Главная Онлайн сервисы Подвижные бактерии. Определение подвижности бактерий. Взаимодействие бактерий с антибиотиками

Подвижные бактерии. Определение подвижности бактерий. Взаимодействие бактерий с антибиотиками

Бактерии - крохотные существа, и многие считают, что они очень просто устроены. Конечно, каждая бактерия - это всего лишь одна клетка, у которой нет отдельных частей тела, вроде ног или рук, нет глаз и носа, нет даже клеточного ядра. Но каким-то образом бактерии выживают и умудряются процветать с такими, казалось бы, ограниченными размерами и возможностями, да к тому же находить целое множество оригинальных решений для облегчения собственной жизни. Например, чтобы двигаться - то есть влиять на свое положение в пространстве самостоятельно, а не дожидаясь попутного течения, - бактерии придумывают самые удивительные ухищрения. Конечно, вы уже наверняка слышали о жгутиках бактерий. А что такое твитчинг? И как можно сдвинуть себя с места с помощью сахаров? Давайте присмотримся к бактериям чуть ближе. И сразу обратим внимание на то, из чего бактерии собирают себе средство передвижения.

Белковая диета

Среди подвижных бактерий больше всего тех, кто для движения использует белковые молекулы. Как они их применяют? Многие бактерии синтезируют специальные белки, из которых собирают подвижную ниточку - жгутик (рис. 1). Жгутик состоит из трех частей - филамента (собственно нити), крюка и базального тела. Каждая из этих частей сложена из белков. У хорошо изученной бактерии - кишечной палочки - белки, образующие филамент, называют флагеллинами и обозначают буквами Flg, Fli, Flh (от латинского слова flagellum - жгутик). Флагеллины складываются в нить, которая с помощью крюка крепится к базальному телу. Базальное тело - это что-то вроде якоря, который прочно закреплен в клеточной оболочке и может свободно вращаться по часовой стрелке или против. У бактерий может быть один или несколько жгутиков.

Какие виды движения обеспечивает жгутик? Если бактерия находится в жидкой среде, то жгутик помогает ей плыть . Плавание - это самый быстрый способ передвижения. Причем, бактерия может неплохо управлять своим движением, меняя направление вращения базального тела: вращение базального тела по часовой стрелке толкает клетку в направлении от жгутика, а биения против часовой стрелки тянут клетку вслед за жгутиком.

А теперь представьте размахивание жгутиками на твердой поверхности, смоченной жидкостью. Бактерии будут не плыть, а расползаться в одной плоскости. Такое движение называется роением . Роение чаще бывает у бактерий, живущих в крупных колониях, - подвижные бактерии, находящиеся с краю, пытаются отодвинуться как можно дальше и основать свои собственные колонии.

Бактерии могут также создавать более короткие и просто устроенные нити, чем жгутики, - пили. Клетка может с помощью пили прикрепиться к чему-нибудь твердому, а потом подтянуться к месту крепления, разбирая эту нить, начиная от места крепления пили к клетке (рис. 2). Можно сказать, что клетка перемещается рывками. Подобный способ движения у одной клетки называется твитчинг (англ. twitch - дергать, тащить). А если так действует несколько скрепленных друг с другом бактерий, то они дружно скользят по твердой поверхности.

В оболочках клетки могут быть разнообразные белковые комплексы, например, обхватывающие клетку кольца из белков. Эти кольца крутятся, как гусеницы у гусеничного трактора, и помогают бактерии скользить по твердой поверхности. Такой способ подвижности есть у бактерии Flavobacterium johnsoniae .

У других бактерий есть белки, расположенные вдоль всей поверхности клетки. Эти белки создают продольные волны, и бактерия извивается и плывет в водной толще или скользит на твердом субстрате.

Очень многие микроорганизмы способны двигаться, но вот конкретный механизм или набор из нескольких механизмов у каждой специфичен. Поэтому, например, и говорят, что такое строение жгутика характерно для кишечной палочки, а у другой бактерии, тоже плывущей с помощью жгутика, все может быть устроено иначе - и ученые исследуют каждую бактерию по отдельности.

Как вы, наверное, заметили, пока что описанные способы движения позволяли бактерии плыть или скользить в зависимости от того, где она находится, - в жидкости или на твердой поверхности. Но скольжение может быть и единственным доступным способом передвижения.

Сахарный след

Многие бактерии выделяют наружу сахара. Смешиваясь с водой, сахара образуют слизь. Слизь облегчает движение клеток по твердой поверхности при использовании жгутиков.

Однако и сама слизь может быть источником движения. Представьте себе, что вы надуваете воздушный шарик. Внезапно шар вырывается из ваших рук и улетает под силой струи воздуха, резко выходящей из шарика. Подобным образом могут толкать себя и бактерии.

Бактерии вида Oscillatoria princeps (рис. 3, слева ) живут, объединяясь в длинные нити. Хотя каждая клетка представляет собой самостоятельный организм, они соединены вместе внешней прозрачной капсулой, которая тоже производится из сахаров. На клетках возле места их соединения друг с другом есть контактные поры, расположенные под углом к поверхности нити (рис. 3, справа ). Часть из них повернута к одному концу нити, другая половина к другому. Слизь подается в одном направлении и поступает в канал, образованный из белков на поверхности клеток. Канал оборачивается вокруг клеток по спирали, текущая по нему слизь запускает вращение клеток, и вся нить скользит по твердой поверхности, подобно штопору - такой способ движения называется «подвижность с помощью реактивной струи» .

Выделение сахаров из специальных пор или биение жгутиков - это активные способы передвижения клетки. Бактерия взаимодействует с окружающей средой и активно отталкивается от воды или твердой поверхности. Но существует и пассивная подвижность, когда изменения внутри клетки приводят к ее перемещению благодаря внешним силам, например, току воды.

Газовые баллоны

Бактерии могут изменять свою плавучесть, накапливая внутри атмосферный воздух. Воздух все время диффундирует в толщу воды, а бактерии могут специально отбирать и накапливать молекулы разных газов в специальном баллоне, сложенном из белка. Таким образом клетка меняет свою плотность, начинает весить меньше и всплывает, выталкиваемая архимедовой силой. Если бактерии затем нужно погрузиться обратно, она может избавиться от воздуха или накопить внутри себя тяжелые сахара.

В какую сторону плыть?

Чтобы оказаться в самых подходящих для себя условиях, многие бактерии передвигаются не случайным образом, а целенаправленно, приближаясь к какому-нибудь приятному для себя объекту (например, еде или свету) или отплывая как можно дальше от неприятного (например, молекул, выделяемых другими бактериями). Такое целенаправленное движение называется таксисом . Чтобы распознавать сигналы из внешнего мира, бактерия синтезирует специальные белки - рецепторы, которые располагаются у нее на поверхности. Каждый вид рецепторов реагирует на свой стимул - молекулы еды, свет и так далее. Обнаружив свой стимул, рецептор передает сигнал о нем внутрь клетки.

Но сигнал, передаваемый рецептором, говорит только о том, что желанный объект есть где-то рядом, но не сообщает, с какой именно стороны от бактерии он находится. И чтобы найти еду, бактерии приходится хитрить. Почуяв пищу, бактерия плывет несколько миллисекунд с помощью жгутика в случайном направлении. Если во время движения сигнал ослабевает, бактерия резко останавливается, вновь делает поворот и пробует плыть в другую сторону. Если в этот раз сигнал от пищи усиливается, то бактерия проплывает в эту сторону большее расстояние. Таким образом, почти что играя в «горячо-холодно», бактерия достигает цели (рис. 4).

Если у клетки нет жгутика, то двигаться целенаправленно ей куда труднее. Но и тут можно что-то придумать. Например, газовые баллоны внутри клетки смещают бактерию вверх и вниз, то приближая ее к поверхности водоема, кислороду и свету, то погружая на дно.

Микроигра

Попробуйте расшифровать четыре слова, связанных с микробиологией, прослеживая движение бактерий к еде.

Каждая бактерия начинает двигаться от буквы, на которую указывает исходящая от бактерии стрелка. Затем бактерия меняет направление движения, согласно маленькой черной стрелочке у буквы. Если бактерия приближается к еде (красная точка), то она проплывает три клеточки (по горизонтали, вертикали или диагонали напрямую), снова поворачивает согласно направлению стрелки на этой клеточке и так далее. Если бактерия плывет в противоположную от еды сторону, она сдвигается только на одну клеточку. Если движение скорее нейтрально, то бактерия проплывает две клеточки.

Все ли из найденных слов вам знакомы?

Литература

Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: учебник. Том 1. СПб.: Изд-во С.-Петерб. университета, 2007. - стр. 225, 320–330;
Нетрусов А.И. и Котова И.Б. Микробиология: учебник для студ. высш. учеб. заведений (3 изд.). М.: Издательский центр «Академия», 2009. - стр. 63–64;
Mark J. McBride. (2001). Bacterial Gliding Motility: Multiple Mechanisms for Cell Movement over Surfaces . Annu. Rev. Microbiol. . 55 , 49-75;
Загадка мужественного запаха ;
McLeod A. (2009). Bacteria for beginners . OoCities.org .

Для обывателя, не посвященного в таинства микробиологических исследований, весь процесс изучения микробов представляется сложным, специфическим и требовательным к качеству и количеству специального оборудования. Такое представление соответствует действительности только отчасти, поскольку вся сложность и специфичность построена на определенной микробиологической азбуке. Эта азбука состоит из описания методов изучения бактерий и других микроорганизмов, а также из порядка построения выводов по результатам проведенных исследований.

К общим положениям при изучении методов исследования микробов можно отнести порядок выбора того инструмента, которым будут производиться лабораторные анализы бактериальной клетки, и последовательность интерпретации тех выводов, на основании которых будут фиксироваться окончательные заключения по изучаемому микроорганизму.

Выбор метода изучения в первую очередь зависит от предмета исследований:

Если планируется изучить строение и морфологию клетки, ее ультраструктуру (составные структуры и компоненты) и установить наличие подвижности, используется два вида микроскопии: микроскопия бактериальных клеток в живом состоянии и в окрашенном виде.
Изучение метаболизма и ферментативной активности микроорганизмов производится путем посева выращенных колоний на дифференциально-диагностические питательные среды.
Определение чувствительности к антибиотикам производится методом диффузии в агар.
Изучение генетики микроорганизмов (их наследственности и изменчивости) осуществляется путем проведения перераспределительного теста, методом реплик и ряда других специализированных исследований.

Каждый из указанных методов имеет свои вариации исполнения, которые зависят от особенностей условия проведения анализа и от изучаемого материала.

Кроме того, есть масса узкоспециальных микробиологических экспериментов, которые позволяют определить те или иные особенности структуры или свойств бактериальной клетки.

Изучение морфологии и подвижности

Морфологическое исследование в основном направлено на идентификацию бактерий.

Изучение форм и выявление подвижности проводится методом микроскопирования живых бактерий.

Основные структуры микроорганизма анализируются в препаратах раздавленной или висячей капли. Это способ нанесения бульонного раствора с бактериальной культурой на предметное стекло.

Этот метод определения строения бактерии может проводиться путем наблюдений в «темном поле зрения».

Принцип эксперимента заключается в том, что исследователем создаются такие условия, когда микробные тела не освещаются напрямую, а отражают лучи света, что позволяет рассмотреть их основные структуры более подробно и в нативной (естественной) среде.

Анализ с использованием различных способов окрашивания предполагает, что окрашиваться будут убитые микробные клетки, поскольку они лучше окрашиваются.

Для проведения анализа необходимо осуществить несколько манипуляций:

Приготовить мазок исследуемого материала. В эту стадию входит работа с исследуемым материалом (кровь, мокрота и т.д.).
Высушивание и фиксация мазка химическим или физическим способом.
Выбор вида окрашивания (сложный или простой).

Простым способом бактериальные клетки окрашивают в большинстве случаев только для того, чтобы выявить в исследуемом материале присутствие микроорганизмов. Этот способ представляет собой окрашивание мазка метиленовым синим. Данный краситель окрашивает фон мазка на порядок слабее, чем клетки самих микроорганизмов.

Обнаружение основных структур бактериальной клетки осуществляется с использованием сложного окрашивания:

метод Грама (определение свойств клеточной стенки);
окраска на выявление спор;
окраска по Романовскому-Гимзе окрашивает в разные цвета основные структуры клетки;
выявление капсул по способу Гинса;
выявление зерен волютина (внутриплазматические гранулы, состоящие из неорганических полифосфатов), их присутствие указывает на наличие возбудителя дифтерии.

Исследование ферментативной активности и метаболизма

Исследование ферментативной активности и метаболизма бактериальных клеток начинается с подбора питательных сред, на которых изучаемые микроорганизмы смогут проявить нужные исследователю свойства.

Для приготовления питательных сред используются:

продукты животного происхождения;
продукты растительного происхождения;
органические и неорганические соединения определенного химического состава.

По своему составу питательная среда должна быть:

с подходящим для конкретного вида микроорганизмов уровнем рН (кислотностью);
с достаточным уровнем влажности, поскольку для бактерий важно состояние осмотического давления внешней среды;
изотоничной и стерильной.

После создания питательной среды осуществляется посев на нее биологического материала и выделение чистой культуры.

После выделения и идентификации чистой культуры изучаются ее биохимические свойства и ферментативная активность.

Для определения ферментативной активности бактериальной клетки выделенную культуру засевают на дифференциально-диагностические питательные среды, которые заранее созданы под выявление того или иного фермента.

Данные исследования позволяют определить основные свойства тех или иных микробов. Так, присутствие протеолитического или сахаролитического фермента – свидетельство наличия патогенных для человека, животных и растений свойств изучаемого микроорганизма.

Исследование чувствительности к антибиотикам

Исследование чувствительности микроорганизмов к антибиотикам осуществляется по принципу деления бактерий на чувствительных и устойчивых к воздействию антибиотиков.

Изучение этого свойства особенно важно для практической медицины, где постоянно необходимо исследовать инфицированный материал и подбирать антибиотики для лечения.

Ввиду того что микробы умеют быстро приспосабливаться к тому разрушающему воздействию, которое на них оказывают антибиотики, очень важно на начальных стадиях лечения определить, как будет воздействовать запланированный к лечению антибиотик и присутствует ли у исследуемого биологического материала чувствительность к планируемому способу антибактериального воздействия.

Для начала при помощи исследований патогенного материала определяют, какой микроб ведущий в очаге заражения (определение ведется, в том числе, и методом количественного подсчета).
Если установлен ведущий микроорганизм, то его чувствительность определяется путем диффузии в агар с применением бумажных дисков. Специально разработанные и выпускаемые бумажные диски заранее обработаны антибиотиками в нужной концентрации. Чувствительность к определенному антибиотику на бумажном диске определяется по замедленному росту колонии на соответствующих зонах диска и по разному окрашиванию дисков.

Кроме метода с использованием бумажных дисков, также для определения чувствительности бактерий к антибиотикам применяется способ стерильных разведений. Бульонные культуры микробов вносят в разведенные растворы антибиотиков. В процессе изучения микробов на чувствительность к антибиотикам пробирки инкубируют и выдерживают определенное количество времени.

Результаты исследования изучают по таблице чувствительности, где указаны исходные и конечные данные концентрации антибиотиков и биологического материала.

Исследование генетики бактерий

Генетика позволяет определить свойства наследственности и изменчивости конкретного микроорганизма. Изучение этих свойств очень важно, поскольку дает возможность понять механизм тех мутаций в генном коде, которые позволяют бактериям с такой невероятной скоростью и легкостью приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям.

Еще одной важной особенностью генетики бактерий является то, что ее принципы справедливы для всего органического мира. Изучив генетику бактерий, можно на молекулярном уровне установить все основные эволюционные законы.

Основной предмет изучения генетики бактерий – мутации (скачкообразное изменение наследственного признака).

Исследование мутаций происходит с использованием бактериофагов (вирусы бактерий, которые разрушают бактериальную клетку).

Вырабатываемая бактериями в результате мутаций устойчивость к фагам фиксируется разными методами:

флуктуационный тест;
перераспределительный тест;
метод реплик и т.д.

Изменение в генетике исследуемой бактерии фиксируется только тогда, когда приобретенной одной колонией свойство передается по наследству следующим поколениям.

Мутантов среди бактерий выявляют следующими методами:

прямой отбор (посев на специально подобранную селективную среду);
непрямое выявление, так называемый метод перепечатывания колоний с одной чашки Петри на другую до обнаружения прогнозированных мутантов;
пенициллиновый метод позволяет достаточно быстро выявить мутантов, поскольку вводимый исследователем пенициллин угнетает рост немутировавших клеток.

Исследование генетики бактерий производится с использованием новейшего оборудования, которое позволяет не только выявить изменения наследственности, но и на молекулярном уровне определить их природу.

Сегодня такие исследования генетики бактерий находятся в активной фазе. Микробиологи регулярно делятся зафиксированными новинками. О завершении исследований в этой области говорить пока еще очень рано.

Способностью к движению обладает примерно Уб часть бактерий. Это в основном многие палочковидные и все извитые формы бактерий. Неподвижными являются почти все шаровидные бактерии (кокки), более 50% палочковидных бактерий и ряд других.

Чаще всего движение осуществляется с помощью жгутиков (см. рис. 5) -тонких нитей толщиной 10-20 нм, состоящих из особого белка флагеллина. Длина жгутиков во много раз может превышать длину клетки. Жгутики (рис. 5.) прикрепляются к мембране с помощью двух пар дисков основания и через поры в ней и клеточной стенке выходят наружу. Скорость перемещения бактерий с помощью жгутиков высока (20- 60 мкм/с).

Рис. 5. Схема прикрепления жгутика: 1 - клеточная стенка; 2 - цитоплазматическая мембрана; 3 - мембрана жгутиков; 4 -диски основания; 5 - жгутики

Характер расположения жгутиков на поверхности клетки является одним из признаков классификации бактерий.

Их количество может быть от 1 до 100. Бактерии, имеющие один жгутик на конце клетки, называют монотрихами; с пучком жгутиков на одном или обоих концах клетки - лофотрихами; один жгутик на обоих донцах - амфитрихами. Бактерии, у которых жгутики покрывают всю поверхность клетки, называются перитрихами. Жгутики обеспечивают активное движение клеток только в жидкой среде, и при утрате жгутиков при старении или механическом воздействии клетки теряют способность к движению, но сохраняют жизнеспособность.

К подвижным формам относятся также спирохеты, некоторые нитчатые (многоклеточные) и другие бактерии, не имеющие жгутиков. Спирохеты могут передвигаться и в жидкой среде, и по твердому субстрату в результате волнообразных сокращений клетки. Нитчатые бактерии, цианобактерии и другие обладают скользящим типом движения по твердому и полутвердому субстрату.

Способность к движению позволяет бактериям переместиться в ту область среды, в которой условия для их роста и размножения (концентрация питательных веществ и кислорода в среде, освещенность и др.) наиболее оптимальны.

Бактерии, образующие жгутики – подви жны. Поэтому о подвижности бактерий можно судить но наличию

жгутиков.

Методы выявления подвижности:

1. Окраска жгутиков по Леффлеру.

2. Исследование интактной культуры:

а) метод "раздавленная капля" - на середину предметного стекла наносят каплю суточной культуры бактерий и осторожно накрывают ее предметным стеклом так, чтобы жидкость не растеклась за его края и в нее не попадали пузырьки воздух.

б) метод "висячая капля" каплю бактерий наносят на середину покровного стекла, накладывают на него специальное предметное стекло с углублением, смазанным вокруг вазелином так, чтобы капля находилась в центре лунки, затем препарат осторожно переварачивают.

11. Принципы систематики микробов. Систематическое положение микробов. Таксономические категории. Понятие и критерии вида.

Систематика устанавливает положение живых существ в органическом мире, а также разрабатывает принципы, методы, правила классификации, номенклатуры и идентификации микроорганизмов.

1) Монофилитический принцип - все живое от одного предка.

2) Генетический принцип - установление связи между организмами на генетическом уровне и их иерархии, деление на группы, связи между собой.

Подходы систематики : геносистематика, хемосистематика, феносистематика и др.

Номенклатура установление соподчинённости и связи между МБ.

Органический мир делится на : надцарства, царства, типы, классы, порядки, семейства, роды, виды,

Все таксоны до вида определяются одним словом, вид - бинарное название(первое слово родовое

название, второе - видовое), подвид три елова(род, вид, название подвида).

Реально существует только вид - совокупность свободно скрещивающихся популяций, происходящих от

одного предка, обладающих общим генофондом, экологическим единством и репродуктивной изоляцией.

Критерии вида :

а) морфологический; б) территориальные свойства(способность окрашиваться); в) биохимический, г)

серологический (антигенная структура); д) биологический; е) экологический, ж) географический

Классификация микроорганизмов:

I. надцарство Прокариот

1 царство бактерий

1.1. тип Скотобактерии

1.1.1. класс Бактерии

1.1.1.1. порядок Истинные бактерии

1.1 1.2 порядок Спирохеты

1.1.1.3 порядок Акгиномицеты

1.1.2. класс Рикетти

1.1.2.1. порядок Рикетти

1.1.2.2. порядок Хламидии

1.1.3. класс Моликутес

1.1.3.1. порядок Микоплазмы

II.надцарсгво эуокариот

III. Царство Вирусов

1. царство Грибов

2.царство Простейшие.

По классификации Берджи царство Прокариот делится на четыре отдела:

1. Gracilicutes-тонкостенные, грамотрицательные

2. Firmicutes - толстостенные, граммположительные

3. Tenericutes лишены клеточной стенки(сюда включены микоплазмы)

4. Mendosicutes - архебактерии, стенки дефектные, лишены пептидогликана, особенности строения рибосом, мембраны и РНК.

Подвижности бактерий важный видовой признак и производиться при диагностических исследованиях: результат учитывают при идентификации микроорганизмов. У подвижных видов способность самостоятельного поступательного (и вращательного) движения обусловлена наличием жгутиков - специальных тонких нитевидных образований. Жгутики бывают различной длины.

Их диаметр настолько мал, что они невидимы в световом микроскопе (менее 0,2 мкм). У разных групп бактерий количество и расположение жгутиков неодинаково. Жгутики плохо воспринимают красители. Методы сложной окраски искажают подлинный вид жгутиков, поэтому в лабораториях окраску жгутиков не осуществляют, а исследуют бактерии в живом состоянии. В зависимости от расположения и количества жгутиков микробы подразделяют (рис. 3):

а) монотрихи - микроорганизмы, имеющие на одном из полюсов один жгутик, движения активные, поступательные (псевдомонас);

Рис. 3. Типы расположения жгутиков у бактерий

б) лофотрихи - микробы, имеющие на одном из полюсов пучок жгутиков (листерии);

в) амфитрихи - микробы, имеющие жгутики на обоих полюсах микробной клетки;

г) перитрихи - микробы, у которых жгутики расположены по всей поверхности клетки(E.coli).

Есть виды микроорганизмов, обладающие подвижностью, но жгутиков не имеют (спирохеты, лептоспиры). Их движение обусловлено импульсивными сокращениями двигательного фибриллярного аппарата микробной клетки. Жгутики бывают различной длины.

Для определения подвижности у бактерий необходимо использовать культуру не старше суточного возраста, так как старые культуры утрачивают способность передвигаться.

Определение подвижности бактерий методом «висячая капля». Каплю молодой (18-20 часовой) бульонной культуры бактерий бактериологической петлей наносят на покровное стекло. Специальным предметным стеклом с углублением (луночкой) накрывают каплю культуры так, чтобы покровное стекло с каплей находилось в центре луночки и прилипло к предметному стеклу (края луночки предварительно слегка смазывают вазелином). Препарат перевертывают стеклом вверх, и капля «повисает» над луночкой (рис. 8). Препарат микроскопируют при затемненном поле зрения, сначала при малом, затем при среднем или большом увеличении. На светлом фоне микробы темно-серые.Методом Шукевича. Для этого каплю микробной взвеси наносят в конденсат скошенной плотной питательной среды в пробирке. Подвижные микроорганизмы, передвигаясь из конденсата, растут на поверхности среды; неподвижные виды размножаются только в конденсате среды («не заходя» на поверхность агара).

Метод «раздавленная капля». Каплю бактериальной взвеси наносят на обычное предметное стекло, осторожно накрывают покровным стеклом и слегка придавливают пальцем. Микроскопию проводят, так же как и в методе «висячая капля».