Систематика микроорганизмов

Таксономия – наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны - семейство, порядок, класс, царство.

Официально принятой классификации бактерий нет.

В классификации бактерий существуют два направления. Первое (искусственная классификация) – каталогизация форм – производится на основе какого-либо одного или нескольких признаков, часто случайных, не связанных между собой. Второе (естественная) – это построение системы на основе филогенетических данных, полученных путем комплексного, всестороннего изучения организмов.

По мере изучения биологии бактерий, исследователи начали применять для классификации, помимо морфологических, многие другие признаки: физиолого-биохимические, иммунологические, цитологические, серологические, и др. В современных классификациях авторы используют любой признак, лишь бы он выделялся и давал возможность распознать изучаемый организм.

Специализация биохимической деятельности микроорганизмов побуждает некоторых исследователей подразделять бактерии на отдельные физиологические группы. Наиболее ярко выражена такая группировка в классификациях Орла-Иенсена и Берги. Бактерии подразделяются на основе их способности вызывать заболевания у человека, животных и растений; формируются особые группы патогенных и фитопатогенных форм только по одному этому признаку.

Не удивительно, что с каждым новым изданием определителя микробов меняется группировка микроорганизмов. Микроорганизмы перемещаются из одной таксономической группы в другую, причем перемещаются не только отдельные виды, но и роды и даже более высокие систематические единицы.

Более совершенная филогенетическая (естественная) классификация объединяет родственные формы, исходя из общности их происхождения. Такой подход стал возможным после выбора в качестве универсального маркера гена 16S рРНК и появления методов определения и сравнения нуклеотидных последовательностей. Ген, кодирующий 16S рРНК (входит в состав малой субчастицы прокариотической рибосомы), присутствует у всех прокариот, характеризуется высокой степенью консервативности нуклеотидной последовательности, функциональной стабильностью.

В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60 %) и максимально близкие фенотипические характеристики. К одному виду относят штаммы бактерий, у которых последовательности нуклеотидов в генах, кодирующих 16S рРНК, совпадают более чем на 97 %, а уровень гомологии нуклеотидных последовательностей в геноме превышает 70 %. Описано не более 5000 видов бактерий, которые представляют незначительную часть существующих бактерий.

Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Большое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняет классификацию.

При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучаютследующие (гено- и фенотипические) характеристики:

1 Морфологические – форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.

2 Тинкториальные – отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные.
Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам – семейству, роду.

3 Культуральные – характер роста микроорганизма на питательных средах.

4 Биохимические – способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.

5 Антигенные – зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.

6 Физиологические – способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы).

7 Подвижность и типы движения.

8 Способность к спорообразованию, характер спор.

9 Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.

10 Химический состав клеточных стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.

11 Белковый спектр (полипептидный профиль).

12 Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.

13 Генотипические (использование методов геносистематики).
В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик, все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа – генотипических свойств). Используются все более совершенные методы - рестрикционный анализ, ДНК – ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др.

В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60 % (для некоторых групп микроорганизмов – 80 %) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы – один геновид), 40-60 % – к одному роду.

 

Идентификация

Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности – наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний.

Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.

Номенклатура – название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры: Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.

Штамм – любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами – сокращенно сероварами), по чувствительности к специфическим фагам – фаготипами, биохимическим свойствам – хемоварами, по биологическим свойствам – биоварами и т.д.

Колония- видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон.

Культура – вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде.

Основной принцип бактериологической работы – выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.

 

Строение бактерий

 Бактериальная клетка обычно на 70-80 % состоит из воды. В сухом остатке на долю белка приходится 50%, компонентов клеточной стенки 10-20 %, РНК 10-20 %, ДНК 3-4 % и липидов 10 %. При этом в среднем количество углерода составляет 50 %, кислорода 20 %, азота 14 %, водорода 8 %, фосфора 3 %, серы и калия по 1 %, кальция и магния по 0,5 % и железа 0,2 %.

За немногими исключениями (микоплазмы) клетки бактерий окружены клеточной стенкой, которая определяет форму бактерий и выполняет механические и важные физиологические функции. Основным её компонентом является сложный биополимер муреин (пептидогликан). В зависимости от особенностей состава и строения клеточной стенки бактерии по-разному ведут себя при окрашивании по методу X.К. Грама (датского учёного, предложившего способ окраски), что послужило основанием для деления бактерий на грамположительные, грамотрицательные и на лишённые клеточной стенки (например, микоплазмы).

Первые отличаются большим (до 40 раз) содержанием муреина и толстой стенкой; у грамотрицательных она существенно тоньше и покрыта снаружи внешней мембраной, состоящей из белков, фосфолипидов и липополисахаридов и, по-видимому, участвующей в транспорте веществ. У многих бактерий на поверхности имеются ворсинки (фимбрии, пили) и жгутики, обеспечивающие их движение. Часто клеточные стенки бактерий окружены слизистыми капсулами различной толщины, образованными главным образом полисахаридами (иногда гликопротеинами или полипептидами). У ряда бактерий обнаружены также так называемые S-слои (от английского surface – поверхность), выстилающие наружную поверхность клеточной оболочки равномерно упакованными белковыми структурами правильной формы.

Цитоплазматическая мембрана, отделяющая цитоплазму от клеточной стенки, служит осмотическим барьером клетки, регулирует транспорт веществ. В ней осуществляются процессы дыхания, азот-фиксации, хемосинтез и др. Нередко она образует впячивания – мезосомы. С цитоплазматической мембраной и её производными связан также биосинтез клеточной стенки, спорообразование и т.д. К ней прикреплены жгутики, геномная ДНК.

Бактериальная клетка организована довольно просто (рисунок 16). В цитоплазме многих бактерий имеются включения, представленные различного рода пузырьками (везикулами), образованными в результате впячивания цитоплазматической мембраны. Для фототрофных, нитрифицирующих и метан-окисляющих бактерий характерна развитая сеть цитоплазматических мембран в виде неразделённых пузырьков, напоминающих граны хлоропластов эукариот. В клетках некоторых обитающих в воде бактерий имеются газовые вакуоли (аэросомы), выполняющие роль регуляторов плотности. У многих бактерий обнаружены включения запасных веществ - полисахаридов, поли-р-гидроксибутирата, полифосфатов, серы и др. В цитоплазме присутствуют также рибосомы (от 5 до 50 тыс.). У некоторых бактерий (например, у многих цианобактерий) имеются карбоксисомы – тельца, в которые заключён фермент, участвующий в фиксации СО₂. В так называемых параспоральных тельцах некоторых спорообразующих бактерий содержится токсин, убивающий личинок насекомых.

 

Рисунок 16 – Строение бактериальной клетки

Обязательными органоидами являются: ядерный аппарат, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана. Необязательными (второстепенными) структурными элементами являются: клеточная стенка, капсула, споры, пили, жгутики (рисунок 16).

 

1 В центре бактериальной клетки находится нуклеоид – ядерное образование, представленное чаще всего одной хромосомой кольцевидной формы. Состоит из двухцепочечной нити ДНК. Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной.

2 Цитоплазма – сложная коллоидная система, содержащая различные включения метаболического происхождения (зерна волютина, гликогена, гранулезы и др.), рибосомы и другие элементы белоксинтезирующей системы, плазмиды (вненуклеоидное ДНК), мезосомы (образуются в результате инвагинации цитоплазматической мембраны в цитоплазму, участвуют в энергетическом обмене, спорообразовании, формировании межклеточной перегородки при делении).

3 Цитоплазматическая мембрана ограничивает с наружной стороны цитоплазму, имеет трехслойное строение и выполняет ряд важнейших функций – барьерную (создает и поддерживает осмотическое давление), энергетическую (содержит многие ферментные системы- дыхательные, окислительно-восстановительные, осуществляет перенос электронов), транспортную (перенос различных веществ в клетку и из клетки).

4 Клеточная стенка – присуща большинству бактерий (кроме микоплазм, ахолеплазм и некоторых других не имеющих истинной клеточной стенки микроорганизмов). Она обладает рядом функций, прежде всего обеспечивает механическую защиту и постоянную форму клеток, с ее наличием в значительной степени связаны антигенные свойства бактерий. В составе – два основных слоя, из которых наружный – более пластичный, внутренний – ригидный.

Основное химическое соединение клеточной стенки, которое специфично только для бактерий- пептидогликан (муреиновые кислоты). От структуры и химического состава клеточной стенки бактерий зависит важный для систематики признак бактерий – отношение к окраске по Граму. В соответствии с ним выделяют две большие группы – грамположительные («грам+») и грамотрицательные («грам–») бактерии. Стенка грамположительных бактерий после окраски по Граму сохраняет комплекс йода с генциановым фиолетовым (окрашены в сине-фиолетовый цвет), грамотрицательные бактерии теряют этот комплекс и соответствующий цвет после обработки и окрашены в розовый цвет за счет докрашивания фуксином.

Особенности клеточной стенки грамположительных бактерий – у толщенная, толстая, несложно организованная клеточная стенка, в составе которой преобладают пептидогликан и тейхоевые кислоты, нет липополисахаридов (ЛПС), часто нет диаминопимелиновой кислоты.

Особенности клеточной стенки грамотрицательных бактерий.
Клеточная стенка значительно тоньше, чем у грамположительных бактерий, содержит ЛПС, липопротеины, фосфолипиды, диаминопимелиновую кислоту. Устроена более сложно – имеется внешняя мембрана, поэтому клеточная стенка трехслойная.

При обработке грамположительных бактерий ферментами, разрушающими пептидогликан, возникают полностью лишенные клеточной стенки структуры - протопласты. Обработка грамотрицательных бактерий лизоцимом разрушает только слой пептидогликана, не разрушая полностью внешней мембраны; такие структуры называют сферопластами. Протопласты и сферопласты имеют сферическую форму (это свойство связано с осмотическим давлением и характерно для всех безклеточных форм бактерий).

L-формы бактерий. Под действием ряда факторов, неблагоприятно действующих на бактериальную клетку (антибиотики, ферменты, антитела и др.), происходит L-трансформация бактерий, приводящая к постоянной или временной утрате клеточной стенки. L-трансформация является не только формой изменчивости, но и приспособления бактерий к неблагоприятным условиям существования. В результате изменения антигенных свойств (утрата О- и К-антигенов), снижения вирулентности и других факторов L-формы приобретают способность длительно находиться (персистировать) в организме хозяина, поддерживая вяло текущий инфекционный процесс. Утрата клеточной стенки делает L-формы нечувствительными к антибиотикам, антителам и различным химиопрепаратам, точкой приложения которых является бактериальная клеточная стенка. Нестабильные L-формы способны реверсировать в классические (исходные) формы бактерий, имеющие клеточную стенку. Имеются также стабильные L-формы бактерий, отсутствие клеточной стенки и неспособность реверсировать которых в классические формы бактерий закреплены генетически. Они по ряду признаков очень напоминают микоплазмы и другие молликуты – бактерии, у которых клеточная стенка отсутствует как таксономический признак. Микроорганизмы, относящиеся к микоплазмам – самые мелкие прокариоты, не имеют клеточной стенки и как все бактериальные бесстеночные структуры имеют сферическую форму.

К поверхностным структурам бактерий (необязательным, как и клеточная стенка), относятся капсула, жгутики, микроворсинки.

Капсула или слизистый слой. Онаокружает оболочку ряда бактерий. Выделяют микрокапсулу, выявляемую при электронной микроскопии в виде слоя микрофибрилл, и макрокапсулу, обнаруживаемую при световой микроскопии. Капсула является защитной структурой (прежде всего от высыхания), у ряда микробов – фактор патогенности, препятствует фагоцитозу, ингибирует первые этапы защитных реакций – распознавание и поглощение. У сапрофитов капсулы образуются во внешней среде, у патогенов – чаще в организме хозяина. Существует ряд методов окраски капсул в зависимости от их химического состава. Капсула чаще состоит из полисахаридов (наиболее распространенная окраска – по Гинесу), реже – из полипептидов.

Жгутики. Подвижные бактерии могут быть скользящие (передвигаются по твердой поверхности в результате волнообразных сокращений) или плавающие, передвигающиеся за счет нитевидных спирально изогнутых белковых (флагеллиновых по химическому составу) образований – жгутиков.

По расположению и количеству жгутиков выделяют ряд форм бактерий.

1 Монотрихи – имеют один полярный жгутик.

2 Лофотрихи – имеют полярно расположенный пучок жгутиков.

3 Амфитрихи – имеют жгутики по диаметрально противоположным полюсам.

4 Перитрихи – имеют жгутики по всему периметру бактериальной клетки.

Способность к целенаправленному движению (хемотаксис, аэротаксис, фототаксис) у бактерий генетически детерминирована.

Пили (фимбрии или реснички) – короткие нити, в большом количестве окружающую бактериальную клетку, с помощью которых бактерии прокрепляются к субстратам (например, к поверхности слизистых оболочек). Таким образом, фимбрии являются факторами адгезии и колонизации.

F - пили (фактор фертильности) – аппарат конъюгации бактерий, встречаются в небольшом количестве в виде тонких белковых ворсинок.