1.6: Основні принципи мікробіології

Цілі навчання

• Опишіть номенклатуру, яка використовується для класифікації мікроорганізмів
• Оцініть зростання мікроорганізмів
• Оцініть структуру мікроорганізмів
• Опишіть класифікацію мікроорганізмів

Мікроорганізми - це найдрібніші живі істоти, які занадто малі, щоб їх можна було побачити неозброєним оком. До групи належать бактерії, гриби, найпростіші, мікроскопічні водорості. До його складу входять і віруси. Більшість мікроорганізмів допомагають підтримувати баланс живих організмів і хімічних речовин в навколишньому середовищі. Морські та прісноводні мікроорганізми складають основу харчового ланцюга в океанах, озерах та річках. Грунтові мікроби допомагають розщеплювати відходи та включати газ азоту з повітря в органічні сполуки; тим самим переробляючи хімічні елементи між ґрунтами, водою, життям та повітрям. Деякі мікроби відіграють важливу роль у фотосинтезі, процесі виробництва їжі та кисню, що має вирішальне значення для життя на землі. Людина і тварини на землі залежать від мікробів в їх кишечнику для травлення і синтезу необхідного для життя матеріалу.

Мікроорганізми мають комерційне застосування. Вони використовуються в синтезі хімічних продуктів, таких як вітаміни, органічні кислоти, ферменти, спирти та інші препарати. Харчова промисловість використовує мікроби для виробництва оцту, квашеної капусти, соління, соєвого соусу, сиру, йогурту, хліба та алкогольних напоїв. Крім того, ферментами мікробів тепер можна маніпулювати, щоб змусити мікроби виробляти речовини, які вони зазвичай не синтезують, включаючи целюлозу, травні засоби та очищувач стоків, а також важливі терапевтичні речовини, такі як інсулін. Мікробні ферменти також допомогли виробляти джинси.

Меншість мікроорганізмів - патогенні, що виробляють захворювання. Тому практичні знання мікробів необхідні для міцного здоров'я. Мікроорганізми зустрічаються практично скрізь, і їх слід вивчати, щоб зрозуміти природу і навколишнє середовище.

Номенклатура

Система номенклатури мікроорганізмів розщеплюється на прокаріотичні клітини і еукаріотичні клітини. Бактерії та архей називають прокаріотичними клітинами, а гриби та найпростіші - еукаріотичними клітинами. Бактерії - прості одноклітинні організми. Оскільки їх генетичний матеріал не укладений в ядерну мембрану, бактеріальні клітини називаються прокаріотами. Археї ще називають прокаріотами.

Бактеріальні клітини зазвичай з'являються в одній з декількох форм. Бацили паличкоподібні, коки яйцеподібні, а спірохети спіральні, штопорні або вигнуті. Ці форми є одними з найпоширеніших фігур, які зустрічаються. Окремі бактерії можуть утворювати пари, ланцюги, скупчення або інші угруповання, такі освіти зазвичай характерні для конкретного роду або виду.

Бактерії укладені в клітинні стінки, які значною мірою складаються з вуглеводного і білкового комплексу, званого пептидогліканом. Бактерії зазвичай розмножуються діленням на дві рівні клітини. Цей процес називається двійковим діленням. Для харчування більшість бактерій використовують органічні хімічні речовини, які в природі можуть бути отримані з мертвих або живих організмів. Деякі бактерії можуть виробляти свою їжу за допомогою фотосинтезу, а деякі бактерії можуть отримувати харчування з неорганічних речовин. Багато бактерій можуть переміщатися за допомогою придатків, званих джгутиками.

Археї складаються з прокаріотичних клітин. Однак у них є клітинні стінки, яким не вистачає пептидоглікану. Археї часто зустрічаються в екстремальних середовищах, і вони діляться на три первинні групи. Метаногени виробляють метан як продукт життєдіяльності при диханні. Екстремальні галофіли живуть у надзвичайно солоних середовищах, таких як Велике Солоне озеро та Мертве море. Екстремальні термофіли живуть у гарячій сірчистій воді, такій як гарячі джерела в Єллоустонському національному парку. Археї, як відомо, не викликають захворювання у людини.

Гриби - еукаріоти. Це організми, клітини яких мають чітке ядро, що містить генетичний матеріал клітини, оточене спеціальною оболонкою, званої ядерною мембраною. Організми в цьому царстві можуть бути одноклітинними або багатоклітинними. Гриби не можуть здійснювати фотосинтез. Справжні гриби мають клітинні стінки, що складаються з хітину. Одноклітинні гриби - дріжджі. Вони являють собою овальні мікроорганізми, які більші за бактерії. Грибки розмножуються статевим і безстатевим шляхом. Вони отримують поживні речовини, поглинаючи їх із навколишнього середовища, такого як ґрунт, морська вода, прісна вода або господар тварини чи рослини.

Найпростіші - одноклітинні еукаріотичні мікроби. Найпростіші рухаються псевдоногами, джгутиками або віями. Амеби рухаються за допомогою розширень їх цитоплазми під назвою псевдоподи. Інші найпростіші мають довгі джгутики або численні коротші придатки для пересування, які називаються віями. Найпростіші мають різноманітні форми і живуть як вільні сутності або як паразити, які поглинають або поглинають органічні сполуки з навколишнього середовища. Деякі найпростіші, такі як Еуглена, є фотосинтетичними. Вони використовують світло як джерело енергії, а вуглекислий газ як головне джерело вуглецю для отримання цукрів. Найпростіші можуть розмножуватися статевим або безстатевим шляхом.

Водорості - фотосинтезуючі еукаріоти з різноманітними формами і статевими і безстатевими репродуктивними формами. Водорості, що представляють інтерес для біологів, одноклітинні. Клітинні стінки багатьох водоростей складаються з вуглеводів під назвою целюлоза. Водорості рясні в прісноводній і солоній воді, в грунті та в асоціації з рослинами. Водорості потребують світла, води та вуглекислого газу для виробництва та росту їжі. Вони отримують свою енергію від сонячного світла. Вони, як правило, не вимагають органічних сполук з навколишнього середовища. В результаті фотосинтезу водорості виробляють кисень і вуглеводи, які утилізуються іншими організмами, включаючи тварин. Вони відіграють важливу роль в балансі природи.

Віруси відрізняються від інших мікроорганізмів. Вони настільки малі, що більшість можна побачити тільки за допомогою електронного мікроскопа. Вони вважаються клітинними. Структурно вірусні частинки містять ядро, виготовлене з одного типу нуклеїнової кислоти, або РНК, або ДНК. Це ядро оточене білковою оболонкою, яка іноді укладена ліпідною мембраною, яка називається оболонкою. Всі живі клітини мають РНК і ДНК, проводять хімічні реакції, розмножуються як самодостатні одиниці. Віруси можуть розмножуватися, використовуючи клітинну техніку інших організмів. Віруси вважаються живими, коли вони розмножуються всередині клітин господаря, якими вони заражають. У цьому сенсі віруси є паразитами інших форм життя. З іншого боку, віруси не вважаються живими, оскільки вони інертні поза живими господарями.

Зростання мікроорганізмів

Вимоги до росту мікробів поділяються на дві первинні категорії. Фізико-хімічні вимоги існують для росту та розмноження мікроорганізмів. Фізичні аспекти включають температуру, рН та осмотичний тиск. Хімічні вимоги включають джерела вуглецю, азоту, сірки, фосфору, кисню, мікроелементів та органічних факторів росту.

Фізичні фактори

Різні температури потрібні для різних мікроорганізмів. Ці організми класифікуються на три групи на основі їх бажаного діапазону температур. Психрофільні мікроорганізми - холодолюбні мікроби, мезофільні мікроорганізми - мікроби помірної температури, а термофіли - мікроби, які вважаються теплолюбними мікробами. Більшість бактерій ростуть лише в обмеженому діапазоні температур, а їх максимальна і мінімальна температура росту становить близько 30oC один від одного. Вони погано ростуть при високих і низьких температурних перепадах в межах їх діапазону.

Кожен вид бактерій росте при певних мінімальних, оптимальних і максимальних температурах. Мінімальна температура росту - це найнижча температура, при якій буде рости організм. Оптимальна температура росту - це температура, при якій вид росте найкраще. Максимальні температури росту - це найвища температура, при якій можливе зростання. Швидкість росту швидко зменшується, коли наближається максимальна температура росту, оскільки висока температура інактивує необхідну ферментативну систему в клітині.

Холодильне обладнання - найпоширеніший метод збереження органічних матеріалів. Він заснований на принципі, що мікробні показники розмноження знижуються при низьких температурах. Мікроби можуть пережити температури замерзання, вони стають сплячими і їх чисельність поступово знижується при низьких температурах. Деякі види знижуються швидше, ніж інші види. Пишротрофи погано ростуть при низьких температурах, хіба що в порівнянні з іншими організмами. Однак з часом вони здатні повільно деградувати органічний матеріал. Температура всередині правильно встановленого холодильника сповільнить ріст організмів і буде перешкоджати зростанню мезофільних організмів.

Мезофільні організми мають оптимальну температуру росту від 25 до 40oC. Ця група є найпоширенішою з мікробів. Ці організми, які пристосувалися жити в тілах тварин, мають оптимальну температуру, близьку до температури господаря. Оптимальна температура для патогенних бактерій - близько 37oC. До мезофілів відносять більшість поширених псування і хвороботворних організмів.

Термофіли - мікроорганізми, здатні до зростання при високих температурах. Ці організми мають оптимальну температуру росту від 50 до 60oC. Ці температури можна досягти в освітленому сонцем грунті та в термальних водах, таких як гарячі джерела та крани гарячої води. Багато термофілів не можуть рости при температурі нижче приблизно 45oC. Ендоспори, утворені термофільними бактеріями, термостійкі і можуть пережити звичайну термічну обробку даних консервів. Підвищені температури зберігання можуть призвести до того, що вижили ендоспора проростати і рости; тим самим, псуючи їжу. Теплофільні бактерії не вважаються проблемою охорони здоров'я. Термофіли важливі в органічних компостних купах, де температура може підніматися до 50 до 60oC.

Члени археї мають оптимальну температуру росту 80oC або вище. Ці організми називаються гіпертермофілами або крайніми термофілами. Вони живуть в гарячих джерелах, пов'язаних з вулканічною активністю; сірка зазвичай важлива в їх метаболічної активності.

Більшість бактерій найкраще ростуть у вузькому діапазоні рН поблизу нейтральності, між рН 6,5 і 7,5. Мало хто бактерій росте при кислотності нижче рН 4. З цієї причини ряд продуктів запобігає псуванню, використовуючи кислоти, що утворюються бактеріальним бродінням. Хоча деякі бактерії відносять до ацидофілів, і вони толерантні до кислотності. Хемоавтотрофні бактерії, які містяться у дренажній воді з вугільних шахт, окислюють сірку з утворенням сірчаної кислоти, і вони можуть вижити при значенні рН 1.

Цвілі та дріжджі ростуть у більшому діапазоні рН, ніж бактерії. Однак оптимальний рН для цвілі та дріжджів, як правило, нижче, ніж у бактерій, як правило, близько рН від 5 до 6. Лужність також гальмує ріст мікробів. Коли бактерії культивуються в лабораторії, вони часто виробляють кислоти, які врешті-решт заважають їх зростанню. Для нейтралізації кислот і підтримки належного рН в середовище росту включаються хімічні буфери. Пептони і амінокислоти в деяких середовищах діють як буфери, і багато середовищ також містять фосфатні солі. Фосфатні солі мають перевагу в тому, що проявляють буферний ефект у діапазоні росту рН більшості бактерій. Вони нетоксичні, і вони забезпечують фосфор, який є необхідною поживною речовиною.

Мікроорганізми отримують свої поживні речовини в розчині з навколишньої води. Їм потрібна вода для росту, а їх склад становить від 80 до 90 відсотків води. Високі осмотичні тиску мають ефект видалення необхідної води з клітин. Коли мікробні клітини знаходяться в розчині, концентрація розчинених речовин вище, ніж в клітині (гіпертонічна) клітинна вода проходить з клітини через плазматичну мембрану до високої концентрації розчинених речовин. Ця осмотична втрата води викликає плазмоліз або усадку цитоплазми клітини.

Зростання клітини гальмується, оскільки плазматична мембрана відходить від клітинної стінки. Додавання солей в розчин, і виникає в результаті підвищення осмотичного тиску, можна використовувати для консервування харчових продуктів. Ефекти осмотичного тиску пов'язані з кількістю розчинених молекул і іонів в обсязі розчину.

Деякі організми, екстремальні галофіли, пристосувалися до високих концентрацій солі, і для росту їм потрібна висока концентрація солі. Їх називають облігатними галофілами. Організмам з такої солоної води часто потрібно майже 30-відсоткова сіль, і петлю щеплення, яка використовується для їх перенесення, спочатку повинна бути занурена в насичений сольовий розчин. Більш поширеними є факультативні галофіли, які не вимагають високої концентрації солі; однак вони здатні рости при концентрації солі до 2 відсотків, що є концентрацією, яка гальмує ріст багатьох організмів. Кілька видів факультативних галофілів можуть переносити 15-відсоткову сіль.

Більшість мікроорганізмів ростуть в середовищі, яка майже вся вода. Якщо осмотичний тиск надзвичайно низький, гіпотонічний, вода має тенденцію потрапляти в клітину. Деякі мікроби, які мають відносно слабку клітинну стінку, можуть лізуватися таким середовищем.

Хімічні фактори

Крім води, важливою вимогою для росту мікроорганізмів є вуглець. Вуглець є структурною основою живої матерії. Він потрібен для органічних сполук, що входять до складу живої клітини. Вуглець становить половину ваги бактеріальних клітин. Хемогетеротрофи отримують свій вуглець зі свого джерела енергії, органічних матеріалів, таких як білки, вуглеводи та ліпіди. Хемоавтотрофи і фотоавтотрофи, отримують свій вуглець з вуглекислого газу.

Мікроорганізми потребують інших елементах для синтезу клітинного матеріалу. Синтез білка вимагає значної кількості азоту, а також деякі сірки. Синтез ДНК та РНК також вимагає азоту та деякого фосфору, як і синтез АТФ, молекули, яка важлива для зберігання та передачі хімічної енергії всередині клітин. Азот становить близько 14 відсотків ваги бактеріальної клітини, а сірка і фосфор разом складають близько 4-відсотків ваги клітини.

Багато мікроорганізмів мають обмінні системи, які потребують кисню для аеробного дихання. Атоми водню, які були позбавлені органічних сполук, поєднуються з киснем, утворюючи воду. Цей процес дає величезну кількість енергії, нейтралізуючи потенційно токсичний газ. Мікроби, які використовують молекулярний кисень, аероби, витягують більше енергії з поживних речовин, ніж мікроби, які не використовують кисень, анаероби. Організми, яким для життя потрібен кисень, називаються облігатними аеробами.

Облігатні аероби знаходяться в невигідному становищі, оскільки кисень погано розчиняється у воді. Тому аеробні бактерії виробили, або зберегли здатність продовжувати рости при відсутності кисню. Такі організми називаються факультативними анаероби. Факультативні анаероби можуть використовувати кисень, коли він присутній; однак вони здатні продовжувати рости, використовуючи бродіння або анаеробне дихання, коли кисень недоступний. Їх ефективність у виробництві енергії знижується при відсутності кисню. Escherichia coli - факультативний анаероб, який міститься в кишковому тракті людини. Багато дріжджі також є факультативними анаеробами. Деякі мікроби здатні замінювати інші акцептори електронів і використовувати аеробне дихання. Ці молекули - нітратні іони і сульфат-іони

Облігатні анаероби - це бактерії, які не в змозі використовувати молекулярний кисень для енергопродуктивних реакцій. Цим організмам шкодить присутність кисню. Clostridium містить види, що викликають правець і ботулізм. Цим організмам шкодить присутність кисню. Вони не використовують атоми кисню, присутні в клітинних матеріалах, замість цього вони отримують атоми кисню з води.

Токсичні форми кисню включають синглетний кисень, який є високим енергетичним станом нормального кисню і є високоактивним. Супероксидні радикали або супероксидні аніони утворюються під час нормального дихання організмів, які використовують кисень як кінцевий акцептор електронів, що утворюють воду. У присутності кисню облігатні анаероби утворюють супероксидні радикали, які токсичні для клітинних компонентів. Організми, які намагаються рости в атмосферному кисні, повинні виробляти фермент супероксиддисмутазу, щоб нейтралізувати їх. Їх токсичність викликана їх нестабільністю, яка призводить їх до крадіжки електронів. Аеробні бактерії та факультативні анаероби ростуть аеробно, а аеротолерантні анаероби виробляють супероксиддисмутазу, за допомогою якої вони перетворюють радикал супероксиду в молекулярний кисень і перекис водню. Перекис водню містить пероксид аніон, який також є токсичним. Оскільки пероксид водню, що виробляється при нормальному аеробному диханні, токсична, мікроби виробили ферменти, каталазу, для нейтралізації перекису водню. Каталаза і інший фермент, пероксидаза, використовуються мікробами для нейтралізації перекису. Ще одна важлива форма активного кисню - озон. Гідроксильний радикал є ще однією проміжною формою кисню і є найбільш реактивною. Утворюється в клітинній цитоплазмі шляхом іонізуючого випромінювання. Більшість аеробного дихання виробляє сліди гідроксильних радикалів, але вони є тимчасовими.

Облігатні анаероби не виробляють ні супероксиддисмутази, ні каталази. Оскільки аеробні умови призводять до накопичення супероксидних радикалів в цитоплазмі, облігатні анаероби чутливі до кисню.

Аеротолерантні анаероби не можуть використовувати кисень для росту, але вони його переносять. На поверхні твердого середовища вони будуть рости без застосування спеціальних прийомів. Багато з аеротолерантних бактерій характерно ферментують вуглеводи до молочної кислоти. У міру накопичення молочної кислоти вона гальмує зростання аеробних конкурентів і створює сприятливу екологічну нішу для виробників молочної кислоти. Лактобактерії - приклад.

Ефірні органічні сполуки, які організм не в змозі синтезувати, відомі як органічні фактори росту. Ці фактори росту отримують з навколишнього середовища. Деякі з цих факторів росту - амінокислоти, пурини та піримідини.

Класифікація мікробів

Класифікація організмів на прогресивно більш інклюзивні групи заснована на філогенії і фенотипі. Номенклатура - це процес застосування формальних правил при іменуванні організмів.

Домени

Організми класифікуються за типом клітин в трьох доменних системах. Тварини, рослини та гриби є королівствами в Домені Eukarya. Доменні бактерії включають патогенні прокаріоти, а також багато непатогенних прокаріотів, що містяться в грунті та воді. Фотоавтотрофні прокаріоти також знаходяться в цій області.

Архея домену включає прокаріоти, які не мають пептидоглікану в клітинних стінках. Вони часто живуть в екстремальних умовах і здійснюють незвичайні обмінні процеси. Археї включають три основні групи:

• Метаногени - суворі анаероби, які виробляють метан з вуглекислого газу та водню
• Екстремальні галофіли - вимагають високих концентрацій солі для виживання
• Гіпертермофіли - Зазвичай ростуть у надзвичайно жарких середовищах

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Три доменні системи — зображення OpenStax ліцензовано відповідно до CC BY 4.0

Бактерії класифікуються на п'ять груп на основі їх основних форм. До таких форм належать кулясті (коки), спіральні (спірили), стрижневі (бацили), кома (вібріони), або штопор (спірохети). Ці клітини можуть існувати як поодинокі клітини, парами, ланцюжками або в кластерах.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Основні форми бактерій — Зображення від OpenStax ліцензовано відповідно до CC BY 4.0

Номенклатура

Наукова номенклатура - це біноміальна номенклатура, так що кожен організм має унікальну біноміальну ідентифікацію, яка вказує на індивіда та її таксономічне розміщення серед інших організмів. Таксономія - це наука про класифікацію. До цих пір виявлено майже 2 мільйони організмів, і за оцінками, землю займають 10-100 мільйонів організмів. Всі клітинні організми еволюціонували від спільного предка:

• Подібна плазмова мембрана
• Використовуйте АТФ для отримання енергії
• Використовуйте ДНК для генетичного зберігання

Відмінності, що спостерігаються між організмами, обумовлені випадковою мутацією і природним відбором. Організми організовані в таксономічні категорії за спорідненістю. Систематика/філогенія - це дослідження еволюційної історії та спорідненості організмів. Сучасна таксономія заснована на інформації генетичної послідовності або молекулярної біології.

Ілюстрація\(\PageIndex{3}\): Ієрархічна система наукової номенклатури для класифікації живих організмів — образ Пенго знаходиться у відкритому доступі

З усіх різних систем класифікації пляма Грама витримало випробування часом. Забарвлення по Граму залишається важливою і корисною методикою. Це дозволяє класифікувати велику частку клінічно важливих бактерій як грампозитивні або негативні на основі їх морфології та диференціальних властивостей фарбування.

Мікроорганізми можуть бути згруповані на основі їх потреби в кисні, а також. Факультативні анаеробні бактерії можуть рости з високим вмістом кисню або низьким вмістом кисню і є одними з більш універсальних бактерій. На відміну від цього, строго анаеробні бактерії ростуть тільки в умовах, де в навколишньому середовищі присутній мінімальний або відсутній кисень. Бактерії, такі як бактеріоїди, знайдені в товстій кишці, є прикладами анаеробів. Суворі аероби ростуть тільки при наявності значних кількостей кисню. Синьогнійна паличка, умовно-патогенний збудник, є прикладом суворого аероба. Мікроаерофільні бактерії ростуть в умовах зниженого кисню і іноді вимагають підвищеного рівня вуглекислого газу.

Філогенетичне дерево

Для живих організмів розроблено універсальне філогенетичне дерево, яке встановлює тристоронній розподіл всіх живих організмів - бактерій, архей та евкарій. Класифікація заснована на порівнянні 16-х рибосомних РНК послідовностей. Ці послідовності високо збережені і зазнають змін з повільною, поступовою та послідовною швидкістю. Тому вони корисні для порівняння між різними живими організмами.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Філогенетичне дерево для мікроорганізмів. - зображення OpenSTAX ліцензовано відповідно до CC BY 4.0

Аналіз послідовності рибосомної РНК (рРНК) став основним методом класифікації. Він був використаний для встановлення філогенетичного дерева. Крім того, він також використовується для швидкої діагностики збудників, відповідальних за інфекції, для допомоги у виборі відповідної терапії та виявлення не культивуваних мікроорганізмів.

Молекулярний субтипування необхідний для визначення того, чи штами одного виду однакові чи різні. Підказки можна отримати, вивчивши біохімічні дослідження або профіль сприйнятливості до антибіотиків, але більш надійним методом є молекулярний аналіз. Імпульсний польовий гель-електрофорез (PFGE) є найбільш часто використовуваною молекулярною технікою. Хромосомна ДНК перетравлюється рестрикційним ферментом, який робить відносно нечасті розрізи в ДНК і в результаті створює великі фрагменти ДНК. Потім фрагменти ДНК з різних штамів запускаються на гелі та порівнюються.

• Еукаріоти (тварини, рослини, гриби, протисти)
• Бактерії
• Архея (до секвенування, Бактерії та Архея були згруповані разом у королівстві Монера)

Групи таксономічних/філогенетичних ієрархій засновані на подібності. Групи починаються дуже загальними і стають більш обмеженими. Для визначення еволюційних зв'язків та класифікації використовуються гібридизація ДНК та секвенування рРНК. Організми, які згруповані разом, засновані на спорідненості; дуже загальна спорідненість у верхній частині, за якою слідують все більш специфічні та обмежені підгрупи, де рід - це всі споріднені види, а види - єдина унікальна група організму.

• Kingdom Protista (одноклітинні еукаріоти) - це водорості та найпростіші, і вони поживно різноманітні: автотрофи, гетеротрофи та внутрішньоклітинні паразити
• Царські гриби - це дріжджі, цвілі та гриби, які поглинають органічний матеріал через їх плазматичну мембрану
• Kingdom Animalia - це багатоклітинні тварини, які ковтають органічну їжу через рот і мають клітини, організовані в тканини.
• Kingdom Plantae - це багатоклітинні рослини, які проходять фотосинтез для перетворення вуглекислого газу та води в органічні молекули, і це Королівство має клітини, організовані в тканини

Класифікація прокаріотів-прокаріотів мають дві області:

1. Бактерії - це все патогенні прокаріоти, багато непатогенні прокаріоти, і все фотоавтотрофні прокаріоти
2. Археї - це всі прокаріоти зі стінками, які не є пептидогліканом, які здійснюють незвичний метаболізм і живуть в екстремальних середовищах, і є групами, повністю заснованими на секвенуванні генів, оскільки більшість виглядають схожими

Прокаріотичні види визначаються як популяція клітин зі схожими ознаками, які не демонструють статевого розмноження. Чисті культури є клонами, оскільки вони є популяціями, отриманими з однієї клітини. Вони генетично ідентичні. Штами - це клітини одного виду, які генетично не ідентичні.

Вірусна класифікація

Віруси не вписуються в доменну систему, оскільки вони є клітинними. Зазвичай вони класифікуються лише за родом та родом. Вірусні види визначаються як популяція вірусів зі схожими характеристиками (включаючи морфологію, гени, ферменти), які займають певну екологічну нішу. Віруси - це облігатні внутрішньоклітинні паразити, які еволюціонували для зараження клітин, і вони, як правило, заражають лише один тип клітин, який найкраще підтримує вірусну реплікацію. Віруси, як правило, дуже специфічні щодо своєї ніші.

Структура

Прокаріоти - Структура/Функція

Прокаріоти відрізняються від еукаріотів меншими розмірами (0,2- 10 мкм), відсутністю внутрішніх органел (мітохондрій), наявністю клітинної стінки і їх поділом клітин шляхом бінарного поділу, а не мітозу. Вони не мають інтронів, не здатні до ендо/екзоцитозу і мають одноцепочечную кругову ДНК, а не множинні дискретні хромосоми.

Бактерії поділяють ряд загальних структур, таких як:

• Слиз (позаклітинний полісахарид) - це позаклітинний матеріал, нещільно пов'язаний з бактеріями, який розробляється деякими бактеріальними видами, що сприяють колонізації гладких поверхонь
• Капсула є полісахаридом, зовнішнє покриття поверхні бактерій часто відіграє певну роль у запобіганні фагоцитозу бактерій.
• Пептидоглікан (клітинна стінка) забезпечує бактеріальну форму і жорсткість. Клітинна стінка складається з чергуються одиниць N-ацетилглюкозаміну і N-ацетилмурамовой кислоти. Полісахаридні ланцюги зшиті пептидним мостом. Це основна мета антимікробної терапії, оскільки вона специфічна для прокаріотів.
• Цитоплазматична мембрана - це фосфоліпідний бішар, який приймає на себе багато функцій еукаріотичних органел, таких як біосинтетичні процеси.
• Джгутики забезпечують бактеріям здатність до пересування. Вони розрізняються за кількістю і розташуванням.
• Pili - це структури, які проектують з поверхні клітин, що дозволяє бактеріям прилипати до поверхонь тканин господаря. Виходячи з їх амінокислотної структури, їх спорідненість до певних поверхонь тканин господаря може бути надзвичайно специфічною.
• Виділені продукти - це різноманітні продукти, що включають екзотоксини, які є білками, згрупованими в токсини А-В, такі як ті, розроблені вібріоном, що викликає холеру

Відмінні риси між грампозитивними та негативними бактеріями

Грамопозитивні бактерії мають велику будову пептидоглікану. На цю структуру припадає диференціальне фарбування з морилкою Грам. Деякі грампозитивні бактерії також здатні утворювати спори в стресових умовах навколишнього середовища, наприклад, коли є обмежена доступність вуглецю та азоту. Спори, таким чином, дозволяють бактеріям пережити вплив екстремальних умов.

Грамонегативні бактерії мають невеликий пептидоглікановий шар, але мають додаткову мембрану, зовнішню цитоплазматичну мембрану. Ця мембрана створює додатковий бар'єр проникності і призводить до необхідності транспортування механізмів через неї. Основним компонентом цитоплазматичної мембрани, що є унікальним для грамнегативів, є ендотоксин.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Грам фарбування бактеріальної клітини для ідентифікації — Зображення Мічиганського державного університету. Мікробіологія 301-702 Літо 2016 ліцензується відповідно до CC BY-SA 4.0

Ідентифікація мікроорганізмів

Класифікація заснована на морфологічних характеристиках, які стосуються розміру, форми, клітинних характеристик (капсула, джгутики, ендоспори), диференціальне фарбування (фарбування за грамом, кислотне швидке фарбування) та біохімічні тести, які досліджують специфічну активність ферментів, що призводять до бродіння вуглеводів, азот фіксація, окислення сірки, газоутворення, виробництво кислоти та зменшення нітратів.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Класифікація бактерій за формою та зовнішнім виглядом навколишнього середовища - Зображення CKRobinson ліцензовано відповідно до CC BY-SA 4.0

Інструменти швидкого визначення включають:

• Селективні середовища-гальмує ріст однієї групи, дозволяючи іншій групі процвітати, наприклад, бульйон толерантності до солі вибирає для організмів, які толерантні до 6,5% NaCl (стафілокок і стрепс)
• Диференціальні середовища, які дозволяють організмам рости, але змушують одну групу здаватися різними
• Мульти-тестові системи/числовий ідентифікатор, такі як тестові системи API Enterotube

Серологія - це ще один метод ідентифікації мікроорганізмів, де наука про сироваткові та імунні реакції є доказом, що ідентифікує організм. Процес передбачає використання антитіл для виявлення специфічних мікробних антигенів (чужорідних білків), які використовуються для виявлення білків у зразках. Антитіла - це спеціальні білки, що виробляються тваринами, для зв'язування з певною мішенню (антиген/епітоп, білок). Імунна відповідь тварини може виробляти антитіла до будь-якої молекули (антигену), чужорідної для цієї тварини, і ці діагностичні антитіла можуть вироблятися для виявлення певних мікробів та їх ідентифікації. Тести на аглютинацію використовуються для виявлення специфічних антитіл шляхом вироблення скупчень антигенів при введенні.

Фагове типу/аналіз зубного нальоту - це бактеріальні віруси. Кожен фаг специфічний, і він заражає тільки один вид або навіть штам бактерій. Коли фаги заражають мікроорганізм, це викликає лізис бактерій. Застосовуючи відомі фаги до невідомих бактерій та шукаючи загибель бактеріальних клітин, бактерії можуть бути ідентифіковані.

FISH (флуоресцентна гібридизація In Situ) використовує флуоресцентний барвник з маркуванням ДНК зондів, які змішуються зі зразком (біопсія, зразок навколишнього середовища), гібридизація мітки клітини з послідовністю ДНК, а клітини спостерігаються за допомогою ультрафіолетового світла.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Морфологія бактеріальних клітин — Зображення LadyOfHats знаходиться у відкритому доступі

Переглянути питання

1. Назвіть два основних типи клітин, що зустрічаються в природі.
2. Перерахуйте і визначте різні види живих мікроорганізмів.
3. Перерахуйте класифікації в порядку убування для ієрархічної системи наукової номенклатури для класифікації живих організмів.
4. Розрізняють особливості між грампозитивними і грамнегативними бактеріями.
5. Опишіть, як серологію використовують для ідентифікації мікроорганізмів.

Розділ Вікторина

1. Мікроорганізми, які виробляють захворювання, називаються ___________.
   1. Патогенні
   2. стрептокок
   3. Стафілокок
   4. Грам негативний
2. Бактерії і архей відносять до ___________ клітин.
   1. Еукаріот
   2. Прокаріот
   3. Грам негативний
   4. Грам позитивний
3. Клітини з клітинними стінками, яким не вистачає пептидоглікану, є ___________.
   1. Бактерії
   2. Водорості
   3. Протозани
   4. Архея
4. ___________ є еукаріоти. Це організми, клітини яких мають чітке ядро, що містить генетичний матеріал клітини, оточене спеціальною оболонкою, званої ядерною мембраною.
   1. Архея
   2. Бактерії
   3. Віруси
   4. Фунгії
5. ___________ бактерії мають велику будову пептидоглікану.
   1. стрептокок
   2. Стафілокок
   3. Грам негативний
   4. Грам позитивний
6. Більшість бактерій найкраще ростуть у вузькому діапазоні рН поблизу нейтральності, між ___________.
   1. Від 2,0 до 6,5
   2. Від 6,5 до 7,5
   3. 8,0 до 10,0
   4. 11.0 до 14.0
7. У таксономічної/філогенетичної ієрархії групи засновані на подібності. Групи починаються дуже загальними і стають більш обмеженими. ___________ використовуються для визначення еволюційних зв'язків і класифікації. Організми, які згруповані разом, засновані на спорідненості; дуже загальна спорідненість у верхній частині, за якою слідують все більш специфічні та обмежені підгрупи, де рід - це всі споріднені види, а види - єдина унікальна група організму.
   1. Методики фарбування по граму
   2. Гібридизація ДНК та секвенування рРНК
   3. Серологічні тести
   4. Морфологічні дослідження
8. Основним компонентом цитоплазматичної мембрани, яка є унікальною для Gram негативів, є ___________.
   1. пептидоглікан
   2. Екзотоксини
   3. хлорофіл
   4. Ендотоксини
9. ___________ - це біноміальна номенклатура, так що кожен організм має унікальну біноміальну ідентифікацію, яка вказує на індивіда та її таксономічне розміщення серед інших організмів.
   1. таксономія
   2. Наукова номенклатура
   3. гібридизація ДНК
   4. рід видів
10. ___________ - наука про класифікацію.
    1. таксономія
    2. Наукова номенклатура
    3. гібридизація ДНК
    4. рід видів