Текст:

ФГБОУ ВПО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ИММУНОЛОГИИ

И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КЛИНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН

Дисциплина «Микробиология и вирусология»

Реферат на тему:

«СОВРЕМЕННЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ»

Выполнил
студент курса группы

специальность «Лечебное дело»

Преподаватель

ОРЁЛ 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................................................
................. 3

1. Микробиология, как современная наука ......................................... 5

2. Современные направления микробиологии .................................... 6

3. Современные открытия в микробиологии ...................................... 8

Заключение ................................................................................
............. 17

Приложение ................................................................................
............ 18

Список литературы ................................................................................ 19

ВВЕДЕНИЕ

Микробиология – это наука, изучающая строение, систематику, физиологию, генетику и экологию организмов, имеющих малые размеры и невидимых невооруженным глазом. Эти организмы получили название микроорганизмов или микробов.

Микроорганизмы представляют собой, по определению, невидимые человеческому глазу без увеличения существа, которые вездесущи и проводят в природе колоссальную работу, заключающуюся прежде всего в минерализации отмершего биологического материала (микробный цикл углерода и связанный с ним цикл кислорода). Без микробов было бы невозможно существование глобальных циклов азота и серы. Микроорганизмы, несмотря на их малые размеры и массу, составляют в целом биомассу, больше чем вся остальная биомасса на Земле (растения и животные вместе взятые).

Объектами микробиологии являются прокариотические организмы — бактерии и археи, а также эукариоты — простейшие, микроскопические водоросли, низшие грибы. Микроорганизмы населяют все экологические ниши и живут там, где развиваются животные и растения, а также во многих других ареалах, в которых не могут развиваться другие живые организмы — при высоких (до 113 °С) и низких (до -36 °С) температурах, высоких (до 1400 атмосфер) давлениях, при полном отсутствии кислорода, в условиях высокой солености (в насыщенных растворах NaСl), при высокой кислотности (рН 0-1) и щелочности (рН до 11). Микроорганизмы – прокариоты могут развиваться в скальных породах на глубине до 6 км, на вершинах высоких гор (6 - 7 км), в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений и памятников. Споры микробов чрезвычайно устойчивы, они могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20 - 30 млн лет (например, в кишечнике пчелы, замурованной в кусочке янтаря).

На протяжении длительного времени человек жил в окружении невидимых существ, использовал продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого теста, приготовлении вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись причиной болезней или портили запасы пищи, но не подозревал об их присутствии. Не подозревал потому, что не видел, а не видел потому, что размеры этих микросуществ лежали не много ниже того предела видимости, на который способен человеческий глаз. Известно, что человек с нормальным зрением на оптимальном расстоянии (25-30 см) может различить в виде точки размером 0,07-0,08 мм. Меньше объекта человек заметить не может. Это определяется особенностями строения его органа зрения.

Попытки преодолеть созданный природный барьер и расширить возможности человеческого глаза были сделаны давно. Так, при археологических раскопках в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы - самые простые оптические приборы. Линзы были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. Можно считать, что с изобретением этих линз человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейший прогресс в развитии оптической техники относится к 16-17 вв. и связан с развитием астрономии. В начале 17 в. голландские шлифовальщики стекла сконструировали первые подзорные трубы. Оказалось, что если линзы расположить иначе, не так, как в телескопе, то можно получить увеличение очень мелких предметов. Микроскоп подобного типа был создан в 1610 г. Г. Галилеем (1564-1642). Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы.

Одним из первых микроскоп, состоящий из двух двояковыпуклых линз, дававших увеличение примерно в 30 раз, сконструировал и использовал для изучения строения растений английский физик и изобретатель Р. Гук.

Микробиология прошла длительный путь развития, исчисляющийся многими тысячелетиями. Уже в V — VI тысячелетии до н. э. человек пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их существовании. Виноделие, хлебопечение, сыроделие, выделка кож — не что иное, как процессы, происходящие с участием микроорганизмов. Тогда же, в древности, ученые и мыслители предполагали, что многие болезни вызываются какими-то посторонними невидимыми причинами, имеющими живую природу. Следовательно, микробиология зародилась задолго до нашей эры. В своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связанных хронологически, сколько обусловленных основными достижениями и открытиями – эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический. Сейчас же наступил новый этап в развитии микробиологии - молекулярно-генетический.

1. МИКРОБИОЛОГИЯ, КАК СОВРЕМЕННАЯ НАУКА

Место микробиологии в системе современных биологических наук определяется спецификой ее объектов: во-первых, микробиология — это наука об определенном классе объектов, и в этом смысле она аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология; во- вторых, микробиология изучает на своих объектах общие фундаментальные законы развития всего живого и таким образом относится к физиолого-биохимической ветви биологических дисциплин. И наконец, микробиология — это наука, исследующая объекты и явления на стыке одно- и многоклеточности.

Роль микробиологии определяется значением микроорганизмов в природных процессах и в человеческой деятельности:

- микроорганизмы участвуют в глобальном круговороте элементов, причем ряд стадий был бы невозможен без них, например фиксация молекулярного азота, денитрификация или минерализация сложных органических веществ;

- на деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств (хлебопечение, пивоварение, виноделие, получение молочнокислых продуктов, производство различных индивидуальных химических веществ, антибиотиков, гормонов, ферментов и т.д.);

- микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений;

- многие микроорганизмы являются возбудителями заболеваний человека, животных, растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов;

- микроорганизмы могут служить инструментами и модельными системами для других дисциплин, например генной инженерии.

2. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МИКРОБИОЛОГИИ

Исходя из выполняемых задач, микробиология подразделяется на общую, частную (отдельных групп микроорганизмов) и медицинскую.

Общая микробиология занимается изучением неболезнетворных (непатогенных) микроорганизмов, их распространением, систематикой, метаболизмом, экологией и т.д. Поэтому в общей микробиологии выделяют следующие отрасли:

- промышленная микробиология (часть общей науки биотехнологии) — исследует микроорганизмы и процессы, приводящие к образованию полезных веществ или продуктов. В этой области знаний, объединяющей фундаментальную науку (получение новых генно-инженерных штаммов высокой производительности) и технологию (крупномасштабное выращивание микроорганизмов), можно отдельно выделить производства антибиотиков для медицины и ветеринарии, ферментов, спиртов, органических и аминокислот, витаминов и гормонов — все эти производства основаны на применении микроорганизмов. Частью промышленной микробиологии можно считать: пищевую микробиологию, связанную с производством молочнокислых, алкогольных, заквашенных продуктов и хлеба;

- сельскохозяйственная микробиология имеет дело с проблемами, связанными с повышением плодородия почвы и урожайности растений. В последнее время активно развивается отрасль этой науки — получение трансгенных растений;

- экология микроорганизмов, бурно развиваясь в последнее время, вобрала в себя многие проблемы, которые раньше решали водная микробиология и геологическая микробиология;

- космическая микробиология решает задачи поиска жизни на других планетах, проблемы возможного загрязнения космоса земными микробами (спорами), развития микроорганизмов на космических кораблях и привнесения «космических пришельцев-микробов» на Землю;

Частная микробиология изучает отдельные группы микроорганизмов, опираясь на их систематику.

Медицинская микробиология подобна частной, но имеет дело с патогенными микроорганизмами, вызывающими болезни человека:

- санитарная микробиология является частью медицинской микробиологии, объекты исследования которой — эпидемиология и санитарный контроль окружающей среды (вода, воздух, почва) и пищевых продуктов;

- ветеринарная микробиология изучает проблемы эпидемиологии и здоровья сельскохозяйственных и диких животных.

Некоторые исследователи считают разделом микробиологии и вирусологию, однако в нашей стране традиционно проблемы разнообразия вирусов и изучения вирусных инфекций рассматривает наука вирусология.

Мир микроорганизмов во всем его разнообразии еще далеко не познан. Данные, полученные с помощью методов молекулярной биологии (амплификация, разделение и сиквенс генов, кодирующих 168 рРНК) в изучении распространения микроорганизмов, позволяют утверждать, что человек способен культивировать лишь менее 1 % всех микроорганизмов, живущих на Земле. Если скорость идентификации новых видов будет оставаться на современном уровне, то для описания и классификации всех животных понадобится 30 лет, всех растений — 50 лет, а всех микроорганизмов — 10 тыс. лет! В связи с этим перед микробиологами стоит задача ускорения выделения, идентификации и классификации новых, еще не открытых микроорганизмов, для скорейшего завершения познания биологического разнообразия микробов на Земле.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ОТКРЫТИЯ В МИКРОБИОЛОГИИ

Несколько лет назад ученые при попытке установить уровень радиоактивного загрязнения в глубине свалки ядерных отходов Саванна-Ривер открыли новый вид микроорганизмов, которые способы жить и размножаться в условиях повышенного радиоактивного загрязнения. Обнаружение этих микроорганизмов стало огромным прорывом в области микробиологии. Микроорганизмы–экстремофилы, как их назвали ученые, способны переносить огромные температуры и высокие дозы радиации. Учитывая их уникальные свойства, ученые планируют использовать микроорганизмы для очистки огромных хранилищ ядерных и химических отходов. Бактерии, которые были обнаружены в Саванна-Ривере, имеют круглые очертания, за что их стали называть радиотолерантными микробами Kineococcus (Приложение: рис. 1).

Удалось изучить 99% их генетического кода, однако до сих пор не известен механизм их живучести, так как радиация разрушает генетический код любого живо существа. Экстремофилы легко разрушают токсины, гербициды, хлорированные вещества и промышленные растворители в радиоактивной среде. В таких условиях даже кварцевое стекло принимает коричневый окрас. Возможно, эти бактерии попали на землю вместе с метеоритами и кометами, точный ответ до сих пор не может дать никто. Экстремофилы, которые обитают в природных условиях, поедают радиацию, но не химикаты. Бактерии, которые уничтожают и радиацию и химикаты, выведены только в лабораторных условиях. Исследователи надеются найти их аналог в природе, так как очень сложно предсказать, как поведут искусственные бактерии в природе, так как на данный момент известна только 1/100 от общего количества бактерий на нашей планете.

Интересное открытие сделали исследователи Американского микробиологического общества. Микробиологи утверждают, что достаточно известная бактерия Desulfitobacterium hafniense (Приложение: рис. 2) семейства Desulfitobacterium способна очищать сточные воды от нечистот и при этом вырабатывать электричество. Такая бактерия функционирует круглосуточно семь дней в неделю. Desulfitobacterium - это одноклеточные микроорганизмы размером от 0,5 до 3 мкм. У них только одна цитоплазматическая мембрана. Их повсеместная распространенность и метаболический потенциал играет огромную роль в природе. Так как они обеспечивают круговорот веществ в природе и поддерживают равновесие в биосфере. Микроорганизм Desulfitobacterium можно встретить на дне мирового океана, в горячих источниках, в воде, в земной коре и много где еще. Они выполняют роль продуцента.

Эти интересные открытия были обнародованы на 105-м Генеральном съезде Американского общества микробиологов. Чарльз Милликена из университета Южной Каролины заявил, что микроорганизмы семейства Desulfitobacterium в состояние производить электрическую энергию, мощность которой достаточна для функционирования не очень большого электрического устройства. Прибор на такой своего рода природной энергии может работать постоянно, лишь бы было «топливо» для бактерии. Бактерия поглощает различные виды растворителей, химикатов и даже может перерабатывать поливинилхлорированный бифенил. Это вещество способно за пару часов разрушить эндокринную и иммунную систему человека. У бактерий семейства Desulfitobacterium очень широкий диапазон метаболических процессов, поэтому бактерия может разлагать огромное количество органических и неорганических веществ.

Создан новый генетически модифицированный штамм лактобактерий. Микробиологи университета Гронингена (Германия), работающие под руководством профессора Оскара Куперса, создали новый генетически модифицированный штамм лактобактерий, осуществляющий ферментацию молочного сахара лактозы, но только до глюкозы. Это исключает необходимость добавления в молочную продукцию дополнительных подсластителей, а также значительно снижает содержание в ней лактозы, что делает продукты пригодными для употребления людьми, страдающими лактозной непереносимостью.

Бактерии Lactococcus lactis (Приложение: рис. 3) используются при производстве кисломолочной продукции. Удаление из генома бактерии генов, ответственных за метаболизм глюкозы, привело к появлению нового штамма, который не вызывает скисания молока, а, напротив, делает его слаще.

На настоящий момент главной проблемой внедрения этих бактерий в производство молочной продукции заключается в отношении потребителей к генетически модифицированным организмам, а также в официальных ограничениях на их использование. Однако разработчики считают, что бактериям, скорее всего, удаться преодолеть бюрократические барьеры, т.к. при их создании использовалась только собственная ДНК бактерии.

Бактерии и микроорганизмы, которые обитают на морских побережьях, способны колонизировать фрагменты полиэтилена. Они образуют на полиэтилене «биопленку», которая ускоряет разложение ядовитых химических элементов и пластика. Это открытие было официально представлено на конференции английского общества микробиологии. За последние десятилетия загрязнение вод Мирового океана полиэтиленом и пластиковым мусором достигло угрожающих масштабов и представляет собой весомую проблему морской экосистеме. Последние исследования показали, что в обычных условиях в водах мирового океана разлагаются легкая и тяжелая разновидность промышленного пластика. Процесс разложения сопровождается выделением токсичных веществ.

Исследования Марка Осборна из университета Шеффилда показали, что взаимодействие микроорганизмов, которые обитают в прибрежных водах морей и океанов, и пластика влечет за собой образование колоний микроорганизмов. Колонии микроорганизмов способны безопасно и быстро разлагать полиэтилен и пластик в океане. Бактерии и микроорганизмы играют огромную роль во всей экосистеме морей и океанов. Именно они способны разлагать токсичные и химические вещества. Именно этого мнения придерживается также ученый Джесси Харрисон. В природе постоянно происходит процесс уменьшения фрагментов пластмассы. Небольшие эти фрагменты, длинною не больше 5 миллиметров, могут попасть в организм рыб и млекопитающихся вместе с пищей.

Учеными производились опыты по выращиванию колоний бактерий на фрагментах пластика. Результаты опытов показали, что некоторые виды микроорганизмов и бактерий могут образовывать на поверхности пластика «биопленку», полностью покрывая его. «Биопленка», образовывающаяся на поверхности пластика, может разлагать не только пластик, но и содержащиеся в нем токсические отходы. Группа исследователей надеется в дальнейшем выяснить механизм взаимодействия микроорганизмов и полиэтилена. Это поможет выяснить проблему влияния полиэтилена и пластика на экосистему Мирового океана, а также возможность устранения этой проблемы.

Американские ученые провели первую в мире успешную операцию по пересадке целого генома от одного вида бактерий к другому. В результате микробы приобрели все свойства того вида, чей геном был им пересажен. Успех этого эксперимента — важный шаг на пути к созданию искусственных живых организмов.

Ученые из Института Крейга Вентера в течение последних 10 лет уверенно идут к великой цели — созданию искусственных микроорганизмов с заданными свойствами. Практическое значение этих работ может оказаться огромным. Генеральная идея состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый для жизнеобеспечения бактерии, добавить туда гены, кодирующие полезные функции (например, синтез водорода), искусственно синтезировать спроектированный геном и внедрить его в живую бактерию, собственный геном которой должен быть каким-то образом удален.

Работы ведутся в основном с бактериями рода Mycoplasma (Приложение: рис. 4). Это довольно обширная (около 180 видов) группа паразитических бактерий, вызывающих всевозможные болезни у растений, животных и человека. Микоплазмы обладают рядом уникальных свойств, которые делают их весьма удобным объектом для подобных исследований. Геномы микоплазм очень малы (от 600 до 1400 тыс. пар нуклеотидов) и хорошо изучены — на сегодняшний день полностью прочтены геномы 14 видов. В отличие от подавляющего большинства других бактерий с маленькими геномами, микоплазмы не являются облигатными внутриклеточными паразитами — они могут жить вне хозяйских клеток, поэтому их можно выращивать обычным образом на питательной среде. Правда, среда должна быть весьма богатой — микоплазмы очень требовательны в этом отношении, поскольку у них отсутствуют гены, необходимые для синтеза многих жизненно важных веществ. Наконец, у микоплазм нет жесткой клеточной стенки, характерной для подавляющего большинства бактерий. Клетки микоплазм окружены лишь тонкой и эластичной плазматической мембраной. Это сильно облегчает обмен наследственным материалом между клетками.

Изучая геномы микоплазм, Крейг Вентер и его коллеги уже очень близко подошли к пониманию того, что должен представлять собой «минимальный геном» будущих искусственных микробов. Синтез искусственных фрагментов генома уже налажен, синтез целого бактериального генома — дело недалекого будущего. Однако до сих пор никому не удавалось пересадить целый геном в живую бактериальную клетку. Отдельные фрагменты геномов пересаживают давно, и в этом ученым большую помощь оказывают имеющиеся у бактерий естественные механизмы для обмена генетическим материалом. Такой обмен в мире бактерий осуществляется тремя основными путями:

- конъюгация: две бактерии соединяются при помощи специальных белковых трубочек — пилей, и бактерия-донор передает бактерии-реципиенту часть своего генома;

- вирусная трансдукция: вирусы, переходя из одной клетки в другую, могут прихватывать с собой куски бактериального генома;

- естественная трансформация: иногда бактерия просто «всасывает» фрагменты ДНК из окружающей среды и, при определенных условиях, встраивает их в свой геном.

Однако во всех этих случаях речь идет о передаче лишь сравнительно небольших кусочков генома.

В одной из статей журнала Science - Крейг Вентер и его сотрудники сообщили о первой успешной трансплантации целого генома от одного вида бактерий другому. Сделано было следующее. Ученые выделили геном из бактерии Mycoplasma mycoides, которая вызывает тяжелую пневмонию у коров и может заражать других парнокопытных. Геном этого микроба, как и у большинства бактерий, представляет собой одну кольцевую молекулу ДНК. Геном был тщательно очищен от посторонних примесей, в том числе от белков, и добавлен в культуру бактерий Mycoplasma capricolum, возбудителей козьего полиартрита, которые поражают также коров и овец. Предварительно в геном M. mycoides были внесены особые метки — в том числе гены устойчивости к антибиотикам — чтобы легче было потом определить, успешно ли прошла трансплантация.

Спустя недолгое время среди клеток Mycoplasma capricolum появились бактерии с признаками Mycoplasma mycoides. По всем признакам это были самые настоящие M. mycoides. Ни генов, ни белков, характерных для исходного вида Mycoplasma capricolum, у них обнаружить не удалось. Всё это свидетельствует о том, что пересадка генома полностью удалась. Авторы не знают точно, как это произошло, но предполагают, что бактерии «проглатывали» чужую молекулу ДНК, и в первый момент в них, вероятно, содержались оба генома вместе. Когда такая клетка делилась, одна из дочерних клеток получала геном Mycoplasma capricolum, а другая — геном Mycoplasma mycoides. Последующая обработка антибиотиком уничтожила клетки первого типа.

Дальнейшие исследования покажут, можно ли проделывать подобную манипуляцию с другими бактериями-реципиентами и другими геномами. Не исключено, что вобрать в себя целый чужой геном способны только микробы, не имеющие клеточной стенки — в этом случае микоплазмы, скорее всего, и впредь останутся единственными объектами для таких экспериментов.

Израильские ученые обнаружили у микроорганизмов (кишечной палочки Escherichia coli и дрожжей Saccharomyces cerevisae) способность к опережающему реагированию, напоминающую классические Павловские условные рефлексы. Если в естественной среде обитания микробов один стимул часто предшествует другому, то микробы могут научиться реагировать на первый стимул как на сигнал, предупреждающий о скором появлении второго стимула. В отличие от собак Павлова, микробы приобретают свои «рефлексы» не путем обучения, а за счет мутаций и отбора в длинной череде поколений.

У организмов, лишенных нервной системы, в том числе у одноклеточных, способности к прижизненному обучению резко ограничены. Но это не значит, что они принципиально не способны к опережающему реагированию. Теоретически, они могут научиться предвосхищать события не хуже Павловских собак, но только не за счет прижизненного обучения, а за счет эволюции. Иными словами, вместо «обычной» памяти, которая записывается в структуре межнейронных связей, можно использовать память генетическую, записанную в ДНК. Благодаря гигантской численности популяций микробов, высокой скорости мутирования и очень быстрой смене поколений такое «эволюционное обучение» у микробов теоретически может быть вполне сопоставимо по своей скорости с «обычным» обучением у высших животных.

Как и в случае с собаками Павлова, необходимым условием для развития опережающего реагирования у микробов является известная степень предсказуемости среды. Если стимул А всегда или очень часто предшествует стимулу Б, и при этом природа стимула Б такова, что к нему лучше начинать готовиться заранее, то организм может научиться воспринимать стимул А как «предупреждение» о скором появлении стимула Б. В такой ситуации естественный отбор может поддержать мутации, которые позволят организму начать подготовку к стимулу Б в ответ на «предупреждающий» стимул А.

В экспериментах с кишечной палочкой авторы использовали в качестве стимула А присутствие в среде сахара лактозы, а в качестве стимула Б — присутствие другого сахара, мальтозы. Дело в том, что в ходе своего путешествия по пищеварительному тракту кишечная палочка сначала попадает в среду, где много лактозы, а затем оказывается в среде, где много мальтозы. Поэтому теоретически бактерия могла в ходе эволюции научиться воспринимать лактозу как сигнал, предвещающий скорое появление мальтозы.

Эксперименты полностью подтвердили это предположение. Оказалось, что в присутствии лактозы у бактерий активируются не только гены, необходимые для усвоения лактозы, но и гены, требующиеся для переваривания мальтозы. В присутствии мальтозы активируются только «мальтозные» гены. В среде, где нет ни одного из двух сахаров, обе группы генов остаются неактивными.

Таким образом, кишечная палочка в ходе эволюции действительно научилась воспринимать лактозу не только как пищу, но и как сигнал, предвещающий скорое появление мальтозы.

В жизни дрожжей, как и у кишечной палочки, некоторые изменения условий среды следуют друг за другом в строгом порядке, что создает предпосылки для развития опережающего реагирования. Когда дрожжевые клетки попадают в виноградный сок (в процессе изготовления вина) или просто на гниющую виноградину, то они сначала начинают быстро размножаться, осуществляя брожение — быстрое и весьма «неэкономное» переваривание сахаров без участия кислорода. В ходе брожения вырабатывается много тепла. Среда может так сильно разогреться, что это начинает угрожать жизни дрожжей. Справившись с тепловым шоком, дрожжи вскоре сталкиваются с новой опасностью, исходящей от накапливающегося в среде этилового спирта — побочного продукта брожения. Как и тепловой шок, высокая концентрация спирта требует от дрожжей определенной защитной реакции, то есть включения определенных генов. Вскоре наступает и третье «потрясение»: в среде заканчиваются пригодные для сбраживания сахара, и дрожжам приходится переключаться на более экономный, но и более опасный для них способ питания — на окисление органики при помощи кислорода. Иными словами, дрожжи начинают дышать. Для нас это единственно возможный вариант метаболизма, а для дрожжей — дополнительный и далеко не оптимальный, к которому дрожжи прибегают лишь в крайнем случае. В процессе дыхания в митохондриях дрожжей образуется много свободных радикалов — это ведет к оксидативному (окислительному) стрессу, с которым тоже нужно бороться путем включения специальных генов.

Таким образом, три стрессовых воздействия следуют друг за другом в строгом порядке: сначала тепловой шок, затем избыток спирта и, наконец, оксидативный стресс. Каждый последующий стресс может быть «предсказан» на основе предыдущих. Научились ли дрожжи использовать эту информацию? Серия экспериментов, проведенных авторами, позволила дать положительный ответ на этот вопрос. В каждом эксперименте дрожжи последовательно подвергались воздействию двух разных стрессоров. Авторы исходили из того, что если у дрожжей, как и у кишечной палочки, развилось опережающее реагирование, то «ранние» стрессоры (тепловой шок и спирт) должны помогать дрожжам заблаговременно подготовиться к «позднему» оксидативному стрессу. Обратного эффекта наблюдаться не должно или он должен быть гораздо слабее.

Таким образом, наличие у микроорганизмов способности к опережающему реагированию можно считать доказанным. При определенной степени предсказуемости изменений окружающей среды эволюция генно-регуляторных сетей может приводить к результатам, очень похожим на выработку условных рефлексов у животных, когда одно событие интерпретируется как предвестник другого. Пока остается открытым вопрос о том, насколько широко распространено такое «эволюционное обучение» в природе.

Американские ученые сумели вырастить бактерии, которые способны жить без фосфора — одного из базовых элементов жизни. Вместо фосфора эти бактерии используют мышьяк. Мышьяк является химическим аналогом фосфора, поэтому способен подменить фосфор в биохимических реакциях, идущих внутри клетки. Результаты этого эксперимента фантастичны. Если они подтвердятся, то перед нами первый пример живого существа, изменившего репертуар жизненно необходимых элементов.

Сам эксперимент состоял в следующем. Донный осадок из озера Моно поместили в пробирку со средой. Среда состояла из стандартного набора солей, витаминов, микроэлементов — за исключением фосфатов. Фосфора в раствор не добавляли. Предполагалось, что в этой среде будут размножаться бактерии, населяющие озерный осадок и, следовательно, уже адаптированные к высоким концентрациям мышьяка. Концентрацию арсенатов в течение 3 месяцев ступенчато увеличивали с 0,1 до 5 ммоль, то есть до уровня в 25 раз выше естественного для озера. При каждом новом повышении концентрации мышьяка в раствор пересевали пробу из старой пробирки и давали бактериям размножиться. Опять же, без фосфора.

Через три месяца проба из последней пробирки была перенесена на агар. И стало видно, что к этим сверхъядовитым условиям сумели приспособиться два вида бактерий, то есть выросли бактериальные колонии двух типов. Выбрали тот из них, где рост шел быстрее. Эти колонии, как оказалось, образовывала бактерия рода Halomonas. Выделенный штамм выращивали затем при разных концентрациях мышьяка без добавления фосфора, сравнив с ростом этой бактерии в нормальных условиях — без арсената, но с фосфором.

Самое удивительное, что в среде без фосфора бактерии продолжали размножаться, демонстрируя неплохие показатели роста. Средняя скорость роста, как подсчитали ученые, была всего в полтора раза ниже, чем у контролей с фосфором. Самое важное, что в среде без мышьяка и без фосфора клетки не росли совсем. Здесь стоит повторить, что клетки росли в среде, в которой фосфор обнаруживался лишь в следовых количествах, находящихся далеко за пределами жизненно необходимых концентраций этого элемента. Нехватку фосфора они восполнили мышьяком, оставшись при этом вполне жизнеспособными.

Теперь нужно было выяснить, куда всё же направлялся мышьяк, или, точнее, действительно ли мышьяк встраивался в биомолекулы. Так что нужно было еще доказать, что мышьяк участвует в построении клетки.

Как оказалось, мышьяк распределился в клетке примерно так, как должен быть распределен фосфор. Десятая часть мышьяка связался с нуклеиновыми кислотами, три четверти обнаружились в белковой фракции, остальное присоединилось к липидам.

Итак, перед нами совершенно исключительная бактерия. Она растет на среде без фосфора, но если фосфор вдруг появляется, то легко переключается на утилизацию фосфора. В условиях отсутствия фосфора молекулы ДНК, РНК, NADH, ацетил-кофермент-A она строит с помощью мышьяка.

Американские ученые из университета штата Орегон в городе Корваллис обнаружили в пещере Саус Айс в Каскадных горах бактерии, которые обитают в условиях, напоминающих марсианские. Как утверждают исследователи, бактерии живут в вечной мерзлоте и питаются оливином — минералом вулканического происхождения, залежи которого существуют на Луне и скорее всего, присутствуют и на Марсе.
          В ходе исследования, проведенного под руководством Мартина    Фиска из университета штата Орегон, ученые обнаружили, что некоторые лавовые трубки из оливина — полые каналы, оставленные потоками лавы — были покрыты пятнами, напоминающими следы бактерий, питающихся неорганическими веществами и углекислым газом. Ни один из известных науке микробов не питается оливином, поэтому ученые взяли несколько проб местных пород и попытались найти колонии бактерий в своей лаборатории.

          Биологи выделили 29 штаммов различных микроорганизмов. Ученые поместили бактерии в обычную питательную среду и оставили развиваться при комнатной температуре. Через некоторое время колонии бактерий выросли, и ученые приступили к экспериментам на выживаемость.
          В ходе первого эксперимента ученые подготовили колонии бактерий и поместил их в питательную среду, лишенную каких-либо органических веществ, но зато обогащенную раздробленным оливином. После этого испытания выжило лишь 11 штаммов бактерий: семь из них относились к бациллам из рода Pseudomonas, предпочитающих мягкий климат, а четыре остальных принадлежали к числу микробов-моржей из родов Brevundimonas и Acidovorax.
          Наиболее эффективным поглотителем оливина стала бактерия Pseudomonas species (Приложение: рис. 5), она предпочитает питаться органическими веществами в присутствии кислорода, однако при его отсутствии может переключиться на минеральное сырье в виде оливина и углекислого газа.

Ученые также проверили морозостойкость этого микроорганизма. Они поместили сосуды с колониями Pseudomonas в холодильные установки, поддерживающие стабильную температуру на уровне в 5 и 15 градусов Цельсия. Оказалось, что микроорганизм неплохо чувствует себя при низкой температуре и достигает пика своего роста при 15 градусах тепла. Такие условия могут существовать на небольшой глубине под поверхностью Марса.

Ученые Мичиганского университета выявили способность отдельных бактерий вырабатывать 24-каратное золото за счет противостояния токсичной среде.

Им, вместе с адъюнкт-профессором кафедры электронного искусства и электронных средств передачи информации Адамом Брауном, был обнаружен металлоустойчивый вид бактерий Cupriavidus metallidurans (Приложение: рис. 6), которые способны расти в сильноконцентрированном растворе хлорида золота, токсичном химическом соединении, встречающемся в природе.

В действительности, данный вид бактерий в 25 раз устойчивее, чем сообщалось ранее, используя комбинацию биотехнологии, искусства и алхимии, превращает хлорид золота в 24-каратное золото. Инсталляция представляет собой портативную лабораторию, состоящую из металлических элементов, покрытых 24-каратным золотом и наполненного бактериями стеклянного биореактора, способного производить золото прямо на глазах у зрителей.

Браун и Кашефи скармливают бактериям беспрецедентное количество хлорида золота, имитируя, по их мнению, процесс, который происходит в природе. За неделю бактерии, трансформируя токсины, способны произвести целый золотой самородок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Если фауна и флора нашей планеты хорошо изучены зоологами и ботаниками, микробиологам до сих пор известна только небольшая часть невидимого живого мира. Общепринятыми лабораторными методами, по мнению многих ученых, можно обнаружить не более 10-20% микробного населения планеты.

Исключительно важное значение приобретают исследования обмена веществ микроорганизмов, работы в области углубленного изучения физиологии, биофизики, биохимии микробов. Они важны для всех отраслей микробиологии.

Перед микробиологами стоит большая задача разработки микробиологических методов синтеза многих пищевых и физиологически активных веществ. Если со времен Пастера, основателя микробиологии, развивалась главным образом микробиология бродильной промышленности (виноделия, спиртовой, молочнокислой, уксуснокислой и др.), то в настоящее время начинает развиваться промышленность микробиологического синтеза. Ряд продуктов, получавшихся путем брожения с помощью микробов, теперь стал производиться чисто химическим путем из дешевого непищевого сырья (этилового спирта, бутилового спирта, ацетона и др.). Самые разнообразные микроорганизмы: дрожжи, грибы, актиномицеты, бактерии - способны синтезировать различные крайне необходимые вещества: белки, аминокислоты, антибиотики, ферменты, витамины, различные органические кислоты, стимуляторы роста, промежуточные продукты. Под воздействием микробов из более простых молекул даже непищевого сырья образуются вещества очень сложного состава.

Микроорганизмы являются наиболее простыми формами жизни. Поэтому они представляют собой весьма удобные модели для изучения многих проблем общей биологии, выяснения сущности явления жизни, овладения и управления жизненными процессами, в частности обменом веществ и наследственностью организмов. В настоящее время биологические науки не могут развиваться без изучения генетики, в частности генетики микроорганизмов. Успехи современной генетики в значительной степени зависят от того, насколько широко в генетических исследованиях используются микроорганизмы. На микроорганизмах можно изучать вопросы генетики на молекулярном (ДНК, РНК), субклеточном (фаги, вирусы) и клеточном (бактерии, грибы) уровнях.

Основными задачами управления жизнедеятельностью микробов в микробиологии являются: закономерное получение культур микробов с определенными, заранее заданными свойствами; максимальное увеличение продуктивности полезных микробов; полное обезвреживание и уничтожение возбудителей инфекционных заболеваний человека, животных и растений и других микробов, приносящих вред.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1. Kineococcus radiotolerans Рисунок 2. Desulfitobacterium hafniense

Рисунок 3. Lactococcus lactis Рисунок 4. Mycoplasma haemofelis

Рисунок 5. Pseudomonas species Рисунок 6. Cupriavidus metallidurans

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Микробиология А.А.Воробьев, А.С.Пашков М.: Медицина 2003 г.

2. Зильбер Л.А., Левкович Е.Н., Шубладзе А.К., Чумаков М.П. Архив биол. наук, 1938 г.

3. Жданова В.М., Гайдамович С.Я. Общая и частная микробиология Изд. Медицина, М., 1982 г.

4. Красникова Л.В.: Микробиология. - СПб.: Троицкий мост, 2012

5. Ивчатов А.Л.: Химия воды и микробиология. - М.: ИНФРА-М, 2011

6. Ставцева В.В.: Основы медицинских знаний. - Белгород: НИУ БелГУ, 2011

7. Воробьев А.А.: Медицинская и санитарная микробиология. - М.: Академия, 2010

8. Сомова Л.М.: Ультраструктура патогенных бактерий в разных экологических условиях. - Владивосток: Медицина ДВ, 2009

9. Воробьёв А.А.: Медицинская и санитарная микробиология. - М.: Академия, 2008

10. Жарикова Г.Г.: Основы микробиологии. - М.: Академия, 2008

11. Фурсова П.В.: Лимитирующие ресурсы и состав сообщества бактерий: эксперименты и модельный анализ. - М.: ГЕОС, 2008

12. Мурадова, Е.О.: Микробиология. - М.: Эксмо, 2007

13. Нетрусов А.И.: Общая микробиология. - М.: Академия, 2007

14. Поздеев О.К.: Медицинская микробиология. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007

15. Т.Ю. Колотова и др.; Рец.: Н.Я. Спивак, Г.А. Красников, И.Л. Дикий: Нестабильность генома и эпигенетическое наследование эукариот. - Харьков: Око, 2007

16. Гусев М.В.: Микробиология. - М.: Академия, 2006

17. Мальцев, В.Н.: Основы микробиологии и иммунологии. Курс лекций. - М.: Медицина, 2005

18. под ред. А.И. Нетрусова ; рец.: Н.С. Егоров, Ю.Д. Цыганков : Практикум по микробиологии. - М.: Академия, 2005

19. Фирсов Н.Н.: Микробиология. - М.: Дрофа, 2005

20. А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова; Рец.: Н.Б. Градова, Ю.Д. Цыганков: Экология микроорганизмов. - М.: Академия, 2004

21. А.А. Воробьёв, А.С. Быков, Е.П. Пашков: Микробиология. - М.: Медицина, 1998

22. Коротяев А.И.: Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. - СПб.: Специальная литература, 1998

23. Под ред.: Дж. Хаулта, Н. Крига, П. Снита и др. ; Пер. с англ. под ред. Г.А. Заварзина: Определитель бактерий Берджи. - М.: Мир, 1997

24. Под ред.: Дж. Хаулта, Н. Крига, П. Снита и др. ; Пер. с англ. под ред. Г.А. Заварзина: Определитель бактерий Берджи. - М.: Мир, 1997

25. Атлас Р.М.: Microorganisms in our World. - St. Louis: Mosbu, 1995

26. МГУ ; Авт.: Синицын А.П. и др. : Иммобилизованные клетки микроорганизмов. - М.: МГУ, 1994

27. РАН, ИЭГМ; сост.: И.Б. Ившина, Т.Н. Каменских, Я.Э. Ляпунов ; отв. ред. И.Б. Ившина; под ред. И.Б. Ившиной: Каталог штаммов региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов. - М.: Наука, 1994

28. Теппер Е.З.: Практикум по микробиологии. - М.: Колос, 1993

29. АН СССР, Всесоюзное микробиологическое о-во, Ин-т микробиологии; Редкол.: А.А. Имшенецкий и др. ; Рец.: Н.П. Львов, Е.Л. Рубан : Успехи микробиологии. - М.: Наука, 1989

30. Асонов Н.Р.: Микробиология. - М. : Агропромиздат, 1989

31. Кожевин П.А.: Микробные популяции в природе. - М.: Изд-во Московского университета, 1989

32. Чурикова В.В.: Основы микробиологии и вирусологии. - Воронеж: Воронежский ун-т, 1989

33. Лукомская К.А.: Микробиология с основами вирусологии. - М.: Просвещение, 1987

34. http://micro.moy.su

35. http://www.mikrobiki.ru

36. http://metallicheckiy-portal.ru

37. http://goldmaximum.ru

38. http://biologylib.ru