиної системи, яка б об’єктивно відбивала родинні зв'язки між різними групами прокаріот з урахуванням їхнього історичного розвитку. Другий напрямок передбачає практичні цілі – щоб класифікація прокаріот служила їх швидкій ідентифікації, тобто встановлення належності організму до певного таксону. Другий напрямок чітко простежується у Виз­начниках бактерій Бергі.

Для розробки філогенетичної системи прокаріот, подібної до такої в рослин і тварин (традиційне еволюційне дерево), спочатку була спроба ви­користати дані про фенотипові ознаки. Всі ознаки, які використовувались, уявно розподілялись за ступенем їхнього значення. В подальшому, виходячи з важливості ознак об'єкти розподіляли на таксономічні групи. Отже, неваж­ко помітити, що структура ієрархічної системи визначається порядком, за яким розміщують ознаки, а сам порядок вибирається довільно (суб'єктивно).

Усе це спонукало систематиків шукати інші підходи для встановлення ступеня спорідненості бактерій. З метою виключення елементів суб'єктивізму було запропоновано нумеричну таксономію, основні принципи якої були роз­роблені французьким ботаніком М. Адансоном (1727-1806) ще в 1757. В основу нумеричної таксономії покладені принципи, згідно з якими будь-яка ознака при оцінці особини має однакове значення (рівноцінність ознак); при описі досліджуваної культури необхідно використовувати як найбільше ознак; ступінь подібності є функцією кількості загальних ознак; оцінка й кла­сифікація особин базується на кореляції ознак.

Класифікація бактерій, побудована за принципами М. Адансона, до­сить трудомістка процедура, а тому свій розвиток і практичне використання вона набула з появою ЕОМ. Переваги її полягають у формальній можливості дещо позбутися елементів суб'єктивності, так як всі ознаки визнаються рів­ноцінними. Слабкою стороною цього підходу є неповна інформативність – для оцінки подібності бактерій використовується біля 100 ознак, що складає приблизно 10% від тієї кількості, яка визначає бактеріальний фенотип.

Розвиток біохімії, молекулярної біології дав змогу розробити інші під­ходи для встановлення ступеня спорідненості бактерій. Один з них базується на порівняльному вивченні і зіставленні первинної структури макромолекул, які беруть участь у здійсненні найважливіших функцій клітини. До таких макромолекул належать ДНК, РНК, ферментні білки. Відомо, що генетична інформація „записана” в молекулі ДНК у вигляді різних поєднань трьох із чотирьох азотистих основ. За законами генетичного кодування різна інфор­мація не може бути записана однаково, тому організми з неоднаковим нук­леотидним складом ДНК будуть різними. Якщо нуклеотидний склад двох організмів, які порівнюються, однаковий, то можлива як подібність, так і від­мінність цих організмів, тому що генетичне кодування базується не лише на визначеному вмісті основ в одиниці кодування (триплеті), а й на їхньому взаємному розташуванні.

З таксономічною метою порівнюють молярний вміст суми гуаніну і цитозину (G+C) у відсотках від від загальної кількості основ ДНК різних об’єктів. Доказано, що вміст GC як у рослин, так і у тварин варіює у вузьких межах – 35-40 мол%., в той час як у бактерій – від 25 до 75%. Унікальним виявилося те, що середній вміст GC-основ у штамів одного виду дуже близький або майже ідентичний. Така закономірність доведена для багатьох груп бактерій, у тому числі і для представників роду Pseudomonas (табл. 2). В межах роду діапазон таких коливань теж досить обмежений і не перевищує 10-15%. Така закономірність дозволяє використовувати значення вмісту GC-основ для упорядкування класифікації деяких таксономічних груп бактерій.

Проте не завжди подібний вміст G+C свідчить про спорідненість орга­нізмів. Наприклад, Pseudomonas aeruginosa і Mycobacterium phlei містять 60% GC. Тому для більш точного визначення подібності (спорідненості) орга­нізмів використовують інші методи. Більші надії в систематиці прокаріот покладають на метод гібридизації ДНК, який дозволяє кількісно оцінити сту­пінь гомологічності ДНК організмів, які порівнюються. Метод базується на здатності денатурованої (одноланцюгової) ДНК за певних умов денатурував­тися, тобто з’єднуватися з комплементарною ниткою і утворюювати дволан­цюгову молекулу. Кількість дволанцюгової ДНК, що утворилася внаслідок взаємодії одноланцюгових ДНК, виділених з різних організмів, є показником їхньої подібності.

Таблиця 2

Вміст G+C у різних штамів деяких видів

Роду Pseudomonas

Геносистематика використовує й інші методи та підходи до вивчення як прокаріотичних, так і еукаріотичних організмів: наприклад, визначення величини геному на основі даних про кінетику реасоціації фрагментів ДНК; метод термічного фракціонування за нуклеотидним складом; визначення нук­леотидних послідовностей 16S РНК як філогенетичних маркерів.

Порівняльний аналіз нуклеотидних послідовностей в РНК малої субо­диниці рибосоми дозволив виділити три групи організмів (табл. 3). Усі еука­ріотичні організми утворюють одну групу (Eucaryotae), яка об’єднує росли­ни, тварини, дріжджі, водорості та ін. До другої групи, яка отримала назву еубактерії (Eubacteria), належить абсолютна більшість прокаріот. Третю гру­пу склали маловивчені прокаріоти, які мешкають в екстремальних умовах. Організми цієї групи були названі архебактеріями – Archaebacteria (Woos, 1977).

Значення даних про будову нуклеїнових кислот для систематики про­каріот велике. Проте, як показує досвід, використання ступеня подібності бактеріальних геномів з метою встановлення філогенетичних зв’язків між групами бактерій може бути лише одним із тестів, поряд із сукупністю мор­фологічних, цитологічних, фізіолого-біохімічних та імунологічних ознак. Всі ці методи доповнюють один одного і сумісно використовуються в класи­фікації бактерій.

Мікробіологія поки що не володіє достатньою інформацією про ево­люційні шляхи та філогенію мікроорганізмів, що дозволило б побудувати природну систематику бактерій, подібну до тієї, яка створена для вищих тва­рин і рослин. Сучасні системи класифікації бактерій є за своєю сутністю штучними. Вони відіграють роль діагностичних ключів, або визначників, які використовуються, головним чином, для ідентифікації досліджуваного об'єк­та.

Таблиця 3