Споры и спорообразование в жизни бактерий

Роль в биотехнологии

Bacillus subtilis является важнейшим продуцентом амилаз и протеиназ и используется в производстве. Bacillus thuringiensis, а также синтезируемые этим видом бактерий Cry-токсины используются в биозащите растений в качестве альтернативы синтетических инсектицидов. Также бациллы используются в генной инженерии в качестве хозяев для клонирования ДНК. Преимуществами бацилл как хозяев для клонирования ДНК является высокая изученность генома многих видов, способность секретировать интактные белки в окружающую среду, нетребовательность большинства видов к питательной среде, высокая технологичность, а также возможность длительного хранения промышленных штаммов в виде высушенных спор. Поэтому для бацилл разработан ряд векторов, о информации и синтезе необходимого продукта (например pTL12, pHIS1525, hGH).

Бактерия <i>Bacillus mucilaginosus</i> участвуют в разрушении силикатов и апатитов, за что были названы силикатными бактериями.

Колпачки на спорах

На спорах рода клостридиум и бациллюс в процессе спорообразования образуются колпачки. Они имеют конусовидную или серповидную форму и ячеистое строение. Ячейки напоминают мешочки, которые заполнены газообразным веществом. Они имеют форму палочек или овалов. Ячейки помогают споре сохранять в воде плавучесть. Даже при центрифугировании споры с колпачками невозможно осадить. Колпачки на спорах образуются у почвенных бактерий гидроморфных почв, которые сформировались в условиях застоя поверхностных вод или при наличии грунтовых вод.

Рис. 13. На фото колпачки на спорах — конусовидные (слева) и серповидные (справа).

Рис. 14. На фото строение колпачка споры бактерии. Видны отдельные газовые ячейки (вакуоли, мешочки) овальной формы.

Выращивание бацилл

Для эффективного выращивания бактерии Bacillus subtilis могут требоваться среды нескольких видов:

• жидкая среда, а именно мясопептонный бульон;
• плотная среда – мясопептонный агар;
• простые питательные среды, полученные синтетическим путем;
• среды с содержанием остатков растительного происхождения.

Под понятием мясопептонного агара принято подразумевать универсальную питательную среду, которая может иметь как плотную, так и полужидкую текстуру. В составе данной среды присутствуют такие компоненты, как мясная вода, поваренная соль, а также размельченный и тщательно промытый агар. Для его стерилизации в автоклаве необходима температура не менее 120 ºC, а процесс этот должен длиться приблизительно двадцать-тридцать минут. После завершения стерилизации готовая среда будет остывать естественным путем, приобретая более плотную текстуру.

Максимально благоприятное развитие Сенной палочки гарантируется при уровне температуры воздуха от +5 до +45 ºC.

Основы микробиологии

Микробиология изучает строение, жизнедеятельность, условия жизни и развития мельчайших организмов, называемых микробами, или микроорганизмами.

Похожее по теме… АнтибиотикиВ 1928 году Александр Флеминг открыл первый антибиотик – пенициллин. Это лекарство произвело фурор и на долгое время стало панацеей от многих заболеваний. Медицин

Микробы были открыты голландцем А. Левенгуком (1632-1723) в конце XVII в., когда он изготовил первые линзы, дававшие увеличение в 200 и более раз. Увиденный микромир поразил его, Левенгук описал и зарисовал микроорганизмы, обнаруженные им на различных объектах.

Он положил начало описательному характеру новой науки. Открытия Луи Пастера (1822-1895) доказали, что микроорганизмы отличаются не только формой и строением, но и особенностями жизнедеятельности. Пастер установил, что дрожжи вызывают спиртовое брожение, а некоторые микробы способны вызывать заразные болезни людей и животных.

Пастер вошел в историю как изобретатель метода вакцинации против бешенства и сибирской язвы. Всемирно известен вклад в микробиологию Р. Коха (1843-1910) — открыл возбудителей туберкулеза и холеры, И. И. Мечникова (1845-1916) — разработал фагоцитарную теорию иммунитета, основоположника вирусологии Д. И. Ивановского (1864-1920), Н. Ф. Гамалея (1859-1940) и многих других ученых.

С чего все начинается

Рост и размножение клетки – это два различных процесса. Под ростом понимают увеличение массы клетки вследствие формирования всех клеточных структур. Размножение – это увеличение количества клеток в колонии. Различают бинарное деление, почкование и генетическую рекомбинацию (процесс, напоминающий половое размножение).

Большинство прокариотических (безъядерных) клеток, к которым принадлежат все бактерии, размножается путем разделения надвое (бинарное деление). Таким способом размножаются, например, молочнокислые бактерии. Процесс начинается с удвоения бактериальной хромосомы (молекула ДНК, заменяющая ядро) и протекает в несколько этапов:

• клетка удлиняется;
• наружная оболочка «врастает» внутрь и образует поперечную перегородку (перетяжку);
• две новые (дочерние) клетки расходятся в разные стороны.

В результате получаются два идентичных организма.

Отдельные микроорганизмы делятся почкованием, но это скорее исключение из общего правила. Процесс заключается в образовании на одном из полюсов клетки короткого выступа, в который «дрейфует» одна из половин разделившегося нуклеоида (молекулы ДНК с генетической информацией). Затем выступ разрастается и отделяется от материнской клетки.

Есть еще вариант, напоминающий половое размножение, – генетическая рекомбинация. В этом случает происходит обмен генетической информацией и в результате получается клетка, содержащая гены своих родителей. Существуют три способа передачи генетической информации:

• конъюгация – прямая передача (не обмен) части ДНК при контакте от одной бактерии к другой (процесс идет только в одном направлении);
• трансдукция – перенос фрагмента ДНК с помощью бактериофага (вируса бактерий);
• трансформация – поглощение генетической информации отмерших или уничтоженных клеток из окружающей среды.

Таким образом, только в результате бинарного деления и почкования получаются идентичные друг другу клетки. При генетической рекомбинации клетка претерпевает изменения, вырабатывая новые свойства и получая другие функции.

Бациллы

Спорообразующие аэробные виды бактерии бациллы – род, который насчитывает около 200 видов бактерий. Все они грамположительные и имеют форму палочек.

Среди спорообразующих бактерий бацилл есть патогенные для человека виды. Так, сибирскую язву вызывает бацилла антрацис (возбудитель сибирской язвы). В человеческий организм болезнетворный возбудитель попадает через повреждения на коже. Зараженные ткани подвергаются токсическому воздействию продуктов жизнедеятельности антрацис и отмирают.

Ввиду возможности образования спор при попадании в неблагоприятные условия, возбудителя сибирской язвы невозможно истребить, оказывая на него тепловое, световое или химическое воздействие. Данное обстоятельство усложняет профилактику сибирской язвы, поскольку предупредительные меры ограничиваются только вакцинацией.

Примеры распространения бацилл в почве:

1. В почвах южных районов спорообразующих бактерий больше, чем в холодных почвах, тогда как на неспорообразующие перегрев действует губительно.
2. Отмечена разница в наличии спорообразующих бактерий в зависимости от растительности, произрастающей на почвах. Так, около корней растений обитают в основном неспорообразующие прокариоты, а на разлагающихся растительных остатках – виды спорообразующих прокариотов.
3. Аэробные спорообразующие бактерии, или бациллы, оздоравливают почвы.

Пробиотики не так хороши, как считается

В последнее время во всём мире наблюдается повальное увлечение пробиотическими (состоящими из микроорганизмов) добавками к пище: многие принимают их после курса лечения антибиотиками, полагая, что это дарует им здоровье. Насколько их применение оправдано?

«Сама концепция восстановления микрофлоры после использования антибиотиков хороша, — считает Блейзер. — Но наивно считать, что принимая пробиотики, содержащие один или несколько видов микроорганизмов, можно добиться впечатляющих результатов — у нас в организме тысячи разновидностей!». Учёный считает, что продавцы пробиотиков преувеличивают положительный эффект от своих препаратов.

«Возможно, в будущем у нас появятся пробиотики, способные побеждать болезни, но до этого пока далеко — эта отрасль слишком молода», — подытоживает микробиолог.

Виды бактерий

В школьных учебниках биологии размещены изображения разных видов бактерий, отличающихся по форме:

1. Кокки – шарообразные организмы, отличающиеся по взаимному расположению. Под микроскопом заметно, что стрептококки представляют цепочку шариков, диплококки живут попарно, стафилококки – скопления произвольной формы. Ряд кокков вызывает различные воспалительные процессы, попадая в организм человека (гонококк, стафилококк, стрептококк). Не все кокки, живущие в организме человека, являются патогенными. Условно патогенные виды принимают участие в формировании защиты организма от внешних воздействий и безопасны при соблюдении баланса флоры.
2. Палочковидные отличаются формой, размером и способностью к спорообразованию. Спорообразующие виды называются бациллами. К бациллам относятся: палочка столбняка, палочка сибирской язвы. Споры – это образования внутри микроорганизма. Споры нечувствительны к химической обработке, их устойчивость к внешним воздействиям – залог сохранения вида. Известно, что споры разрушаются при высокой температуре (выше 120ºС).

Формы палочковидных микробов:

• с заостренными полюсами, как у фузобактерии, входящей в состав нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей;
• с утолщенными полюсами, напоминающими булаву, как у коринебактерии – возбудителя дифтерии;
• с закругленными концами, такими как у кишечной палочки, которая необходима для процесса пищеварения;
• с прямыми концами, как у палочки-возбудителя сибирской язвы.

Большинство палочковидных бацилл и бактерий по отношению друг к другу располагаются хаотично. Можно выделить стрептобактерии (стрептобациллы), которые расположены цепочкой, и диплобактерии (диплобациллы), существующие в паре.

3. Спириллы и спирохеты – микроорганизмы извитой формы. Они не образуют спор, очень подвижны. Под микроскопом можно увидеть их быстрые движения. Большинство спирилл безопасны для человека и животных. Это сапрофиты, питаются неживыми субстратами. Исключение составляют виды, вызывающие содоку. Спирохеты более опасны для человека и животных, способны вызывать заболевания кожных покровов, дыхательных путей, ЖКТ. Спириллы отличаются от спирохет меньшим количеством завитков и наличием жгутиков на полюсах.

4. Вибрионы – вибрирующие микробы. При рассмотрении под микроскопом можно увидеть их вибрирующие движения. Микроорганизм меняется в зависимости от условий среды обитания. Вибрионы бывают спиралевидной, палочковидной, нитевидной, шаровидной формы. Самым опасным для человека является вибрион холеры.

Грам(+) и грам (-)

Датский микробиолог Ганс Грам более 100 лет назад провел опыт, после которого все бактерии стали относиться к грамположительным и грамотрицательным. Грамположительные организмы создают с окрашивающим веществом длительную устойчивую связь, которая усиливается при воздействии йода. Грамотрицательные, наоборот, не восприимчивы к красителю, их оболочка прочно защищена.

К грамотрицательным микробам относятся хламидии, риккетсии, к грамположительным – стафилококки, стрептококки, коринебактерии.

Аэробные и анаэробные

Самые примитивные бактерии живут глубоко под водой. Для развития им не нужен доступ к кислороду. Более развитые колонии выбрались на сушу и живут на поверхностях. Для размножения и развития колонии этим микроорганизмам нужен кислород. Учитывая зависимость от кислорода, группы микроорганизмов носят названия аэробных и анаэробных.

Аэробные микроорганизмы нуждаются в кислороде для развития и дыхания:

Облигатные аэробы – эти бактерии свободно живут во внешней среде. В качестве примера можно привести туберкулезную палочку, которая устойчива к окружающей среде, сохраняется в воде до 5 месяцев, а во влажном, теплом и темном помещении до 7 лет.

Микроаэрофилы – этим микробам достаточно 2% содержания кислорода для нормальной жизни и развития. Ими являются стрептококки, вызывающие фарингит, скарлатину и живущие в дыхательных путях. При выращивании микробов в жидкой среде эти организмы скапливаются недалеко от поверхности, там, где содержание кислорода невысокое.

Анаэробные микроорганизмы способны расти и размножаться без кислорода:

• облигатные анаэробы избегают молекулярного кислорода (например, фузобактерии);
• факультативные способны к росту и развитию в присутствии кислорода и без него, это могут быть стрептококки, гонококки;
• аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для развития, хотя растут в присутствии молекулярного кислорода, как бактерии молочнокислого брожения.

Как живут бактерии

Биологи определяют бактерии в отдельное царство, они отличаются от других живых существ. Это одноклеточный организм без ядра внутри. Их форма может быть в виде шарика, конуса, палочки, спирали. Для перемещения прокариоты пользуются жгутиками.

Большинство микроорганизмов являются безопасными для человека. Численность опасных видов не очень большая, как правило, это бактерии-оппортунисты, которые паразитируют среди других. Ведь бактерии вырабатывают вещества, которыми обмениваются друг с другом. Оппортунистический вид использует эти аминокислоты, но не дает ничего взамен. За миллиарды лет одноклеточные организмы научились распознавать и вытеснять «мошенников» из колонии на периферию биопленочного матрикса, где концентрация аминокислот минимальна. Дело в том, что большинство микроорганизмов существуют в биопленках, а не в виде свободных, отдельно плавающих клеток. Биопленки состоят из межбактериального матрикса и бактерий. Формирование биопленок – важный эволюционный шаг для сохранения вида колоний от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Именно биопленка защищает бактерии от воздействия антибиотиков. Также биопленки защищают прокариот от воздействия агрессивных химических веществ, поэтому обработка поверхности хлором, дезраствором не всегда гарантирует чистоту.

Биопленка – это город для микроорганизмов, проходит несколько стадий формирования:

• Адгезия или сорбция – прикрепление микроорганизма к поверхности. Как правило, пленки образуются на границе двух сред: жидкость и воздух, жидкость и жидкость. Первоначальный этап обратим, формирование пленки можно предотвратить.
• Фиксация – бактерии выделяют полимеры, обеспечивая их прочное закрепление, формируют матрикс для прочности и защиты.
• Созревание – микробы сливаются, обмениваются питательными веществами, развиваются микроколонии.
• Этап роста – идет накопление бактерий, их слияние, вытеснение. Количество микроорганизмов составляет от 5 до 35%, все остальное пространство занимает межклеточный матрикс.
• Дисперсия – от пленки периодически отрываются микроорганизмы, которые прикрепляются к другим поверхностям и образуют биопленку.

Процессы, происходящие в биопленке, отличаются от того, что происходит с микробом, который не является составной частью колонии. Колонии стабильны, микробы организуют единую систему поведенческих реакций, определяя взаимодействие членов внутри матрикса и вне пленки. Слизистые оболочки человека населены большим количеством микроорганизмов, которые продуцируют гель для защиты и обеспечивают стабильность функционирования органов. Примером может служить слизистая оболочка желудка. Известно, что хеликобактер пилори, которые считаются причиной язвенной болезни желудка, есть более чем у 80% обследованных людей, но при этом язвенная болезнь развивается не у всех. Предполагают, что хеликобактер пилори, являясь членами колонии, участвуют в пищеварении. Их способность приносить вред проявляется лишь после создания определенных условий.

Взаимодействие бактерий в биопленках еще мало изучено. Но уже сегодня некоторые микробы стали помощниками человека при проведении реставрационных работ, увеличении прочности покрытий. В Европе производители дезинфектантов предлагают обрабатывать поверхности бактериальными растворами, содержащими безопасные микроорганизмы, которые не дают развиваться патогенной флоре. Бактерии используются для создания полимерных соединений, а также в перспективе будут вырабатывать электричество.

В одном эксперименте наблюдали за мутациями кишечной палочки. Бактерии разделили на разные группы: «победителей» и «аутсайдеров». «Победители» изначально имели полезные мутации в генах. Больше 20 лет группа ученых ежедневно меняла среду, держала микробов в состоянии нехватки глюкозы. Вопреки ожиданиям, микроорганизмы-«аутсайдеры», не имеющие конкурентного преимущества сначала, в ходе эволюции значительно раньше приобрели дополнительные мутации, показали лучшие результаты по адаптации, чем колонии с более развитыми генами на старте. Бактерии доказали, что хорошие стартовые данные не влияют на конечный результат.

Вид Bacillus subtilis

Bacillus subtilis

Bacillus subtilis более известна как сенная палочка, которую бактерия получила из-за того, что раньше ее могли культивировать только на сенном отваре. Бактерия имеет вид прямой палочки, не имеющей цвета. Может размножаться как спорами, так и делением. Практическое применение в промышленных целях этот вид нашел благодаря таким свойствам, как:

• антагонизм к патогенным бактериям: стафилококку, протею, сальмонелле, стрептококкам;
• продуцирование ферментов, препятствующих гнилостному распаду тканей;
• синтезирование аминокислот и витаминов.

Bacillus subtilis является составляющей таких лекарственных препаратов:

• «Биоспорин»;
• «Споробактерин»;
• «Энзимтал»;
• «Бактиспорин».

Bacillus subtilis обладает высоким подавляющим действием на патогенные бактерии, вызывающие острые кишечные расстройства. Споры Bacillus subtilis активируются в толстом кишечнике, создают там кислую среду, тем самым подавляя бактерии, вызвавшие дисбактериоз.

Bacillus subtilis входит в состав таких пищевых добавок, как «Бактистатин», Супрадин Киндер гель», «Ветом». Широкое применение получили штаммы Bacillus subtilis в животноводстве, рыбной отрасли, птицеводстве, в качестве профилактики и лечения дисбактериоза, заболеваний желудочно-кишечного тракта, легочной инфекции, для улучшения продуктивности особей и получения здорового потомства.

В растениеводстве применяют Bacillus subtilis для защиты растений от грибковых и инфекционных заболеваний.

Новшеством в косметологии являются ферментные пилинги. В пилинге используют ферменты как растительного происхождения, так и бактериального. Косметологами отмечено, что ферментные пилинги (субтилизин, протеаз), продуцентами которых являются Bacillus subtilis, более эффективны.

Анаэробне термофилы

Способность быстрого роста термофильных организмов дает им прекрасную возможность быть использованными в самых разных сферах жизни — в промышленности или в сельском хозяйстве и даже на бытовом уровне. При этом мезофильные и термофильные молочнокислые бактерии имеют похожие методы выделения. Разница наблюдается лишь в температурах выращивания. Для установления точного оптимального уровня температуры культуру необходимо один-два месяца пассировать, или, иными словами, пересевать в определенном диапазоне температур.

В природе широко распространены и в различных условиях живут многие виды термофильных бактерий. Они любят тепло и очень комфортно себя чувствуют в желудке человека, а также могут находиться в животных, растениях, почве, воде и разных других средах, обеспечивающих благоприятные для развития температурные условия. Одни бактерии для развития требуют присутствия воздуха, другие совершенно не нуждаются в кислороде. По этому признаку зависимости от кислорода термофильные организмы делят на аэробных и анаэробных.

К анаэробным относятся несколько отдельных групп:

• Маслянокислые — при брожении вырабатывают масляную кислоту, питаются сахаром, пектинами, декстринами, а продуцируют кислоты — уксусную и масляную, а также водород и углекислый газ. Из полезных свойств можно выделить продуцирование ацетона, этилового, бутилового и изопропилового спиртов. Встречается в термофильных и мезофильных формах.
• Целлюлозные живут в речном иле, компостах, растительных остатках. Эти термофильные бактерии для компоста подходят идеально и широко используются в сельскохозяйственной сфере. Находясь в почве или перегное, эти бактерии набирают активность при 60-65 градусах. Есть и мезофильная форма — палочка Омелянского. Эти бактерии с помощью специального фермента разлагают целлюлозу, выделяя при этом углекислый газ, водород, этиловый спирт, ряд кислот — муравьиную, уксусную, фумаровую, молочную и иные органические кислоты.
• Метанообразующие живут там же, где и целлюлозные, и там же культивируются. В этой группе больше всего изучены такие виды, как метанобактериум и метанобациллюс. Они не способны к спорообразованию, а польза их состоит в способности продуцировать антибиотики, витамины, ферменты, используя для питания сточные воды и бытовые отходы.
• Десульфирующие чаще всего находятся рядом с целлюлозными и живут за счет восстановления сульфатов. Обладают овальными спорами, которые располагаются ближе к одному из концов палочки бациллы, — терминальными или субтерминальными.
• Молочнокислые — особая большая группа бактерий, которые обитают в молоке. Эти термофильные молочнокислые бактерии могут быть как полезны человеку, так и весьма вредны. Некоторые их виды могут синтезировать специальные ароматические вещества. Именно они-то после воздействия на молоко придают приятный вкус и аромат творогу или сливкам. Такие термофильные молочнокислые бактерии относятся к факультативным анаэробным, поэтому оптимально могут размножаться при отсутствии кислорода или в такой среде, где большой его дефицит.

Опасны или нет?

Относительно патогенности Бациллюса существует несколько мнений. Так, в соответствии с официально действующими на территории Российской Федерации санитарными правилами и нормами, Bacillus subtilis принадлежит к роду условно-патогенных бактерий.

Однако Большая Советская Энциклопедия, а также авторитетные зарубежные источники твердо настаивают на безопасности Бациллюса субтилис, утверждая, что данный микроорганизм является абсолютно не патогенным. В результате научных исследований была доказана безопасность данных бактерий из рода бацилл как для людей, так и для животных. Таким образом, Управление по контролю качества лекарственных и продовольственных средств в Соединенных Штатах Америки справедливо присвоило Bacillus subtilis статус абсолютно безопасных организмов.

Однако, несмотря на данный факт, ни в коем случае не допускается присутствие Сенной палочки в разнообразных консервах, в частности, рыбных, мясных и растительных. Всегда следует иметь в виду, что если по каким-либо причинам в консервах остались споры, сохранившие свою жизнеспособность, это значит, что при хранении данного продукта при температуре, превышающей +20 ºC, размножение возбудителей будет неизбежным. Поэтому, для того чтобы обезопасить консервы от содержания Бациллюса, необходимо тщательно соблюдать все технологии и нормативы приготовления продуктов данного типа. Как правило, о присутствии Bacillus subtilis в консервах сигнализирует наличие характерного сероватого налета. Кроме того, с запахом и консистенцией консервов происходят определенные неблагоприятные изменения.