Микробиология XXI века
Преподаватель высшей категории
ОП 06 Основы микробиологии иммунологии
Ломакина М.И.
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. На пороге 21 века микробиология, вирусология и иммунология представляют одно из ведущих направлений биологии и медицины, интенсивно развивающееся и расширяющее границы человеческих знаний.
Иммунология вплотную подошла к регулированию механизмов самозащиты организма, коррекции иммунодефицитов, решению проблемы СПИДа, борьбе с онкозаболеваниями.
Создаются новые генно- инженерные вакцины, появляются новые данные об открытии инфекционных агентов — возбудителей “соматических” заболеваний (язвенная болезнь желудка, гастриты, гепатиты, инфаркт миокарда, склероз, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.).
Появилось понятие о новых и возвращающийся инфекциях. Примеры реставрации старых патогенов- микобактерии туберкулеза, риккетсии группы клещевой пятнистой лихорадки и ряд других возбудителей природноочаговых инфекций. Среди новых патогенов- вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), легионеллы, бартонеллы, эрлихии, хеликобактер, хламидии. Наконец, открыты вироиды и прионы — новые классы инфекционных агентов.
СОВРЕМЕННЫЕ ОТКРЫТИЯ В МИКРОБИОЛОГИ
1.Экстремофилы
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 (Кинеококк). 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.
2. Десульфитбактерии
Интересное открытие сделали исследователи Американского микробиологического общества. Микробиологи утверждают, что достаточно известная бактерия Desulfitobacterium hafniense (Десульфитобактерия гафниенс) семейства Desulfitobacterium (Десульфитобактерия) способна очищать сточные воды от нечистот и при этом вырабатывать электричество. Такая бактерия функционирует круглосуточно семь дней в неделю. Desulfitobacterium (Десульфитобактерия) – 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.
3. Cupriavidus metallidurans
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, 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.
4. Brucella amazoniensis (Бруцелла амазонская)
Бруцеллез - хорошо известное зоонозное заболевание. Бактерии из рода Brucella (Бруцелла) используют в качестве хозяев различных животных, таких как козы, коровы, свиньи и северные олени. Во Французской Гвиане новый вид бруцелл был выделен от двух пациентов, у которых наблюдались симптомы лихорадки, боли в пояснице и утомляемость. Выделенный штамм получил название Brucella amazoniensis и является близким родственником Brucella suis, которая обычно обитает в организме свиней, северных оленей, собак и зайцев. Если у собак и свиней Brucella suis может вызывать артрит, боли в суставах и даже аборт, то у людей она приводит к лихорадке и увеличению селезенки.
Оба инфицированных пациента были золотодобытчиками, проживали в тропических лесах Амазонки и, по их словам, охотились и ели диких животных. Предполагается, что через них они и заразились патогенами. После терапии, сочетающей рифампин, доксициклин и гентамицин, оба пациента были очищены от патогенов и полностью выздоровели.
Искусственные микроорганизмы
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(Микоплазмы). 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 (Микоплазма микоидес), 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.
Бактерии пещеры Саус Айс
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.
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. Микробиология 21 века представляет собой динамично развивающуюся область науки, которая значительно изменилась благодаря достижениям в технологии и методах исследования. В заключение, микробиология 21 века — это не только изучение микроорганизмов, но и интеграция знаний из различных областей науки для решения сложных задач современности. Будущее этой дисциплины обещает быть многообещающим, с потенциалом для значительных изменений в медицине, экологии и промышленности.
Литература:
«Санитарная микробиология», Госманов Р. Г., Волков А. Х., Галиуллин А. К., Ибрагимова А. И., издательство «Лань», 2025..
«Микробиология, микология и основы иммунологии», Маннапова Р. Т., издательство «Проспект», 2023.
«Основы микробиологии, вирусологии, иммунологии», Сбойчаков В. Б., Москалёв А. В., Карапац М. М., Клецко Л. И., издательство «КноРус», 2023.
«Основы микробиологии, вирусологии, иммунологии (для специалистов в сфере прикладной эстетики)», Сбойчаков В. Б., издательство «КноРус», 2023.
«Микробиология для медицинских специальностей», под ред. Земскова А. М., Земсковой В. А., Земскова В. М., Зверева В. В., Несвижского Ю. В., Мамчика Н. П., Грошевой Е. С., Золоедова В. И., Афанасьева С. С., издательство «КноРус», 2020
4 513
12 579 
