Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.

Предмет и задачи микробиологии: ее место и роль в современной биологии.

Микробиология (от греч. micros — малый, bios — жизнь, logos— наука) — наука о микроскопически малых существах, называемых микроорганизмами.

Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохимию, систематику, генетику и экологию микроорганизмов, их роль и значение в круговороте веществ, в экономике, патологиях человека, животных и растений.

К микроорганизмам относятся преимущественно одноклеточные организмы — бактерии, одноклеточные грибы и водоросли, простейшие, а также организмы с неклеточной организацией — вирусы. Однако предметом микробиологии служат главным образом бактерии, а также в общем плане организации рассматриваются вирусы.

Микроорганизмы в таксономическом отношении очень неоднородная группа, представители которой отличаются друг от друга морфологией, строением, физиологией, типом конструктивного и энергетического метаболизма, а также особенностями питания, но общим их признаком является малая величина особей. Так средние линейные размеры бактерий находятся в пределах 0,5 — 3,0 мкм, но есть среди бактерий свои «гиганты» и «карлики». В частности клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba (С.4) имеют диаметр до 500 мкм, длина спирохет (С.5) может быть до 250 мкм. Самые мелкие из известных бактерий — микоплазмы (С.6), имеющие диаметр клеток 0,1— 0,15 мкм. Подсчитано, что в клетке микоплазм содержится 1200 молекул белка и осуществляется около 100 ферментативных реакций. Очевидно, это и есть тот минимум, который способен обеспечить наиболее примитивный клеточный уровень жизни. Размеры дрожжей, мицелиальных грибов, простейших и водорослей находятся в пределах 10 — 100 мкм.

С.7

Особенности микроорганизмов:

Одной из наиболее существенных особенностей микроорганизмов является высокая пластичность их метаболизма, что приводит к легкости приспособления к меняющимся условиям окружающей среды. Указанное свойство также связано с их малыми размерами.

Другим следствием высокой пластичности метаболизма микроорганизмов и их малыми размерами является, по определению В.И. Вернадского, их «всюдность». Их можно обнаружить в арктических областях, в горячих источниках, высоких слоях атмосферы, в шахтах с высоким содержанием сероводорода т.д., чем они отличаются от практически всех растений и животных, которые часто распространены на отдельных континентах или в географических зонах.

Отличительным свойством микроорганизмов является также их способность к быстрому размножению. В оптимальных условиях, например, бактерия Escherichia coli могут делиться каждые 20 мин.

Таким образом, широкое распространение микробов свидетельствует об их значительной роли в природе и в жизни человека. Без преувеличения можно сказать, что не будь микробов, жизнь на Земле была бы невозможна либо существовала в какой-либо иной форме. Микроорганизмы обуславливают круговорот веществ в природе, осуществляют расщепление органических соединений и синтез белка. С помощью микроорганизмов происходят важные производственные процессы: хлебопечение, виноделие, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных веществ. Они играют важную роль в повышении плодородия почвы, образовании каменного угля и нефти и ряде других процессов, протекающих в природе.

(С.8)

В связи с такой огромной ролью, которую микробы играют в природе, велики и многообразны задачи микробиологии:

v изучение особенностей жизнедеятельности микроорганизмов с целью профилактики и лечения многих инфекционных заболеваний человека, животных и растений;

v выделение и освоение культивирования новых видов микроорганизмов, изучение их биологических свойств и способностей к синтезу физиологически активных веществ;

v изучение особенностей использования микроорганизмов для получения цветных и редких металлов;

v использования микроорганизмов для получения энергетического сырья (биогаза метана и др.), повышения прочности стройматериалов (бетона);

v решение проблемы обеспечения человечества продуктами питания; возобновление энергетических ресурсов; охраны окружающей среды.

Эти задачи не могли и не могут быть решены в пределах одной научной дисциплины, специалистами одного профиля. Поэтому в соответствии с запросами и нуждами практики происходила и происходит дифференциация микробиологии на самостоятельные научные дисциплины.

С.9

Методы исследования, применяемые в микробиологии:

1. Микроскопический – Сущность метода - изучение морфологических свойств микробов (форма, размеры, подвижность, наличие капсул и спор, грампринадлежность и др.) в препаратах-мазках и отпечатках при помощи микроскопии. 2. Микробиологический – Сущность метода – Изучение физиологических свойств микробов (питания, дыхания, роста и размножения) путем посева проб исследуемого материала на питательные среды, получение из смешанных микробных культур, а затем изучение их свойств (морфологических, культуральных, биохимических) с целью определения вида микроба. 3. Биологический – Сущность метода – Заражение различных лабораторных животных или растений с целью изучить патогенные и токсигенные свойства микробов, находящихся в исследуемом материале. 4. Серологический – Сущность метода – Изучение атигенных свойств чистой культуры путем постановки серологических реакций с целью определения вида микроорганизма. Для изучения морфологии микроорганизмов используется различные виды микроскопии: оптическая (самая простая, с использованием светового микроскопа), фазово-контрастная микроскопия(метод микроскопического исследования, основанный на получении с помощью специальных приспособлений контрастного изображения различающихся по плотности структур бесцветных прозрачных микрообъектов), люминесцентная микроскопия (метод наблюдения под микроскопом люминесцентного свечения микрообъектов при освещении их сине-фиолетовым светом или ультрафиолетовыми лучами). Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия. Лазеры сканируют флуоресцирующий окрашеный образец, и компьютер фокусирует свет, чтобы показать разные плоскости клетки. Это обеспечивает более четкое изображение, чем 3D другими методами световой микроскопии. Электронная микроскопия (основана том, что электромагнитное поле влияет на пучок электронов аналогично тому, как стеклянная линза действует на луч света. Соответственно и предельное разрешение электронного микроскопа на несколько порядков выше, чем у светового, и сего помощью можно достичь более эффективного увеличения). Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, англ, TEM - Transmission electron microscopy) — устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов. Ультратонким считается образец толщиной порядка 0.1 мкм. Прошедший через образец и провзаимодействующий с ним пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице). ТЕМ используется в основном для изучения структуры внутри клеток. Различные окраски и фиксирующих методы используются, чтобы выделить интересующие структуры.Сканирующая электронная микроскопия (позволяет получать трехмерные изображения поверхностной структуры микроскопических объектов различной величины),

Также для изучения морфологии микроорганизмов используется различные методы приготовления прижизненных и фиксированных препаратов, различные окраски структур бактериальной клетки. Для изучения физиологических, биохимических, генетических и др. особенностей микроорганизмов применяются методы физиологии, биохимии, генетики и молекулярной биологии.

С.10

В настоящее время микробиология дифференцировалась на ряд самостоятельных дисциплин: общую и частную микробиологии.

Общая микробиология изучает морфологию, физиологию, генетику и другие свойства микроорганизмов, их роль в превращении веществ в природе, образовании биологически активных соединений, широко применяемых в разных областях народного хозяйства. Она взаимосвязана с другими биологическими дисциплинами.

Предметом изучениячастной микробиологииявляются отдельные представители микромира в зависимости от проявления и влияния их на окружающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разделам микробиологии относятся:

медицинскую, ветеринарную, сельскохозяйственную, техническую (промышленную), водную (морскую), космическую и другие.

Медицинская микробиологияизучает патогенные для человека микроорганизмы: бактерии, вирусы, грибы, простейшие. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микробиология делится на бактериологию, вирусологию, микологию, протозоологию.

Бактериоло́гия — наука о бактериях, раздел более широкой научной дисциплины — микробиологии. Бактериологию делят на ряд самостоятельных отраслей.

Вирусология — раздел микробиологии, изучающий вирусы. Каждая из этих дисциплин рассматривает следующие вопросы:

Миколо́гия (от др.-греч. μύκης — гриб) — раздел биологии, наука о грибах.

Протозоология — раздел зоологии, изучающий одноклеточных животных простейших (амёба, инфузории и другие). Медицинская и ветеринарная протозоология изучают протозойные болезни, вызываемые некоторыми простейшими (плазмодии, трипаносомы, лейшмании и другие паразиты).

Каждая из этих дисциплин рассматривает следующие вопросы:

- морфологию и физиологию, т.е. осуществляет микроскопические и другие виды исследований, изучает обмен веществ, питание, дыхание, условия роста и размножения, генетические особенности патогенных микроорганизмов;

- роль микроорганизмов в этиологии и патогенезе инфекционных болезней;

- основные клинические проявления и распространенность вызываемых заболеваний;

- специфическую диагностику, профилактику и лечение инфекционных болезней;

- экологию патогенных микроорганизмов.

К медицинской микробиологии относят также санитарную, клиническую и фармацевтическую микробиологию.

Санитарная микробиологияизучает микрофлору окружающей среды, взаимоотношение микрофлоры с организмом, влияние микрофлоры и продуктов ее жизнедеятельности на состояние здоровья человека, разрабатывает мероприятия, предупреждающие неблагоприятное воздействие микроорганизмов на человека.

В центре внимания клинической микробиологиироль условно-патогенных микроорганизмов в возникновении заболеваний человека, диагностика и профилактика этих болезней.

Фармацевтическая микробиологияисследует инфекционные болезни лекарственных растений, порчу лекарственных растений и сырья под действием микроорганизмов, обсемененность лекарственных средств в процессе приготовления, а также готовых лекарственных форм, методы асептики и антисептики, дезинфекции при производстве лекарственных препаратов, технологию получения микробиологических и иммунологических диагностических, профилактических и лечебных препаратов.

Ветеринарная микробиологияизучает те же вопросы, что и медицинская микробиология, но применительно к микроорганизмам, вызывающим болезни животных.

Микрофлора почвы, растительного мира, влияние ее на плодородие, состав почвы, инфекционные заболевания растений и т.д. находятся в центре вниманиясельскохозяйственной микробиологии.

Морская и космическая микробиологияизучает соответственно микрофлору морей и водоемов и космического пространства и других планет.

Техническая микробиология,являющаяся частью биотехнологии, разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основа современной биотехнологии - генетическая инженерия.

С.11

Биотехнология – это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов и биологических процессов. Биотехнология существует уже много тысячелетий. Целенаправленное применение человеком в практике естественного биологического процесса относится к VI в. до н.э., когда в Вавилоне стали впервые приготавливать пиво. С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож и т.д., т.е. в отраслях, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 г. к нему вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов». Понятие биотехнология может быть представлено многими определениями:

• использование биологических объектов, систем или процессов для производства необходимых продуктов или для нужд сервисной индустрии;

• комплексное применение биохимических, микробиологических и инженерных знаний с целью промышленного использования потенциальных возможностей микроорганизмов, культур клеток и отдельных их компонентов или систем;

• технологическое использование биологических явлений для воспроизводства и получения (изготовления) различных типов полезных продуктов;

• приложение научных и инженерных принципов для обработки материалов биологическими агентами с целью получения необходимых продуктов или создания сервисных технологий.

Термин биотехнология включает составляющие «биос», «техне», «логос» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» – искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение). Таким образом, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека.

Объектами биотехнологии являются многочисленные представители разных групп живых организмов – микроорганизмы (бактерии, протисты, дрожжи и некоторые пасленовые грибы), растения, животные, а также выделенные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты.

Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т.д.).

С.12

Производство витаминов. Известно, что большинство пищевых продуктов содержит недостаточное количество витаминов, кроме того, они быстро разрушаются, поэтому необходима витаминизация продуктов питания. С помощью генетических манипуляций были получены штаммы микроорганизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В₂ и В₁₂), чем исходные виды.

Производство гормонов. Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез некоторых белков в промышленных количествах. Речь идет прежде всего о гормонах, необходимых для лечения генетических болезней человека, инсулине, интерфероне и гормоне роста – соматотропине.

В настоящее время идет этап молекулярно-биотехнологической революции. Формально началом можно считать 15 октября 1980 г.

15 октября 1980 г. на Нью-Йорской фондовой бирже произошло знаменательно событие: уже через 20 минут после начала торгов стоимость 1 акции биотехнологической компании Genentech поднялась с 35 до 89 $. Это был рекордный для того времени скачек цен на акции коммерческого предприятия. К моменту закрытия торгов в этот день, цена одной акции Genentech составляла 71,25 $ , а стоимость всех 528 000 акций была столь баснословно высока, что мелкие инвесторы, собиравшиеся приобрести небольшой пакет акций, не имели никаких шансов.

По-видимому, это был 1-й случай в истории, когда о начале революции возвестил биржевой колокол. В 1980 г., когда фирма Genentech впервые предложила обществу свои акции, это была не большая компания в Калифорнии, в течение 4 лет успешно работавшая над проблемой получения рекомбинантных ДНК(искусственно созданная человеком последовательность ДНК, части которой могут быть синтезированы химическим путём, с помощью ПЦР (полимеразная цепная реакция) или клонированы из ДНК различных организмов. Рекомбинантные ДНК могут быть трансформированы в клетки живых организмов в составе плазмид или вирусных векторов. Генетически модифицированные животные и растения обычно содержат рекомбинантные гены, встроенные в их хромосомы). Ученым компании удалось выделить фрагменты гена (последовательности ДНК), кодирующие человеческий инсулин, и перенести их в генетические элементы (клонирующие векторы), способные реплицироваться в клетках обычной кишечной палочки (E. coli). Эти бактериальные клетки работали как биологические фабрики по производству человеческого инсулина, который после соответствующей очистки мог использоваться как лекарственный препарат для больных диабетом, дающих аллергическую реакцию на свиной инсулин.

Головокружительный взлет стоимости акций компании Genentech предопределялся как реальной оценкой потенциала технологии рекомбинантных ДНК, так и мечтами о будущих возможностях. Прошло немногим более 15 лет, и многие наиболее разумные проекты стали реальностью.

Сейчас из 1 л суспензии бактерий можно получить более 20 мг инсулина, т.е. столько же, сколько извлекают почти из 2 кг поджелудочных желез 8 – 10 коров. Этого количества гормона достаточно для одного больного диабетом примерно на 100 дней.

С.13

Интерферон синтезируется в некоторых клетках животных и человека в ответ на вирусную инфекцию и способствует защите организма от этой инфекции. Поэтому лечение интерфероном применяют сейчас при многих вирусных болезнях, в том числе и при некоторых видах злокачественных образований.

Человеку помогает только интерферон человека, поэтому препарат начали получать из клеток его крови (альфа-интерферон лейкоцитов) и из культуры фибробластов (бета-интерферон). Эффективность производства интерферона таким способом была очень низка, поэтому стоил он очень дорого. Из 250 л крови, полученных от 500-1000 доноров, можно извлечь всего 0,5 мг чистого альфа-интерферона, что достаточно для лечения 50 легких больных или одного тяжелого. Лечение одного больного раком большими дозами интерферона обходится в США в 20-40 тыс. долларов. Поэтому, понятно, что усилия ученых были направлены на разработку способов получения интерферона генноинженерным путем. Полученный искусственным путем ген интерферона поместили в плазмиды, совместив его с бактериальным промотором. В итоге этой работы в СССР, например, был получен очень продуктивный штамм кишечной палочки: 1 л суспензии этих бактерий давал более 10 мг альфа-интерферона, т.е. в 5000 раз больше, чем получали из 1 л крови доноров.

С.14

Соматотропин, или гормон роста, синтезируется в передней доле гипофиза и содержит 191 аминокислоту. Этот гормон стимулирует рост детей. При наследственном отсуствии активного соматотропина ребенок остается карликом.

Ген соматотропина синтезировали искусственно, включили в плазмиду после бактериального промотора и перенесли в клетки кишечной палочки. Таким путем был налажен интесивный синтез соматотропина: 1 л суспензии таких бактерий производит за 7 ч столько гормона, сколько содержится в 60 гипофизах человека. Список производимых гормонов непрерывно пополняется, и их очередность определяется как практической важностью, так и готовностью науки создать необходимые продуценты.

Также, во время первой мировой войны в Германии в промышленных масштабах выращивали дрожи Saccharomyces cerevisiae, которые добавляли в колбасу и супы, компенсируя 60% довоенного импорта пищевых продуктов.

Важным этапом в развитии биотехнологии получения ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков. Отправной точкой здесь было открытие Флеминга, которое было подкреплено работами Флори и Чейна по промышленному получению пенициллина (1940 г).

С.15

Одним и важнейших направлений современной биотехнологии является использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т.п.). Например, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы Citrobacter, Zoogloea и др., способные накапливать уран, медь, кобальт. (С.16) Бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от ее примесей.

Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяются для удаления мазута с песчаных пляжей.

Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.

Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы концентрации бактериями ряда других ценных металлов – марганца, цинка, меди, хрома и др.

Наряду с грибами сапрофитные бактерии составляют группу редуцентов участвуя в круговороте элементов в природе. Благодаря им, вещества, утилизованные когда-то живыми организмами, высвобождаются и становятся доступными для последующих поколений. Происходит разложение трупов, выделений животных, различных растительных остатков.

Автотрофные бактерии участвуют в круговороте углерода. Решающее экологическое значение имеет способность некоторых бактерий к фиксации атмосферного азота. Они играют также важную роль в создании плодородия почвы, образовании гумуса.

Бактерии имеют важное значение в жизни людей. Полезные бактерии можно использовать для получения многих необходимых продуктов (масла, сыра, уксуса, различных солений, квашений и т.д.). Новые направления в биотехнологии пищевой промышленности – создание новых методов переработки и хранение пищевых продуктов, получение пищевых добавок, аминокислот, использование белка, синтезированного одноклеточными организмами и ферментов при переработке пищевого сырья. В мире с помощью микробиологического синтеза Corynebacterium glutamicum производится более 150 тыс. тонн глутамата натрия и 15 тыс. тонн лизина.

Бактерии играют важную роль в производстве антибиотиков (стрептомицина (образуется в процессе жизнедеятельности лучистых грибов Streptomyces globisporus streptomycini), тетрациклина, неомицина).

Есть и отрицательная сторона жизнедеятельности бактерий. Многие бактерии могут вызывать различные заболевания человека, животных, растений.

С.17

Например, серьезными заболеваниями человека, вызываемыми бактериями, являются туберкулез, холера, коклюш, скарлатина, дизентерия, дифтерит, столбняк.

К числу опасных заболеваний животных относятся отравления свиней и домашней птицы, вызываемые сальмонеллами.

К числу бактериальных заболеваний растений относятся корончатые галлы плодовых растений, бактериальный ожог яблонь и груш (уничтожающий все грушевые посадки), бактериальный вилт картофеля, томатов. Все эти болезни приводят к значительному урожаю.

Роль бактерий в развитии тех или иных инфекций была выяснена благодаря работам Л.Пастера и Р. Коха в XIX в. Этими учеными, а также Г. Риверсом разработан метод доказательства инфекционности некоторых заболеваний.

С.18

Патогенные микроорганизмы различаются по своим экологическим потребностям. Некоторые из них совершенно не встречаются во внешней среде (например, возбудитель сифилиса), другие долгое время могут находиться в почве или воде и лишь при заражении вызывают развитие болезни (например, возбудители столбняка, сибирской язвы, холеры). Инфицирование может осуществляться при непосредственном контакте с больным, воздушно-капельным путем с частицами слюны и мокроты, через воду, продукты питания, с частицами почвы, если последние попадают в раны (газовая гангрена) и т.д. По этой причине необходимо соблюдать элементарные нормы гигиены. Некоторые бактериальные и вирусные инфекции передаются посредством животных-переносчиков, которые получают инфекционное начало от организма-носителя. Например, естественным резервуаром бубонной чумы и сыпного тифа являются популяции серых крыс, а красные блохи переносят эти болезни на человека. Мухи являются переносчиками кишечных инфекций, таких как дизентерия, холера.

Благодаря тому, что микроорганизмы достаточно быстро размножаются, в благоприятных условиях частота заболеваний увеличивается в геометрической прогрессии. В этом случае эпидемия охватывает довольно значительную территорию. Известны эпидемии чумы и холеры в Древнем Египте, Греции, Риме, унесшие миллионы человеческих жизней. В XIV в. от чумы погибло практически все население Лондона. Если эпидемическое заболевание охватывает целые континенты, а количество заболевших исчисляется десятками и сотнями миллионов, в этом случае можно говорить о пандемии. Пандемический характер распространения имеет в настоящее время, например, туберкулез, а из вирусных инфекций – грипп Вирус A/H1N1 (С.19), синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

С.20