Микроорганизмы - объекты биотехнологии

 Рис. 14. Способы деления и синтез клеточной стенки у прокариот: А — деление путем образования поперечной перегородки; Б — деление путем перетяжки; В — почкование; Г — множественное деление: 1 — клеточная стенка (толстой линией обозначена клеточная стенка материнской клетки, тонкой — заново синтезированная); 2 — ЦПМ; 3 — мембранная структура; 4 — цитоплазма, в центре которой расположен нуклеоид; 5 — дополнительный фибриллярный слой клеточной стенки

Бинарное деление может происходить  в одной или нескольких плоскостях. В первом случае, если после деления  клетки не расходятся, это приводит к образованию цепочек палочковидных  или сферических клеток, во втором — к клеточным скоплениям разной формы. Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в результате лизиса среднего слоя клеточной стенки.

Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано размножение путем множественного деления. Оно начинается с предварительной репликации хромосомы и увеличения размеров вегетативной клетки, которая затем претерпевает ряд быстрых последовательных бинарных делений, происходящих внутри дополнительного фибриллярного слоя материнской клеточной стенки. Это приводит к образованию мелких клеток, получивших название баеоцитов 12, число которых у разных видов колеблется от 4 до 1000. Освобождение баеоцитов происходит путем разрыва материнской клеточной стенки. Таким образом, в основе множественного деления лежит принцип равновеликого бинарного деления. Отличие заключается в том, что в этом случае после бинарного деления не происходит роста образовавшихся дочерних клеток, а они снова подвергаются делению.

Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла репликации молекулы ДНК. Вероятно, репликация бактериальной хромосомы запускает какие-то процессы, ведущие к клеточному делению. Более детальное изучение у разных видов прокариот взаимосвязи между репликацией ДНК и делением клетки не привело к однозначным результатам. Получены данные о том, что сигналом к клеточному делению служит начало репликации ДНК, ее завершение или репликация определенного локуса бактериальной хромосомы. Таким образом, в норме существует вполне определенная временная связь между репликацией хромосомы и делением бактериальной клетки. Воздействия различными химическими веществами и физическими факторами, приводящие к подавлению репликации ДНК, останавливают и клеточное деление. Однако при некоторых условиях связь между обоими процессами может быть нарушена, и клетки способны делиться в отсутствие синтеза ДНК. Это удалось получить введением определенных мутаций в генетический аппарат бактериальной клетки.

Нарушить последовательность процессов  репликации бактериальной хромосомы  и клеточного деления также можно, выращивая бактерии при разной температуре. Культивирование Bacillus subtilis на богатой питательной среде при 37° приводит к интенсивному делению бактериальной хромосомы и росту клеток, в результате чего в культуре образуются нитевидные клетки, содержащие множество хромосомных копий с отсутствующими совсем или недосформированными (незамкнутыми) поперечными перегородками. При замедлении скорости роста наблюдается деление нитевидных клеток, приводящее к образованию бактериальных клеток нормальной длины.

Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами, липидами, полипептидами, полифосфатами, отложениями серы. Из полисахаридов в клетках откладываются гликоген, крахмал и крахмалоподобное вещество— гранулеза. Последняя — специфический запасной полисахарид анаэробных споровых бактерий группы клостридиев. Названные полисахариды построены из остатков глюкозы. В неблагоприятных условиях они используются в качестве источника углерода и энергии.

Липиды накапливаются в виде гранул, резко преломляющих свет и  поэтому хорошо различимых в световой микроскоп. Запасным веществом такого рода является полимер b-оксимасляной кислоты, накапливающийся в клетках  многих прокариот. У некоторых бактерий, окисляющих углеводороды, поли-b-оксимасляная кислота составляет до 70% сухого вещества клеток. Отложение липидов в клетке происходит в условиях, когда среда богата источником углерода и бедна азотом. Липиды служат для клетки хорошим источником углерода и энергии.

Другой широко распространенный тип  запасных веществ многих прокариот  — полифосфаты, содержащиеся в гранулах, называемых волютиновыми, или метахроматиновыми, зернами. Используются клетками как источник фосфора. Полифосфаты содержат макроэргические связи и, таким образом, являются депо энергии, хотя считается, что их роль как источника энергии незначительна.

Специфическим запасным веществом  цианобактерий являются цианофициновые гранулы. Химический анализ показал, что они состоят из полипептида, содержащего аргинин и аспарагиновую кислоту в эквимолярных количествах. Остов молекулы построен из остатков аспарагиновой кислоты, соединенных пептидными связями, а к ее b-карбоксильным группам присоединены остатки аргинина. Для синтеза цианофицина необходимы затравка, молекулы АТФ, ионы К+ и Mg2+. Процесс не закодирован в иРНК и не связан с рибосомами. Появление цианофициновых гранул при культивировании цианобактерий в среде с азотом и их исчезновение при истощении среды по азоту указывают на то, что они в клетке служат резервом азота, мобилизуемым при его недостатке в среде.

Для прокариот, метаболизм которых  связан с соединениями серы, характерно отложение в клетках молекулярной серы. Сера накапливается, когда в среде содержится сероводород, и окисляется до сульфата, когда весь сероводород среды оказывается исчерпанным. Для аэробных тионовых бактерий, окисляющих H2S, сера служит источником энергии, а для анаэробных фотосинтезирующих серобактерий она является донором электронов.

Обращает внимание, что все запасные вещества представлены в виде высокомолекулярных полимерных молекул, в ряде случаев  отграниченных от цитоплазмы белковой мембраной, т. е. находятся в осмотически неактивном состоянии. Это важно, так как в противном случае сосредоточение в цитоплазме большого числа молекул осмотически активных веществ оказало бы на клетку отрицательное действие.

2.    Представители бактерий  и их значение в природе  и хозяйственной деятельности  человека

Положительное значение бактерий молочнокислого брожения (гетеротрофных сапрофитов) используется при приготовлении  молочнокислых продуктов (творог, простокваша, масло, сметана), силосовании кормов, закваске капусты, засолке огурцов  и помидоров. Отрицательное значение состоит в порче продуктов.

Положительное значение бактерий уксуснокислого брожения (гетеротрофных сапрофитов) состоит в окислении спирта в  уксусную кислоту, которая применяется  для маринования, консервирования  плодов и овощей. Отрицательное значение состоит в порче продуктов.

Гнилостные бактерии (гетеротрофные  сапрофиты) могут играть положительную  санитарную роль по минерализации органических остатков. Отрицательное значение состоит  в порче продуктов. Во избежание  гниения применяют сушку, соление, маринование, стерилизацию, пастеризацию, засахаривание.

Болезнетворные бактерии (гетеротрофные  паразиты) вызывают инфекционные заболевания  человека, животных. Для борьбы с  ними применяют антибиотики, бактериофаги, прививки, а также организуют работу по ликвидации очагов заражения, закаливают организм, соблюдают правила санитарии  и гигиены организма.

Клубеньковые бактерии (гетеротрофные  симбионты) проникают в корни  бобовых растений (клевер, люпин, люцерна  и др.) и вступают с ними в симбиоз. В результате на корнях образуются опухоли — клубеньки, заполненные  бактериями, которые из атмосферного азота синтезируют азотистые  соединения для себя и растения-хозяина.

Роль микробов в природе и  жизни человека. Использование микробиологических процессов в промышленности и  сельском хозяйстве 

Микробиологические исследования находят широкое применение не только в микробиологии и др. областях биологии (например, в цитологии, генетике, биохимии, радиобиологии), но и в  медицине, сельском хозяйстве и др. Цель. — обнаружение микроорганизмов в воде, воздухе, почве, растениях, животных, отождествление (идентификация) микробов, изучение их свойств. С помощью исследований было выяснено значение микробов в круговороте веществ в природе, их многогранная роль в жизни растений, животных и человека.

Микробиологические исследования важны для диагностики, предупреждения и лечения инфекционных заболеваний, выяснения источников инфекции, механизма  её передачи и путей распространения, для контроля качества продуктов  питания. Микробиологические исследования микрофлоры воздуха, воды и почвы  вооружили гигиену многими методами санитарно-гигиенической оценки и  способствовали разработке мер её охраны и оздоровления.

Разработка наиболее рациональных приемов использования микробов в хозяйственной деятельности человека и сознательная селекция микробов стали  возможны только после разработки микроскопических методов изучения и выяснения  способов расселения и размножения  микроорганизмов.

Основная заслуга в успешном разрешении этих вопросов принадлежит  гениальному французскому ученому  Луи Пастеру (Pasteur, 1822-1895) , подлинному создателю научной селекции микробов, основанной на сознательном применении методического искусственного отбора и умелом использовании естественного отбора путем создания условий, в которых отбор действует в желательном для селекционера направлении. Дальнейшее усовершенствование селекции микробов тесно связано с достижениями генетики и использованием этих достижений в селекции.

Г. А. Надсон (1920) в результате ряда тщательно выполненных опытов еще  в 1920 г. показал, что ионизирующая радиация вызывает у грибов и бактерий стойкие  наследственные изменения. Он выделил  таким путем у Azotobacter chroococcum штаммы, отличающиеся повышенной способностью ассимилировать атмосферный азот.

В начале 40-х годов Бидл и Татум (Beadle & Tatum, 1941) , использовав ионизирующую радиацию для вызывания мутаций у микробов, получили у гриба Neurospora crassa значительное количество мутантов с измененным обменом веществ и повышенными требованиями к питательным веществам. Эти исследования привели к созданию биохимической генетики и оказали очень сильное влияние на усовершенствование селекции микробов.

В настоящее время в селекции микробов существуют три основных направления:

Селекция на повышение устойчивости к ядам, антибиотикам и на понижение  требований к составу питательной  среды; Селекция на повышение накопления полезных веществ; Селекция на повышение  требований к ростовым веществам.

3. Раскрыть свойства м/в как основных объектов биотехнологии и их применение

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.

Основой большинства современных  биотехнологических производств до сих пор все еще является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения.

Независимо от природы объекта, первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур организмов (если это микробы), клеток или тканей (если это более сложные организмы – растения или животные). Многие этапы дальнейших манипуляций с последними (т.е. с клетками растений или животных), по сути дела, являются принципами и методами, используемыми в микробиологических производствах. И культуры микробных клеток, и культуры тканей растений и животных с методической точки зрения практически не отличаются от культур микроорганизмов. Поэтому дальнейшие рассуждения целесообразно вести применительно к микробиологическим объектам.