МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012

ГЛАВА 4. СИСТЕМАТИКА ПРОКАРИОТ

Огромное количество микроорганизмов систематизировано в определенном порядке по их сходству, различиям и взаимоотношениям между собой. Этим занимается наука, называемая систематикой (от греч. systematicos — упорядоченный).

Систематика — это наука о многообразии организмов, изучающая отношения между их группами (таксонами). Основными разделами систематики являются классификация и номенклатура.

Классификация — закономерность распределения множества организмов по систематическим группам. В задачи классификации входит описание видов микроорганизмов, установление родственных связей между отдельными группами, выяснение процессов видообразования.

Номенклатура обусловливает принципы определения названия для установленных таксонов.

Таксон — группа организмов, обладающих заданной степенью однородности. Основной таксономической единицей в систематике микроорганизмов является вид.

Вид — это группа близких между собой организмов, имеющих общее происхождение и генотип, морфологические, физиологические и другие признаки и способных в определенных условиях вызывать одинаковые процессы. Если при изучении бактерий обнаруживают отклонения от типичных свойств основного вида, то такие культуры рассматривают как подвиды. Название подвида состоит из полного названия вида, сокращенного слова, обозначающего промежуточный таксон (subspecies — подвид), и слова, соответствующего данному подвиду. Например, Lactobacillusdelbruekii ssp. bulgaricus — молочная палочка Дельбрюка, подвид болгарская.

При таксономическом упорядочении биологической группы используют иерархическую структуру:

Домен (Domen) → Филум (Phylum) → Класс (Klassis) → Порядок (Ordo) → Семейство (Familia) → Род (Genus) → Вид (Species) → Подвид (Subspecies)

В настоящее время при классификации всех живых организмов выделяют три домена (надцарства): бактерии (Bacteria), археи (Archaea) и эукариоты (Eukarya).

Кроме подвида различают также варианты микроорганизмов, которые не располагаются в порядке рангов классификации. Они основаны на различии особей какими-либо незначительными наследственными свойствами: антигенными — серовар (серотип), физиологическими (биовар), отношением к бактериофагам (фаговар) и др.

Помимо указанных таксономических категорий в микробиологии часто применяют термины «культура», «штамм», «клон».

Культура — микроорганизмы, выделенные от человека, животного, растения или из субстрата внешней среды и выращенные на питательной среде в лабораторных или производственных условиях.

Штамм — культура одного и того же вида, выделенная из разных источников или из одного источника, но в разное время, и отличающаяся незначительными изменениями свойств. Различия между штаммами не выходят за пределы вида.

Клон — культура (или популяция) микроорганизмов, являющаяся потомством одной клетки.

После открытия мира микробов в основу классификации микроорганизмов были положены морфологические признаки: форма и размеры клеток, способность образовывать эндоспоры, окраска по Граму, подвижность и т. д.

В настоящее время идентификация (определение) микроорганизмов основана на следующих критериях:

• морфологические признаки;

• строение клеток (про- или эукариоты);

• культуральные признаки (характер роста на плотных и жидких средах);

• физиологические свойства;

• биохимические свойства;

• молекулярно-биологические свойства (процентное содержание пар ГЦ и АТ в молекуле ДНК, гибридизация нуклеиновых кислот; анализ последовательности нуклеотидов 16S рибосомальной РНК);

• хемотаксономия (химический состав различных соединений и структур);

• серодиагностика (определение реакции антиген—антитело, особенно характерное для патогенных микроорганизмов);

• фаготипирование (использование специфических бактериофагов).

Как было установлено в 60-х гг. XX в., все свойства организма определяются уникальными молекулами ДНК, в связи с чем бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества азотистых оснований в ДНК у разных объектов. Коэффициент специфичности ДНК, т. е. отношение ГЦ к АТ, является важным критерием дифференциации родов. Так для рода Sarcin коэффициент специфичности равен 2,57, для Escherichia — 1,09, для Streptococcus — 0,51. Однако ГЦ-показатель дает возможность лишь грубого сравнения геномов. Более тонкий метод оценки генетического сходства организмов — сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК, выделенных из разных организмов. Этот метод удобен для классификации организмов на уровне вида, но мало информативен для классификации объектов на уровне более высоких таксонов.

Генетические методы идентификации микроорганизмов основаны на сравнении нуклеотидных последовательностей различных генов и анализе полиморфизма фрагментов рестрикции ДНК, полученных в результате амплификации (увеличения числа копий) отдельных генов бактерий. Наиболее подходящими для идентификации являются гены, кодирующие 16S и 23S-рибосомальные РНК, так как они присутствуют во всех клетках бактерий и специфичны для определенного рода. Разработано специальное оборудование для генетической идентификации микроорганизмов. В частности, система MicroSeq (компания Applied Biosystems) устанавливает вид бактерий с помощью автоматического секвенирования (определения первичной нуклеотидной последовательности ДНК) универсального гена 16S рибосомальной РНК — основного показателя бактериальной такмсономической классификации. После секвенирования гена РНК система автоматически сравнивает полученные результаты с данными микробных библиотек MicroSeq. Программное обеспечение определяет процент сходства неизвестного вида бактерий с наиболее схожими образцами из библиотеки. С помощью указанного оборудования можно осуществлять микробиологический контроль продуктов питания с идентификацией присутствующих в них микроорганизмов.

В настоящее время для идентификации прокариотических микроорганизмов используют определитель бактерий Д. Берджи.

В 9-м издании определителя бактерий Д. Берджи (1997) предложена схема деления царства Procariotae на высшие таксоны. В основу деления положено строение клеточной стенки. Согласно этой классификации все микроорганизмы разделены на четыре основные категории.

1. Gracilicutes (от лат. gracilis — тонкий, cutes — кожа) — объединяет грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки. Стенки состоят из наружной мембраны, тонкого внутреннего слоя пептидогликана и дополнительно различных других компонентов снаружи или между этими двумя слоями.

2. Firmicutes (от лат. firmis — крепкий) объединяет грамположительные бактерии, имеющие клеточные стенки, в состав которых входят пептидогликан, тейхоевые и тейхуроновые кислоты.

3. Tenericutes (от лат. tenerus — мягкий, нежный) — эубактерии, лишенные клеточных стенок, называемые микоплазмами и включающие класс Mollicutes. По Граму окрашиваются отрицательно.

4. Mendosicutes (от лат. mendosus — имеющий дефект) включает архебактерии, по некоторым особенностям молекулярного строения сходные с эукариотами, но отличающиеся от них несоврешенной клеточной стенкой, в которой вместо муреина содержится псевдомуреин. Благодаря отсутствию муреина в клеточных стенках архебактерии устойчивы к лактамным антибиотикам. Архебактерии подразделяют на следующие группы: метаногенные; сульфатредукторы; экстремальные галофилы, лишенные клеточных стенок; экстремально термофильные, метаболизирующие серу.