Принципы классификации микроорганизмов.

Лекция № 2.

СИСТЕМАТИКА И НОМЕНКЛАТУРА.

Первостепенным, безусловно, является вопрос принадлежности окружающего нас многообразия форм существования к живой или неживой материи. Именно с развитием биологии вообще и микробиологической науки в том числе, открытием ранее не известных форм жизни были выдвинуты некоторые установленные критерии, отличающие живую материю. К их числу относятся:

1. Способность к росту и размножению;

2. Обладание наследственностью и изменчивостью;

3. Подверженность эволюции ( прогрессивной и регрессивной );

4. Приспосабливаемость.

Все существующие классификации форм жизни крайне разнообразны и ни одна из них не является полной, всеобъемлющей и принятой повсеместно.

По новому высше­му уровню в иерархии классификации среди клеточных форм жизни различают 3 доме­на (или «империи»): «Bacteria», «Archaea» и «Eukarya»:

домен «Bacteria» — прокариоты, пред­ставленные настоящими бактериями (эубактериями);

домен «Archaea» — прокариоты, пред­ставленныеархебактериями;

домен «Eukarya» — эукариоты, клетки которых имеют ядро с ядерной оболочкой и ядрышком, а цитоплазма состоит из высокоорганизованных органелл — митохондрий, аппарата Гольджи и др. Домен «Eukarya» вклю­чает: царство Fungi (грибы); царство животных Animalia (включает простейшие — подцарствоProtozoa); царство растений Plantae.

Систематика живых организмов – одна из наиболее сложных задач биологии. Систематика концентрирует все основные достиже­ния науки – чем они более конкретны, тем более точна классифи­кация. Любая классификация живых организмов призвана пока­зать степень сходства и предполагаемой эволюционной взаимо­связи (при этом более высокие категории – ёмкие и широкие, а более низкие – конкретны и ограничены). Принципы классификации изучает особый раздел систематики – таксономия [от греч. taxis – расположение, порядок, + nomos – закон]. В рамках той или иной таксономичес­кой категории выделяют таксоны — группы организмов, объединенные по определенным однородным свойствам.

Все существующие классификации форм жизни весьма разнородны, ни одна из них не является полной, всеобъемлющей и принятой повсемест­но. Чёткие границы мира растений и мира животных рухнули после открытия микроорганизмов.

Для третьегоцарства жи­вых существ Эрнст Хеккель (1866) предложил собирательное назва­ние протисты [от греч. protistos – первейший]. Всех их отличает более простое, чем у животных и растений, строение клетки. Выс­шие протисты (грибы, водоросли и простейшие) – эукариоты [от греч. eu- – хороший, добротный +karyon – ядро] – имеют морфологи­чески обособленное ядро и митотически делятся, чем напоминают растительные и животные клетки. Более просто организо­ванную группу составляют прокариоты [от греч. pro- – предшеству­ющий + karyon – ядро] – бактерии и сине-зелёные водоросли, чьи клетки не имеют мембраны вокруг вещества ядра. Позднее предста­вителей микромира дополнили неклеточные формы жизни – виру­сы, плазмиды, вироиды и др.

Систематика микроорганизмов.

Естественная (филогенетическая) систематика микроорганизмов имеет конечной целью объединение родственных форм, связанных общностью происхождения, и установление иерархического соподчинения отдельных групп.

До настоящего времени отсутствуют единые принципы и подходы к объединению (или разделению) их в различные таксономические едини­цы, хотя для них пытаются использовать сходство геномов как общепринятый критерий. Очень многие микроорганизмы имеют одинаковые морфологические признаки, но различаются по строению геномов, родственные связи между ними часто бывают неясными, а эволюция многих просто неизвестна. Более того, краеугольное для каждой классификации понятие «вид» для бактерий до сих пор не имеет чёткого определения, а в ряде случаев истинное родство между бактериями может оказаться спорным, поскольку оно лишь отражает общность проис­хождения от одного далёкого предка. Такой упрощённый критерий, как размер, применявшийся на заре микробиологии, в настоящее время абсолютно неприемлем. Кроме того, микроорганиз­мы значительно различаются по своей архитектуре, системам биосинтезов, организации генети­ческого аппарата. Их разделяют на группы для демонстрации степени сходства и предполагае­мой эволюционной взаимосвязи. Базовый признак, используемый для классификации микроорганизмов – тип клеточной организации.

Искусственная (ключевая) систематика микроорганизмов, объединяющая организмы в группы на основе сходства их важ­нейших свойств.

Этихарактеристики применяют для определения и идентификации микроорганизмов. С позиций медицинской микробиологии микроорганизмы обычно подразделя­ют в соответствии с влиянием, которое они оказывают на организм человека: патогенные, условно-патогенные и непатогенные. Несмотря на очевидную важность этого утилитарного подхода, их систематика всё же основана на принципах, общих для всех форм жизни. Для
облегчения диагностики и принятия решений, касающихся ле­чения и прогноза заболевания, предложены идентификацион­ные ключи. Сгруппированные в таком ключе микроорганизмы не всегда находятся в филогенетическом родстве, но перечис­ляются вместе, поскольку обладают несколькими, легко выяв­ляемыми сходными свойствами. Разработаны разнообразные до­ступные и быстрые тесты, позволяющие, как минимум в общихчертах, идентифицировать выделенные от пациента микроорга­низмы. В отношении бактерий наибольшее распространение на­шли предложенные американским бактериологом Дэвидом Берджиподходы к систематизации, учитывающие один или несколько наиболее характерных признаков. «Определитель бактерий Берджи» – характерный пример искусственной систематики. Согласно его принципам, легко выявляемые свойства являются
основой для объединения бактерий в большие группы.

Род и выше.

Названия таксонов, имеющих ранг рода и выше, униноминальны (унитарны), то есть обозначаются одним словом, например Herpesviridae(семейство герпесвирусов).

Вид.

Названия видов биноминальны (бинарны), то есть обозначаются двумя словами – название рода и вида. Например, Escherichiacoli (кишечная палочка). Второе слово бинарного названия вида, взятое отдельно, не имеет статуса в номенклатуре и не может быть использовано для научного обозначения микроорганизма. Исключением выступают вирусы, видовые названия которых не бинарны, то есть включают только видовое название (например, вирус бешенства).

Инфравидовые таксоны.

Систематика бактерий включает также внутривидовые таксоны, названия которых не подчиняются правилам «Международного кодекса номенклатуры бактерий».

Подвид.

Названия подвидов триноминальны (тринарны); для их обозначения применяют слово подвид (subspecies) после видового названия, например Klebsiellapneumoniaesubsp.ozenae (палочка озены, где ozenae – название подвида).

Вариант.

Разнообразные механизмы изменчивости бактерий приводят к определённой не­стабильности признаков, совокупность которых определяет тот или иной вид. Поэтому в сис­тематике бактерий широко применяют понятие «вариант». Различают морфологические, биоло­гические, биохимические, серологические и многие другие варианты. В медицинской бактерио­логии обычно выделяют серологические варианты (серовары), варианты, устойчивые к антибиотикам (резистенсвары), бактериофагам (фаговары), а также варианты, различаю­щиеся по биохимическим (хемовары), биологическим или культуральным признакам (биовары).

Штамм и клон.

В микробиологии также применяют специализированные термины – «штамм» и «клон».

Штаммом [от нем. stammen – происходить] называют культуру микроорга­низмов, выделенную из определённого конкретного источника (какого-либо организма или объекта окружающей среды).

Клоном [от греч. klon – отводок] называют культуру микроорганизмов, по­лученную из одной материнской клетки.

Вироиды.

Вироиды [от virus и греч. eidos – сходство] – представляют собой мелкие кольцевые однонитевые суперспирализованные молекулы РНК (аналогичную организацию имеет геном вируса гепатита D). Поскольку у вироидов нет белковой оболочки, они не проявляют выраженных иммуногенных свойств, и поэтому их нельзя идентифицировать серологическими методами. Вироиды вызывают заболевания у растений.

Прионы.

Включены в царство Vira в качестве безымянного таксона.

Прионы [от англ. proteinaceousinfectious (particle), белковоподобная инфекционная (частица)] – белковые инфекционные агенты, при­водящие к развитию летальных неврологических заболеваний (губча­тых энцефалопатий). Прионовые белки выделены как инфекционное начало скрепи у овец, спонгиоформной энцефалопатии крупного рога­того скота («коровье бешенство»), а у человека – куру, болезни Кройтцфельдта-Якоба, синдрома Герстманна-Штройсслера-Шайнкера и фатальной семейной бессоницы. Прионы передаются инокуляционно или алиментарным путём не только между особями одного биоло­гического вида, но и между животными разных видов, в том числе между животным и человеком.

Нормальный прионовый белок – трансмембранный гликопротеин PrPC – кодируется одноимённым геном, функция этого связывающего медь гликопротеина неизвестна, его эк­спрессия нормально происходит в различных типах клеток. После трансляции матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) полипеп­тид PrPC подвергается α-спирализации, связывается с мембранами клеток и выполняет свои функции. Мутантные формы белка называ­ют скрепиизоформными белками (так как они впервые были выделены из нервных тканей овец, погибших от скрепи). У таких форм вместоα-спиралей образуют структуры, устойчивые к воздействию детерген­тов и протеаз и формирующие амилоидоподобные нерастворимые от­ложения.

Патогенез прионовых болезней связан с изменением характера укладки поли­пептидной цепи, то есть изменением конформации белка. В результате формируются конгломераты в виде палочек или лент размером 25~550 × 11 нм. Эти прионовые формы белков ус­тойчивы к кипячению, ультрафиолетовому (УФ) облучению, действию 70% этанола и формальдегида и сохраняются в тканях, фиксирован­ных 10% формалином. Попадая в здоровый организм человека или животного, патологические конформеры способствуют постепенному отложению амилоидоподобных структур, в состав которых входят и нормальные белки PrP^C.

Кислотоустойчивые бактерии.

Клеточная стенка некоторых бактерий содержит большое количество липидов и восков, делающих их устойчивыми к последующему после окрашивания обесцвечиванию кислотами, щелочами или этанолом (например, виды Mycobacterium или Nocardia). Подобные бактерии называют кислотоустойчивыми, их трудно окрашивать по Граму (хотя кислотоустойчивые бактерии рассматривают как грамположительные). Для их окраски применяют метод Циля-Нильсена.

Окрашивание по Граму или Цилю-Нильсену имеет диагностическую ценность в отношении бактерий, обладающих прочной клеточной стенкой. Они неприемлемы для окраски микоплазм (нет клеточной стенки) или спирохет (клеточная стенка тонкая и легко разрушается при окра­шивании). Для изучения последних применяют различные методы нанесения на их поверхность контрастных субстратов (например, серебрение).

Подвижность.

Важным дифференцирующим признаком является подвижность. В соответствии со способом передвижения выделяют скользящие бактерии, перемещающиеся за счёт волнообразных сокра­щений тела, и плавающие бактерии, движение которых обеспечивают жгутики или реснички.

Способность к спорообразованию.

Для классификации некоторых бактерий учитывают их способность к спорообразованию, размеры спор и их расположение в клетке.

Физиологическая активность.

Физиологическая активность является не менее важным отличительным признаком. Бакте­рии разделяют по способу питания, по типу получения энергии (дыхание, брожение, фотосин­тез), по отношению к рН с указанием пределов устойчивости и оптимума роста и т.д. Наиболее важным критерием считают отношение к кислороду.

Аэробные бактерии используют молекулярный О₂ в качестве конечного акцептора электро­нов в процессе дыхания. Большинство бактерий обладают связанной с мембра­ной цитохром-С-оксидазой, играющей ведущую роль в электрон-транспортной цепи. Для вы­явления фермента применяют оксидазный тест, основанный на способности бесцветного вещества NN-диметил-p-фенилендиамина приобретать при восстановлении малиновый цвет.

Анаэробные бактерии не утилизируют молекулярный О₂ в качестве конечного акцептора электронов. Подобные бактерии получают энергию либо в процессе брожения, где конечными акцепторами электронов служат органические соединения, либо при анаэробном дыхании, используя отличный от кислорода акцептор электронов (например, NO₃^¯, SO₄^2- или Fe³⁺).

Факультативные бактерии могут получать энергию либо в процессе дыхания, либо при брожении в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в окружающей среде.

Биохимические свойства.

Для дифференцировки бактерий изучают их способность ферментировать углеводы, образо­вывать различные продукты (сероводород, индол) или гидролизовать белки.

Антигенные свойства.

Антигенные свойства различных бактерий специфичны и связаны с особенностями строения клеточных структур, распознаваемых специальными антисыворотками как антигенные детерминанты. Типирование бактерий по антигенной структуре проводят в реакции агглютинации (РА), смешивая каплю антисыворотки с каплей бактериальной суспензии. При положительной реак­ции появляются отдельные агрегированные комочки в исходно однородной бактериальной сус­пензии. Выделяют следующие типы АГ:

• родоспецифичные, выявляемые у всех представителей конкретного рода, включая отдель­ные штаммы;

• видоспецифичные, выявляемые у отдельных видов и штаммов микроорганизмов;

• сероваро- (штаммо-) специфичные, выявляемые у представителей различных подгрупп (штаммов) внутри конкретного вида.

Химический состав.

Важный классификационный признак – суммарный химический состав бактериальных клеток. Обычно определяют содержание и состав сахаров, липидов и аминокислот в клеточных стенках.

Генетическое родство.

Для филогенетической классификации бактерий лучший и наиболее информативный показа­тель – генетическое родство. При систематизации бактерий на основании генетического род­ства учитывают ряд показателей.

• Способность обмениваться генетической информацией (например, в процессе трансформации или конъюгации), возможной только между организмами одного рода или вида.

• Состав оснований ДНК (отношение гуанин-цитозин :аденин-тимин).

• Сходство нуклеиновых кислот, выявляемое методом гибридизации.

• «Золотой стандарт» в определении степени родства среди бактерий – установление сходства в последовательности нуклеиновых кислот. Однако в результате обмена генетической ин­формацией генотип бактерий может существенно изменяться, поэтому подобный подход к систематике оказывается на практике неудобным.

Принципы систематизации бактерий в определителе Берджи. Определитель Бёрджи систематизирует все известные бактерии по нашедшим в практичес­кой бактериологии наибольшее распространение принципам идентификации бактерий, основан­ным на различиях в строении клеточной стенки и отношении к окраске по Граму. Определи­тель выделяет четыре основных категории бактерий — Gracillicutes[от лат. gracilis, изящ­ный, тонкий, +cutis, кожа] — виды с тонкой клеточной стенкой, окрашивающиеся грамотрицательно; Firmicutes [от лат. firmus, крепкий, + cutis, кожа] — бактерии с толстой клеточной стенкой, окрашивающиеся грамположительно; Tenericutes[от лат. tener, нежный, + cutis, кожа] — бактерии, лишённые клеточной стенки (микоплазмы и прочие представители класса Mollicutes) и Mendosicutes [от лат. mendosus, неправильный, + cutis, кожа] — архебактерии (метан- и сульфатредуцирующие, галофильные, термофильные и архебактерии, лишённые клеточной стенки). Описание бактерий даётся по группам (секциям), в состав которых включе­ны семейства, роды и виды; в некоторых случаях в состав групп входят классы и порядки. Патогенные для человека бактерии входят в небольшое число групп. Группа 1. Спирохеты. Включает свободноживущие и паразитические виды; для человека патогенны представители родов Treponema, Borrelia и Leptospira. Группа 2.Аэробные и микроаэрофильные подвижные извитые и изогнутые грамотрицательные бактерии. Патогенные для человека виды входят в роды Campylobacter, Helicobacter и Spirillum. Группа 3.Неподвижные (редко подвижные) грамотрицательные бактерии. Не содержит патогенные виды. Группа 4. Грамотрицательные аэробные и микроаэрофильные палочки и кокки. Патогенные для человека виды включены в состав семейств Legionellaceae, Neisseriaceae и Pseudomonadaсеае; в группу входят также патогенные и условно-патогенные бактерии родов Acinetobacter, Afipia, Alcaligenes, Bordetella, Brucella, Flavobacterium, Francisella, KingellaиMoraxella. Группа 5.Факультативно анаэробные грамотрицательные палочки. Группа образована тремя семействами — Enterobacteriaceae, VibrionaceaeиPasteurellaceae, каждое из которых включает патогенные виды, а также патогенные и условно-патогенные бактерии родов Calymmobacterium, Cardiobacterium, Eikenella, GardnerellaиStreptobacillus. Группа 6.Грамотрицательные анаэробные прямые, изогнутые и спиральные бактерии. Патогенные и условно-патогенные виды входят в состав родов Bacteroides, Fusobacterium, PorphyromonasиPrevotella. Группа 7.Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстановление сульфата или серы. Не включает патогенные виды. Группа 8.Анаэробные грамотрицательные кокки. Включает условно-патогенные бактерии рода Veillonella. Группа 9.Риккетсии и хламидии. Три семейства — Rickettsiaceae, Bartonellaceae и Chlamydiaсеае, каждое из которых содержит патогенные для человека виды. Группы 10 и 11.Включают анокси- и оксигенныефототрофные бактерии, не патогенные для человека. Группа 12.Аэробные хемолитотрофные бактерии и родственные организмы. Объединяет серо-, железо- и марганецокисляющие и нитрифицирующие бактерии, не вызывающие поражения у человека. Группы 13 и 14.Включают почкующиеся и/или обладающие выростами бактерии и бактерии, образующие футляры. Представлены свободноживущими видами, не патогенными для человека. Группы 15 и 16.Объединяют скользящие бактерии, не образующие плодовые тела и образующие их. Группы не включают виды, патогенные для человека. Группа 17.Грамположительные кокки. Включает условно-патогенные виды родов Enterococcus, Leuconostoc, Peptococcus, Peptostreptococcus, Sarcina, Staphylococcus, StomatococcusиStreptococcus. Группа 18.Спорообразующие грамположительные палочки и кокки. Включает патогенные и условно-патогенные палочки родов Clostridium и Bacillus. Группа 19.Споронеобразующие грамположительные палочки правильной формы. Включает условно-патогенные виды родов Erysipelothrix и Listeria. Группа 20.Споронеобразующие грамположительные палочки неправильной формы. В состав группы входят патогенные и условно-патогенные виды родов Actinomyces, Corynebacterium, Gardnerella, Mobiluncusи др. Группа 21.Микобактерии. Включает единственный род Mycobacterium, объединяющий патогенные и условно-патогенные виды. Группы 22-29.Актиномицеты. Среди многочисленных видов лишь нокардиоформные актиномицеты (группа 22) родов Gordona, Nocardia, Rhodococcus, Tsukamurella, Jonesia, OerskoviaиTerrabacterспособны вызывать поражения у человека. Группа 30.Микоплазмы. Патогенны для человека виды, включённые в состав родов Acholeplasma, MycoplasmaиUreaplasma. Остальные группы — метаногенные бактерии (31), сульфатредуцирующие бактерии (32), экстремально галофильные аэробные архебактерии (33), архебактерии, лишённые клеточной стенки (34), экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболизирующие серу (35) — не содержат патогенные для человека виды.

Кодекс названий грибов.

Кодекс названий грибов содержит положения, предусматривающие присвоение отдельных наименований совершенной (половой, или сумчатой) и несовершенной (бесполой, или конидиальной) стадиям. У многих грибов известны бесполые стадии (анаморфы) и неизвестны поло­вые стадии (телеоморфы). Поэтому кодекс разрешает давать различным стадиям (если тако­вые есть) различные названия. Например, половые формы дрожжевого гриба CryptococcusneoformansсероваровА и D систематизируют как Filobasidiellaneoformansvar. neoformans либо как Cryptococcusneoformansvar. neoformans. ТелеоморфысероваровВ и С — как Filobasidiellaneoformansvar. bacillisporaлибо как Cryptococcusneoformansvar. gatti.

Лекция № 2.

СИСТЕМАТИКА И НОМЕНКЛАТУРА.

Первостепенным, безусловно, является вопрос принадлежности окружающего нас многообразия форм существования к живой или неживой материи. Именно с развитием биологии вообще и микробиологической науки в том числе, открытием ранее не известных форм жизни были выдвинуты некоторые установленные критерии, отличающие живую материю. К их числу относятся:

1. Способность к росту и размножению;

2. Обладание наследственностью и изменчивостью;

3. Подверженность эволюции ( прогрессивной и регрессивной );

4. Приспосабливаемость.

Все существующие классификации форм жизни крайне разнообразны и ни одна из них не является полной, всеобъемлющей и принятой повсеместно.

По новому высше­му уровню в иерархии классификации среди клеточных форм жизни различают 3 доме­на (или «империи»): «Bacteria», «Archaea» и «Eukarya»:

домен «Bacteria» — прокариоты, пред­ставленные настоящими бактериями (эубактериями);

домен «Archaea» — прокариоты, пред­ставленныеархебактериями;

домен «Eukarya» — эукариоты, клетки которых имеют ядро с ядерной оболочкой и ядрышком, а цитоплазма состоит из высокоорганизованных органелл — митохондрий, аппарата Гольджи и др. Домен «Eukarya» вклю­чает: царство Fungi (грибы); царство животных Animalia (включает простейшие — подцарствоProtozoa); царство растений Plantae.

Систематика живых организмов – одна из наиболее сложных задач биологии. Систематика концентрирует все основные достиже­ния науки – чем они более конкретны, тем более точна классифи­кация. Любая классификация живых организмов призвана пока­зать степень сходства и предполагаемой эволюционной взаимо­связи (при этом более высокие категории – ёмкие и широкие, а более низкие – конкретны и ограничены). Принципы классификации изучает особый раздел систематики – таксономия [от греч. taxis – расположение, порядок, + nomos – закон]. В рамках той или иной таксономичес­кой категории выделяют таксоны — группы организмов, объединенные по определенным однородным свойствам.

Все существующие классификации форм жизни весьма разнородны, ни одна из них не является полной, всеобъемлющей и принятой повсемест­но. Чёткие границы мира растений и мира животных рухнули после открытия микроорганизмов.

Для третьегоцарства жи­вых существ Эрнст Хеккель (1866) предложил собирательное назва­ние протисты [от греч. protistos – первейший]. Всех их отличает более простое, чем у животных и растений, строение клетки. Выс­шие протисты (грибы, водоросли и простейшие) – эукариоты [от греч. eu- – хороший, добротный +karyon – ядро] – имеют морфологи­чески обособленное ядро и митотически делятся, чем напоминают растительные и животные клетки. Более просто организо­ванную группу составляют прокариоты [от греч. pro- – предшеству­ющий + karyon – ядро] – бактерии и сине-зелёные водоросли, чьи клетки не имеют мембраны вокруг вещества ядра. Позднее предста­вителей микромира дополнили неклеточные формы жизни – виру­сы, плазмиды, вироиды и др.

Принципы классификации микроорганизмов.

Базовой категориейлюбой биологической классификации, отражающей определённую стадию эволюции отдельной популяции организмов являетсявид.

Вид – совокупность особей с одинаковым фенотипом, дающих плодовитое потомство и обитающих в определённом ареале.

Для правильного понимания значения этого термина в классификации микроорганизмов необходимо знать различия видообразования между бактериями и высшими растениями и жи­вотными с обязательным половым размножением. Для видов последних характерно наличие популяций с относительно однородным набором генов, образовавшимся в результате перекрёст­ного скрещивания. Если отдельные части популяции изолировать друг от друга (например, географически), то вполне возможна их дивергентная эволюция. По прошествии определённого времени на географическую изоляцию накладывается физиологическая изоляция, приводящая к развитию отдельных частей популяции по собственному пути и образованию нового вида. В отличие от высших растений и животных, большая часть микроорганизмов не способна раз­множаться половым путём. Иными словами, у них отсутствуют механизмы, способные приво­дить к «прерывистому» видообразованию. В результате заполнения различных экологических ниш могут развиваться дивергентные эволюционные формы, но разница между ними обусловле­на лишь различиями между экологическими нишами. Таким образом, определение понятия вид, как его применяют для организмов с половым размножением, нельзя полностью применять в отношении микроорганизмов. В связи с этим понятие вид для них трактуется произвольно.