Какое применение нашли бактерии в медицине: Какое применение нашли бактерии в медицине? В чем стоит заслуга русских ученых в разработке этого направления. – Применение бактерий человеком в медицине, пищевой промышленности и т.д.

Содержание

Применение бактерий человеком в медицине, пищевой промышленности и т.д.


Современная биотехнология опирается на многие науки: генетику, микробиологию, биохимию, естествознание. Основным объектом их изучения являются бактерии и микроорганизмы. Многие проблемы в биотехнологиях решает именно применение бактерий. Сегодня область их использования в жизни человека настолько широка и разнообразна, что вносит неоценимый вклад в развитие таких отраслей, как:

  • медицина и здравоохранение;
  • животноводство;
  • растениеводство;
  • рыбная отрасль;
  • пищевая промышленность;
  • добыча полезных ископаемых и энергетика;
  • тяжелая и легкая промышленности;
  • септик;
  • экология.

Домашний йогурт

Здравоохранение и фармакология

Область применения бактерий в фармакологии и медицине настолько широка и значима, что их роль в лечении у человека многих заболеваний просто неоценима. В нашей жизни они необходимы при создании кровезаменителей, антибиотиков, аминокислот, ферментов, противовирусных и противораковых препаратов, пробы ДНК для диагностики, гормональных препаратов.

Неоценимый вклад в медицину сделали ученые, выявив ген, отвечающий за гормон инсулина. Вживив его в бактерию коли, получили выработку инсулина, спасая жизни многим больным. Японские ученые обнаружили бактерии, выделяющие вещество, уничтожающее зубной налет, тем самым предотвращая появление кариеса у человека.

Из бактерий-термофилов выводят ген, кодирующий ферменты, имеющие ценность в научных исследованиях, так как они нечувствительны к высоким температурам. При производстве витаминов в медицине используют микроорганизм Clostridium, получая при этом рибофлавин, выполняющий важную роль в здоровье человека.

Свойство бактерий вырабатывать антибактериальные вещества было применено при создании антибиотиков, решив проблему лечения многих инфекционных заболеваний, тем самым спасло жизнь не одному человеку.

применение аллергена бактерий туберкулезного рекомбинантного дает наиболее точные результаты в диагностике туберкулеза

В фармакологии создание лекарственных препаратов и синтетических вакцин, куда входят иммунорегуляторы, алкалоиды, нуклеотиды и ферменты, также невозможно без микроорганизмов.

Животноводство

Для возрастания привесов и увеличения скорости роста молодых особей применяют белково-витаминные добавки, ферменты, их продуцентами являются фотосинтезирующие бактерии. Снижая таким способом расход кормов и повышая производительность. При производстве силоса применяют E.coli commune, Lactis aerogenes, являющиеся молочнокислыми микроорганизмами. Незаменимую аминокислоту лизин, используемую в качестве пищевой добавки в животноводстве, продуцируют из таких бактерий, как Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp и Escherichia coli.

Применение бактерий распространено при создании высокопродуктивных пород, гормонов роста и пересадке оплодотворенной клетки. Препараты, созданные на основе Bac. subtilis и Bac. Licheniformis, используются в ветеринарии при лечении многих заболеваний.

Сельскохозяйственная отрасль

Использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственной отрасли приводит к негативному воздействию на микрофлору почвы. Для разрушения вредных веществ применяют аэробные и анаэробные бактерии.

Почвенные бактерииИспользование бактериальных удобрений способствует повышению урожайности. Из клеток Klebsiella и Chromatium получают бакпрепараты, удерживающие азот. Это дает возможность растениям усваивать азот, содержащийся в воздухе. Из Bacillus megathrtium получают фосфобактерин, повышающий содержание фосфора в почве и азота в зеленой массе. В качестве биозащиты растений от всевозможных вредителей разработаны микробиологические препараты на основе бактерий, которые не наносят вреда человеку.

Рыбная отрасль

Биотехнологии, применяемые в рыбных хозяйствах, позволяют создавать породы рыб, устойчивые ко многим заболеваниям, и породы с высокими темпами прироста. Также из продуцируемых бактерий в рыбной промышленности изготавливают кормовые добавки, ферменты и лекарственные препараты.

Пищевая индустрия

Широко применение биотехнологий в бродильной и пищевой промышленностях. Применение молочнокислых бактерий при изготовлении кефира, кумыса и кисломолочных продуктов способствует улучшению их вкуса и перевариваемости. Это достигается тем, что выделяемые ферменты разлагают молочный сахар на спирт и углекислоту. Для улучшения качества кондитерских изделий и сохранения свежести хлебобулочных в пищевой промышленности применяют ферменты, продуцируемые из Bac.subtilis.Молочнокислые бактерии под микроскопом

Добыча и переработка полезных ископаемых

Применение биотехнологий в добывающей промышленности позволяет существенно сократить расходы и энергетические затраты. Так, применение литотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidous), с их способностью окислять железо, используется в гидрометаллургии. За счет бактериального выщелачивания из низкосодержащих пород добывают драгоценные металлы. Для увеличения добычи нефти применяют метансодержащие бактерии. При добыче нефти обычным способом из недр извлекается не более половины природных запасов, а с помощью микроорганизмов происходит более эффективное освобождение запасов.

Легкая и тяжелая индустрия

Микробиологическое выщелачивание используют в старых шахтах для получения цинка, никеля, меди, кобальта. В горнодобывающей промышленности для восстановительных реакций в старых шахтах применяют сульфаты бактерий, так как остатки серной кислоты несут разрушающие воздействия на опоры, материалы и окружающую среду. Анаэробные микроорганизмы способствуют основательному разложению органических веществ. Это свойство применяется для очистки воды в металлургической промышленности.
Биопрепараты для септиков

Человек использует бактерии при производстве шерсти, искусственной кожи, текстильного сырья, в парфюмерно-косметических целях.

Очистка стоков и водоемов

Бактерии, участвующие в разложении, применяют для очистки септиков. Основа этого метода заключается в том, что питаются микроорганизмы сточными водами. Этим способом обеспечивается удаление запаха и обеззараживание стоков. Микроорганизмы, применяемые в септиках, выращиваются в лабораториях. Результат их действия обуславливается распадом органики на простейшие вещества, безвредные для экологии. В зависимости от вида септика подбираются анаэробные либо аэробные микроорганизмы. Аэробные микроорганизмы, помимо септиков, применяют в биофильтрах.

Септик ТОПАС

Для поддержания качества воды в водоемах и стоках, очистки загрязненной поверхности морей и океанов от нефтепродуктов также необходимы микроорганизмы.

С развитием биотехнологий в нашей жизни человечество шагнуло вперед практически во всех отраслях своей деятельности.

svetlanaguz

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Лечебные препараты из живых микроорганизмов

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Существуют ли лекарственные средства, не вызывающие побочных эффектов и осложнений, высокоэффективные и безопасные? Ближе всего к этим идеальным характеристикам подобрались пробиотические препараты (из живых микроорганизмов — симбионтов человека) и бактериофаги (вирусы бактерий). При введении в организм человека они вступают в борьбу за существование с возбудителями инфекционных заболеваний или, в случае бактериофагов, по-партизански разлагают их изнутри. Пробиотики и фаги с разной специфичностью влияют на патогенные бактерии, все процессы развиваются в пределах микробиоценоза определенной области человеческого тела и направлены на сохранение среды обитания, иначе говоря, на подержание гомеостаза. Пробиотики и фаги обычно применяют по отдельности, но перспективным может оказаться их совместное использование.

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2015.


Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.


Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Клин клином выбивают.

Народная мудрость

Биотехнология — медицине

В современной медицинской практике используется большое количество средств, получаемых благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. Сюда относятся витамины, ферменты, генно-инженерные гормоны и интерфероны, заменители крови и, конечно же, антибиотики. Собственно, даже медицинский спирт — этот универсальный антисептик, народный анальгетик и антидепрессант — является продуктом бродильного метаболизма дрожжевых грибков. Традиционные и новые высокоэффективные, различные по структуре и механизму действия природные и химически модифицированные лекарственные препараты, в создании которых участвовали микроорганизмы, применяются для лечения различных заболеваний.

Когда лекарство опаснее болезни

В практике применения лекарственных средств врачу приходится встречаться с так называемыми побочными явлениями, которые могут развиваться наряду с основным действием лекарства и ограничивать возможности его применения. Побочные реакции особенно часто возникают в случаях применения лекарств, обладающих многосторонним фармакологическим эффектом (вспомним тот же этиловый спирт), тогда как цель лечения достигается благодаря использованию лишь некоторых сторон фармакодинамики данного лекарства.

Особенного внимания заслуживают в этом смысле антибиотики, поскольку они являются препаратами выбора при лечении большинства инфекционных заболеваний, а назначению антибиотиков далеко не всегда предшествует проведение необходимых микробиологических исследований. Нередки случаи нерационального применения антибиотиков широкого спектра действия, нарушения пациентами схем приема препаратов, а то и вовсе бесконтрольного самолечения. И даже при правильном использовании антибактериальное действие антибиотиков распространяется не только на патогенную, но и на нормальную микробную флору организма. Под действием антибиотиков гибнут бифидобактерии, лактобациллы, симбиотические штаммы кишечной палочки и другие полезные микробы. Освободившиеся экологические ниши тут же заселяют условно-патогенные бактерии и грибки (как правило, обладающие резистентностью к антибиотикам), которые до этого присутствовали на коже и в нестерильных полостях организма в незначительном количестве — их размножение сдерживалось нормальной микрофлорой. Антибиотикотерапия, например, может способствовать превращению мирных сапрофитных дрожжеподобных грибков

Candida albicans (рис. 1), обитающих на слизистых оболочках полости рта, трахеи и кишечника, в бурно размножающиеся микроорганизмы, вызывающие ряд местных и общих поражений.

Candida albicans и кандидоз

Рисунок 1. Дрожжеподобные грибки Candida albicans и последствия их активного размножения. а — Клетки Candida albicans под электронным микроскопом. б — Проявления кандидоза. Рисунки с сайтов velvet.by и www.medical-enc.ru.

В основе других побочных эффектов могут лежать индивидуальные особенности взаимодействия организма с антибиотиком: непереносимость препарата может иметь аллергическую или псевдоаллергическую природу, быть следствием ферментопатий или попадать в загадочную категорию идиосинкразий (до выяснения механизма непереносимости).

Пробиотики вместо антибиотиков?

В настоящее время перед медицинской наукой и органами охраны здоровья всего мира стоит ответственная задача — создание эффективных антибактериальных препаратов, вызывающих как можно менее выраженные побочные реакции.

Одним из возможных решений проблемы является разработка и широкое фармакотерапевтическое использование препаратов на основе живых культур представителей нормальной микрофлоры (пробиотиков) для коррекции микробиоценозов человека и для лечения патологических состояний. Применение бактериальных препаратов основано на понимании роли нормальной микрофлоры организма в процессах, обеспечивающих неспецифическую резистентность к инфекциям, в формировании иммунного ответа, а также на установлении антагонистической роли нормофлоры и ее участия в регуляции метаболических процессов [1].

Основоположником теории пробиотиков считают И.И. Мечникова. Он полагал, что сохранение здоровья человека и продление молодости во многом зависит от обитающих в кишечнике молочнокислых бактерий, способных подавлять процессы гниения и образования токсичных продуктов. Еще в 1903 году Мечников предложил практическое использование микробных культур—антагонистов для борьбы с болезнетворными бактериями.

По некоторым данным, термин «пробиотики» был введен Вернером Коллатом в 1953 году, затем его неоднократно и по-разному толковали как ученые, так и регулирующие организации. Коллат назвал пробиотиками вещества, необходимые для развития здорового организма, своего рода «промоторы жизни» — в противоположность антибиотикам. С концовкой этого утверждения соглашались также Лилли и Стилвелл, которым часто приписывают изобретение термина, однако они уточняли, что пробиотики представляют собой вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами и стимулирующие рост других. Подавляющее же большинство определений вращалось вокруг принятия жизнеспособных микробов с целью модуляции кишечной микрофлоры. Согласно консенсусной трактовке экспертного совета ВОЗ и ФАО, пробиотики представляют собой живые микроорганизмы, которые при принятии в достаточном количестве приносят пользу здоровью. Существенный вклад в развитие современной концепции пробиотиков внес известный биохимик, специалист по питанию животных Марсель Ванбелле [2]. Т.П. Лайонс и Р.Дж. Фэллон в 1992 году назвали наше время «наступающей эпохой пробиотиков» (и не ошиблись, судя по невероятному росту их продаж — Ред.) [1].

По сравнению с традиционными антибактериальными препаратами пробиотики имеют ряд преимуществ: безвредность (однако не при всех диагнозах и не для всех пациентов — Ред.), отсутствие побочных реакций, аллергизации и отрицательного воздействия на нормальную микрофлору. В то же время авторы ряда исследований связывают прием этих биопрепаратов с выраженным клиническим эффектом при лечении (долечивании) острых кишечных инфекций. Важной особенностью пробиотиков, по некоторым данным, является их способность модулировать иммунные реакции, оказывать в ряде случаев противоаллергическое действие, регулировать пищеварение.

В настоящее время в медицине широко используют ряд подобных бактериальных препаратов. Одни из них содержат бактерии, постоянно обитающие в организме человека («Лактобактерин», «Бифидумбактерин», «Колибактерин», «Бификол»), другие состоят из микроорганизмов, не являющихся «резидентами» человеческого тела, но способных на определенное время колонизировать слизистые оболочки или раневые поверхности, создавая на них защитную биопленку (рис. 2) и вырабатывая вещества, губительные для патогенных бактерий. К таким препаратам относятся, в частности, «Биоспорин» на основе сапрофитной бактерии Bacillus subtilis и «А-бактерин», состоящий из живых клеток зеленящего аэрококка — Aerococcus viridans [1].

Биопленка

Рисунок 2. Биопленка. а — Формирование биопленки. б — Биопленка под электронным микроскопом. Рисунки с сайтов www.lymebaysolutions.co.uk и phys.org.

Полезный микроб — аэрококк

Некоторых аэрококков (рис. 3) относят к условно-патогенным микробам, поскольку они способны вызывать заболевания у животных (например, гаффкемию у омаров) и людей с иммунодефицитами. Аэрококки часто обнаруживаются в воздухе больничных палат и на предметах медицинского назначения, выделяются от больных со стрептококковыми и стафилококковыми инфекциями и к тому же имеют определенное морфологическое сходство с этими опасными бактериями.

Клетки и колонии аэрококков

Рисунок 3. Клетки и колонии аэрококков. а — Бактерии под обычным световым микроскопом. б — Бактерии под электронным микроскопом. Видны округлые клетки, расположенные парами и тетрадами. в — Колонии аэрококков на питательной среде с добавлением крови. Зеленое окрашивание вокруг колоний — результат частичного разрушения гемоглобина. Фото (а) с сайта codeofconduc.com, (б) и (в) — сделаны авторами статьи.

Подавление аэрококками роста патогенных бактерий

Рисунок 4. Подавление аэрококками роста патогенных бактерий. Зоны значительной задержки роста зарегистрированы при культивировании вибрионов, стафилококков, дифтерийной палочки, провиденции. Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) к антагонистическому действию аэрококков устойчива. Фото авторов статьи.

Но коллективу кафедры микробиологии Днепропетровской медицинской академии удалось выявить среди аэрококков штамм не просто безвредный для человека, но и проявляющий выраженную антагонистическую активность в отношении широкого спектра возбудителей инфекционных болезней. Так был разработан и внедрен препарат, не имеющий аналогов в мировой практике, — пробиотик «А-бактерин» для наружного и перорального применения, который не уступает по своему воздействию на микрофлору человека дорогостоящим препаратам антибиотического направления (рис. 4).

Антагонистические свойства аэрококков связаны с продукцией перекиси водорода (вещества, широко применяемого в медицине в качестве антисептика) — стабильным признаком производственного штамма А. viridans, из которого готовится «А-бактерин». Другим бактерицидным веществом, продуктом метаболизма аэрококков, является супероксидный радикал (рис. 5), образуемый этими бактериями при окислении молочной кислоты. Причем способность аэрококков окислять молочную кислоту очень важна в случае применения препарата в стоматологии, так как одной из причин кариеса является молочная кислота, образуемая стрептококками.

Бактерицидные вещества аэрококков

Рисунок 5. Бактерицидные вещества, образуемые аэрококками: перекись водорода (а) и супероксидный радикал (б). Рисунок с сайта tofeelwell.ru.

В культуральной жидкости аэрококков был выявлен низкомолекулярный кислотоустойчивый и термостабильный пептид виридоцин, обладающий широким спектром антагонистической активности в отношении тех микроорганизмов, которые чаще всего вызывают госпитальные инфекции и участвуют в формировании физиологического и патологического микробиоценоза кишечника человека [3]. Кроме того, А. viridans продуцирует во внешнюю среду пептид аэроцин*, способный убивать дрожжеподобные грибки. Использование «А-бактерина» с йодидом калия и этонием эффективно при урогенитальных кандидозах, так как обеспечивает направленное повреждение мембран кандид [4, 5]. Тот же эффект достигается в случае применения препарата как средства профилактики кандидозов, возникающих, например, вследствие угнетения иммунитета при ВИЧ-инфекции [1, 6, 7].

Кроме способности подавлять размножение патогенных бактерий, «А-бактерин» способствует регенерации поврежденной ткани, проявляет адъювантное действие, стимулирует фагоцитоз и может быть рекомендован больным, сенсибилизированным к антибиотикам и химиотерапевтическим средствам. Сегодня «А-бактерин» успешно применяется для лечения ожоговых и хирургических ран, для профилактики и лечения диареи, а также в стоматологической, урологической и гинекологической практике. Перорально «А-бактерин» используется для коррекции микрофлоры кишечника, профилактики и лечения кишечных инфекций, коррекции отдельных биохимических показателей (холестеринового профиля и уровня молочной кислоты) и активации иммунитета [1]. Другие пробиотики тоже широко применяются для лечения и профилактики кишечных инфекций, особенно у детей раннего возраста, находящихся на искусственном вскармливании [9]. Пользуются популярностью и пищевые продукты, содержащие живые пробиотические культуры.

Лечебные вирусы

Как оказалось, в терапевтических целях может быть использовано не только явление микробного антагонизма, но и паразитизма. Патогенные бактерии паразитируют в организме человека, но и они, в свою очередь, являются хозяевами для еще более мелких паразитов — бактериофагов. Применение фагов в медицине основано на их высокой специфичности. Каждый вид фагов способен размножаться только в клетках определенной группы бактерий (рис. 6). Бактериофаги принципиально не способны повреждать человеческие клетки, и кроме того, бактерии-симбионты человека и патогенные бактерии обычно восприимчивы к разным фагам.

Бактериофаги

Рисунок 6. Паразитизм во благо. а — Специфичность фагов зависит от их способности адсорбироваться на определенных структурах бактериальной клетки. б — Прикрепившись к поверхности бактерии, фаги могут перемещаться вместе с ней. в — Выход фагового потомства из пораженной бактерии. В одной клетке может образоваться более 1000 новых бактериофагов. Рисунки с сайтов epochtimes.ru, epochtimes.ru и www.biocuantica.es.

При лечении инфекций важно создать высокую концентрацию антимикробного препарата именно в месте локализации возбудителя. Применяя антибиотики в виде таблеток или инъекций, добиться этого довольно трудно. Но в случае фаготерапии достаточно, если в инфекционный очаг доберутся хотя бы одиночные бактериофаги. Обнаружив патогенные бактерии и проникнув в них, фаги начинают очень быстро размножаться. С каждым циклом размножения, который длится около получаса, количество фагов возрастает в десятки, а то и сотни раз. После разрушения всех клеток возбудителя фаги более не способны размножаться и, благодаря своим мелким размерам, беспрепятственно выводятся из организма вместе с другими продуктами распада.

Пробиотики и фаги вместе

Транслокация бактерий из кишечника

Рисунок 7. Транслокация бактерий из кишечника в кровяное русло. Рисунок с сайта darwinian-medicine.com.

Бактериофаги хорошо зарекомендовали себя в профилактике и лечении кишечных инфекций и гнойно-воспалительных процессов. Возбудители этих заболеваний часто приобретают устойчивость к антибиотикам, но остаются чувствительными к фагам [10]. В последнее время ученых заинтересовала перспектива совместного использования бактериофагов и пробиотиков. Предполагается, что при назначении такого комплексного препарата сначала фаг уничтожает патогенные бактерии, а потом освободившуюся экологическую нишу заселяют полезные микроорганизмы, формируя стабильный микробиоценоз с высокими защитными свойствами. Такой подход уже был опробован на сельскохозяйственных животных [11]. Вероятно, он войдет и в медицинскую практику.

Возможно и более тесное взаимодействие в системе «бактериофаг + пробиотик». Известно, что бактерии — представители нормальной микрофлоры человека — способны адсорбировать на своей поверхности различные вирусы, не позволяя им проникнуть в клетки человека [9]. Оказалось, что таким же образом могут адсорбироваться и бактериофаги: они не способны внедриться в клетку устойчивой к ним бактерии, но используют ее как «транспортное средство» для перемещения в организме человека. Такое явление получило название транслокации бактериофагов.

Внутренняя среда организма, его ткани и кровь считаются стерильными. На самом деле через микроскопические повреждения слизистых оболочек бактерии-симбионты периодически проникают в кровяное русло (рис. 7), хотя и быстро там уничтожаются клетками иммунной системы и бактерицидными веществами [12]. При наличии инфекционного очага барьерные свойства окружающих тканей часто нарушены, их проницаемость возрастает. Это повышает вероятность проникновения туда циркулирующих пробиотических бактерий вместе с прикрепившимися к ним фагами [13, 14]. В частности, у людей с инфекциями мочевыводящих путей, принимающих «А-бактерин» перорально, аэрококки обнаруживались в моче, причем их количество было стабильно низким, что говорило именно о переносе аэрококков, а не об их размножении в этих органах [15]. Аэрококки и наиболее распространенные возбудители урологических инфекций относятся к совершенно разным группам бактерий, а значит, чувствительны к разным бактериофагам. Это открывает интересные перспективы для создания комплексного препарата, например, на основе А. viridans и фагов, поражающих кишечные бактерии [16]. Такие разработки ведутся на кафедре микробиологии Днепропетровской медицинской академии, однако они пока не вышли за стадию лабораторного исследования.

Статья написана при участии Юргель Л.Г. и Кременчуцкого Г.Н.

От редакции

Редакция «Биомолекулы» обращает внимание читателей на то, что авторы статей из номинации «Своя работа» делятся важными и интересными деталями своих исследований, приводят собственный взгляд на ситуацию в своей отрасли. Коллектив же «Биомолекулы» не считает, что вопрос о целесообразности применения пробиотиков уже решен.

Результаты исследований подобных веществ, какими бы потрясающими они ни были, должны подтверждаться соответствующим образом: препарат должен пройти необходимые фазы клинических испытаний, чтобы медицинское сообщество могло признать его безопасным и эффективным лекарственным средством, и лишь после этого рекомендовать пациентам. Естественно, речь идет об испытаниях по международным нормам, а не так, как это иногда у нас бывает — на 12 пациентах сельского лазарета, заявивших, что им ну-просто-жуть-как-помогло. Неплохим ориентиром для врачей и пациентов было бы одобрение каких-либо пробиотических препаратов, например, американским FDA, но увы…

Пока же принимаемые внутрь пробиотики следует рассматривать не как лекарства, а как пищевые добавки. Причем заявленные производителем свойства препарата нельзя переносить на другие пробиотики: критичны штамм (не род и даже не вид) и количество колониеобразующих единиц. А еще нужно иметь в виду, что на такую продукцию влияет множество факторов, связанных с производством, условиями и сроками хранения, употреблением и пищеварением.

Крупнейшие контролирующие питание и лечение организации мира считают: пока не достаточно доказательств для утверждения, что пробиотики положительно влияют на здоровье (тем более всех поголовно, вне зависимости от исходного состояния этого самого здоровья). И не то чтобы контролеры были убеждены в неэффективности этих препаратов — просто, как правило, в проведенных медисследованиях они не усматривают достоверной причинно-следственной связи приема пробиотиков с позитивными изменениями. А еще стоит помнить о тех исследованиях, где какой-то пробиотик оказывался неэффективным или даже влиял отрицательно.

Так или иначе, потенциал у пробиотического направления есть — как минимум в профилактике и лечении разных энтеритов (если речь идет о пероральном приеме). Просто не всё так просто. Не так просто, как хотелось бы производителю, врачу и пациенту. Наверное, пробиотики на полках наших магазинов и аптек просто «родились немного недоношенными». Так что ждем от ученых-разработчиков и производителей убойных доказательств. А авторам статьи пожелаем успехов на этом нелегком поприще и, конечно, в поиске новых интересных свойств микроорганизмов.

  1. Кременчуцкий Г.Н., Рыженко С.А., Волянский А.Ю., Молчанов Р.Н., Чуйко В.И. А-бактерин в лечении и профилактике гнойно—воспалительных процессов. Днепропетровск: Пороги, 2000. — 150 с.;
  2. Vanbelle M., Teller E., Focant M. (1990). Probiotics in animal nutrition: a review. Arch. Tierernahr. 40 (7), 543–567;
  3. Риженко С.А., Кременчуцький Г.М., Бредихіна М.О. (2008). Вплив рідкого пробіотику «А-бактерину» на мікробіоту кишечника. Медичні перспективи2, 47–50;
  4. Акилов О.А. (2000). Современные методы лечения кандидоза. Сайт «Русский Медицинский Сервер».;
  5. Edwards J.E. Jr., Bodey G.P., Bowden R.A., Büchner T., de Pauw B.E., Filler S.G. et al. (1997). International conference for development of consensus on the management and prevention of severe candidal infections. Clin. lnfect. Dis. 25, 43–59;
  6. Antoniskis D., Larsen R.A., Akil B., Rarick M.U., Leedom J.M. (1990). Seronegative disseminated Coccidioidomycosis in patients with HIV infection. AIDS. 4, 691–693;
  7. Jones J.L., Fleming P.L., Ciesielski C.A., Hu D.J., Kaplan J.E., Ward J.W. (1995). Coccidioidomycosis among persons with AIDS in the United States. J. Infect. Dis. 171, 961–966;
  8. Степанский Д.А., Рыженко С.А., Кременчуцкий Г.Н., Шарун О.В., Юргель Л.Г., Крушинская Т.Ю., Кошевая И.П. (2012). Неоксидные компоненты антагонистической активности аэрококков (НКА). Аннали Мечниковського інституту4, 9–10;
  9. Ардатская М.Д. (2011). Пре- и пробиотики в коррекции микроэкологических нарушений кишечника. Фарматека12, 62–68;
  10. Бехтерева М.К., Иванова В.В. (2014). Место бактериофагов в терапии инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта. Педиатрия2, 24–29;
  11. Григорьева Г.И., Гордеева И.В., Кульчицкая М.А., Аникина Т.А. (2006). Эффективное применение биологических препаратов (пробиотики и бактериофаги) при лечении коров с острым течением эндометрита. Ветеринарная патология1, 52–56;
  12. Бондаренко В.М. (2013). Механизмы транслокации бактериальной аутофлоры в развитии эндогенной инфекции. Бюллетень оренбургского научного центра УРО РАН (электронный журнал). 3;
  13. Кременчуцкий Г.Н., Рыженко С.А., Юргель Л.Г. (2008). Явление транслокации E.coli (Hem+, Strr). Труды XVI Международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии, экологии». 250–251;
  14. Кутовий А.Б., Василишин Р.Й., Мешалов В.Д., Кременчуцкий Г.Н. (2002). Ентерально органа транслокація бактерій і генералізація інфекційного процесу в експерименті. Вісник наукових досліджень2, 121–123;
  15. Шарун А.В., Нікуліна О.О., Кременчуцький Г.М. (2005). Порівняльний аналіз біологічних властивостей аерококів, виділених із різних екологічних ніш організму людини. Медичні перспективи3, 72–78;
  16. Зимин А.А., Васильева Е.А., Васильева Е.Л., Фишман К.С., Скобликов Н.Э., Кременчуцкий Г.Н., Мурашев А.Н. (2009). Биобезопасность в фаговой и пробиотической терапии: проблемы и решения. Вестник новых медицинских технологий1, 200–202..

Микробиота. Как лекарства влияют на состав бактерий кишечника

Мы с Атласом уже рассказали, как работает микробиота, какие бактерии живут в кишечниках россиян, как микробиота влияет на развитие заболеваний, а также чем можно помочь здоровью кишечника. Мы получили много вопросов об антибиотиках и решили подготовить отдельный материал о том, как на микробиоту влияют разные лекарства. Рассказываем о самых популярных.


Автор иллюстраций Rentonorama

Антибиотики


Антибиотики — вид препаратов, которые уничтожают бактерии, уменьшают их размножение и распространение. Их используют для лечения бактериальных инфекций и только в тех случаях, когда без них не обойтись. По типу действия антибиотики можно разделить на два вида: бактерицидные и бактериостатические. Первые убивают микроорганизмы, а вторые не дают им размножаться.

Бактерициды убивают бактерии разными путями. Одни подавляют синтез клеточной стенки. К таким относятся бета-лактамные (пеницилины, цефалоспорины, карбапенемы, монобактамы) и ванкомицины. Другие, например даптомицин, метронидазол, фторхинолоны, нитрофурантоин, ко-тримаксозол, телитромицин, подавляют работу бактериальных энзимов и производство белков. Аминогликозиды обычно относятся к бактерицидным видам, хотя в отношении определенных штаммов они могут действовать как бактериостатики.

Бактериостатические препятствуют выработке бактериального белка, репликации ДНК и другим клеточным процессам. К ним относятся тетрациклины, сульфонамиды, спектиномицин, триметоприм, хлорамфеникол, макролиды и линкозамиды. Такие виды антибиотиков помогают иммунной системе человека справиться с воспалением. Однако высокие концентрации бактериостатиков могут действовать как бактерициды, поэтому четкой границы между группами нет.

Также антибиотики бывают широкого спектра и узконаправленные. В первом случае они бьют по разным видам микроорганизмов, во втором — только по определенным штаммам. Как правило, если неизвестно, какая бактерия привела к развитию симптомов, тогда применяют антибиотики широкого спектра.

Из-за разнообразия видов антибиотики сложно изучать: нужно проводить рандомизированное контролируемое исследование для каждого препарата, но это неэтично. У здоровых людей после такой терапии лишний раз нарушится баланс бактерий, а пациенты, которые будут получать плацебо вместо лекарств, не смогут выздороветь и, вероятно, получат осложнения от инфекции. Поэтому все, что мы имеем, — исследования на мышах и результаты изучения молекулярных процессов между антибиотиками и микроорганизмами.

Исследование микробиоты после терапии фторхинолонами и бета-лактамами показало, что оба вида антибиотиков снижают разнообразие микроорганизмов на 25%. Кроме того лечение бета-лактамами освобождает место для роста и доминирования устойчивых штаммов. Антибиотик широкого спектра клиндамицин приводит к снижению устойчивости микробиоты перед патогенными микроорганизмами, что увеличивает риск гастрита и диареи, вызванной Clostridium difficile.

Исследование 7 разных антибиотиков на мышах показало, что с высоким ростом патогена C. difficile связаны цефоперазон, метронидазол и стрептомицин. А наибольший рост бактерии ассоциирован с приемом ампицилина.

Часто для лечения заболеваний используется комплекс из нескольких антибиотиков. Чтобы изучить влияние терапии в этом случае, исследователи Университета Копенгагена отобрали 12 мужчин после 4-дневного лечения меропенемом, гентамицином и ванкомицином.

Лечение привело почти к полному уничтожению микробиоты. Спустя 6 месяцев большинство видов смогло восстановиться и вернуться к прежним уровням, однако участникам все равно не хватало 9 полезных представителей микробиоты, которые были в кишечнике до лечения.

Антибиотики по-разному воздействуют на микробиоту в зависимости от способа поступления в организм. Пероральный прием антибиотиков гораздо сильнее стимулирует развитие устойчивости, чем введение препарата в вену.

Ответ микробиоты на лечение антибиотиками зависит еще от индивидуальных особенностей, таких как возраст, образ жизни и состав бактерий в кишечнике. Например, их применение у новорожденных и младенцев приводит к нарушениям развития разнообразной и сбалансированной микробиоты. Также антибиотики ослабляют микробиоту внутриутробно, когда беременная женщина проходит терапию.

Исследователи приходят к тому, что антибиотики должны подбираться индивидуально, как химиотерапия для лечения рака. Уже сегодня разрабатываются алгоритмы, которые смогут по образцу микробиоты предсказать, как бактерии отреагируют на лечение антибиотиками. Для восстановления кишечника после терапии применяют пробиотические бактерии.

Обезболивающее


Нестероидные противовоспалительные средства (НПВС), или по-простому обезболивающие, применяются для избавления от боли, уменьшения воспаления и снижения температуры. Обезболивающие подавляют выработку простагландинов — медиаторов, которые запускают в организме реакцию воспаления. Такие лекарства бывают двух видов: селективные и неселективные.

Неселективные подавляют действие обоих ферментов, которые производят протагландины, — ЦОГ-1 и ЦОГ-2. Селективные подавляют только ЦОГ-2 и повышают риск тромбоза и сердечного приступа. Из-за высокого риска осложнений сейчас в основном применяются неселективные НПВС. К ним относится ибупрофен, аспирин, напроксен, диклофенак, мефенамовая кислота, индометацин. Несмотря на похожие свойства, парацетамол не относится к НПВС.

Исследование образцов микробиоты 155 взрослых, которые за последние 30 дней приняли обезболивающие препараты хотя бы один раз, показало, что на изменения сильнее влияет тип лекарства, а не количество. Кетопрофен, напроксен и кеторолак агрессивнее действуют на желудочно-кишечный тракт, чем ибупрофен и целекосиб.

Кроме того состав микробиоты отличался, когда НПВС применяли вместе с другими лекарствами, например антидепрессантами, слабительными и ингибиторами протонной помпы.

В недавнем исследовании на мышах выяснилось, что обезболивающий препарат индометацин усугубляет течение инфекции C. difficile. Ученые предполагают, что ибупрофен и аспирин действуют так же, потому что у этих лекарств схожий механизм действия. Однако нужно больше исследований, чтобы это выяснить.

Сейчас ведутся исследования о связи между приемом аспирина и состоянии микробиоты. Низкие дозы этого препарата часто назначают принимать регулярно тем, у кого высокий риск болезней сердца и сосудов. С другой стороны, прием аспирина увеличивает риск кровотечений в ЖКТ.

Антидепрессанты


Антидепрессанты — препараты, которые применяются для лечения депрессии. Есть разные виды этих лекарств, но самые распространенные — ингибиторы обратного захвата серотонина и/или норэпинефрина. Известно, что микробиота кишечника влияет на производство серотонина, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и дофамина — нейромедиаторов, от которых зависит наше настроение и самочувствие.

Сравнение образцов микробиоты пациентов с депрессией и здоровых взрослых показало, что у первых было больше бактерии Flavonifractor. В другом исследовании выяснили, что микробиота людей с депрессией, которые принимали антидепрессанты, содержит меньше бактерий Coprococcus и Dialister.

Исследования в пробирке (in vitro) демонстрируют антибактериальные свойства лекарств от депрессии. Влияние антидепрессантов изучали также на мышах. У них препараты ухудшали разнообразие и меняли состав бактерий кишечника.

Однако к этому исследованию стоит относиться осторожно: антидепрессанты вводили прямо в брюшко, чтобы добиться определенных концентраций, поэтому на результат мог повлиять стресс, который испытывали животные. Исследователи предполагают, что часть положительного эффекта антидепрессантов обусловлена воздействием на микробиоту.

Ингибиторы протонной помпы


Ингибиторы протонной помпы (ИПП) используются для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта. Часто их назначают при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, диспепсии, хроническом гастрите, дуодените и панкреатите.

Каждая клетка желудка содержит так называемую протонную помпу, от активности которой зависит производство кислоты для переваривания пищи. Иногда кислоты становится много, и она начинает разрушать здоровые клетки. Ингибиторы подавляют механизм производства кислоты.

В некоторых исследованиях отмечается, что прием ИПП увеличивает риск инфекции C. Difficile. Японское исследование показало, что у принимающих ИПП пациентов, представленность Streptococcus выше, а Faecalibacterium — ниже. Последние защищают наш кишечник от воспалений и производят необходимые для клеток жирные кислоты.

В другом исследовании сравнивали изменения микробиоты до и после курса приема ИПП. Оказалось, что у пациентов после лечения была выше представленность Lactobacillus — пробиотической бактерии, которая обычно связана со здоровьем кишечника. Исследователи отмечают, что большая представленность Lactobacillus встречается у пациентов с сахарным диабетом 2 типа и болезнью Паркинсона. Поэтому остается неясным, полезно ли в этом случае увеличение доли бактерии.

Разнообразие бактерий после приема ИПП уменьшается. Ученые предполагают, что это главная причина повышения риска инфекций и воспаления после приема препаратов.

Сейчас доступно множество лекарств, и каждая микробиота может реагировать на них по-разному, уменьшая или, наоборот, улучшая свойства препарата. Возможно, в будущем мы сможем подбирать более эффективные препараты в зависимости от состава бактерий кишечника (как по вариантам генов в фармакогенетике), но до этого еще далеко. Большую часть взаимодействий между организмом, бактериями и лекарствами еще предстоит изучить.

А в следующей статье подробно расскажем, как мы анализируем бактерии кишечника и что включает в себя тест «Генетика микробиоты».

Где и как человек использует бактерии

Технологическое применение биологических агентов, а именно использование бактерий с целью получения конкретных продуктов или проведения контролируемых направленных изменений, является основой биотехнологии.

Разнообразие бактерий в продуктах

Тысячи лет назад человек, ничего не зная о биотехнологиях, использовал их в своем хозяйстве – он варил пиво, занимался виноделием, пек хлеб и делал молочнокислые продукты и сыры.

В современном мире практическое значение методов биотехнологии с использованием бактерий трудно переоценить – они применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и фармакологии, при добыче полезных ископаемых и их переработке, в процессе очистки воды в природе и в септиках, во многих сферах жизни человека.

Пищевая индустрия

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.

молочнокислые бактерии

Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.

К молочнокислым бактериям относят:

  • лактобактерии – грамположительные микроаэрофилы отряда Lactobacillales, неспорообразующие кокки или палочковидные бактерии;
  • бифидобактерии – спорообразующие термофильные аэробы рода Sporolactobacillus и Bacillus.

Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.

В бродильной микрофлоре, помимо молочнокислых бактерий, присутствуют дрожжи, состоящие с бактериями в сложных симбиотических отношениях.

Подобная бродильная закваска с дрожжами используется в хлебопекарной промышленности, особенно при выпечке ржаных хлебов.

хлебопекарные дрожжи

Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.

Эти бактерии не обладают активностью к казеину, но имеют высокую липолитическую активность, в результате которой образуется ряд органических кислот:

  • уксусная;
  • изомасляная;
  • масляная;
  • изовалериановая;
  • валериановая;
  • и диацетил.

Состав продуктов метаболизма бактерий, который и определяет органолептические (вкусовые) свойства конечного продукта (сыра), зависит от штамма микроорганизмов.

твердый сыр

Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.

Кроме того, пропионовокислые бактерии обладают бактерицидными свойствами, являясь естественными консервантами казеина (молочный белок).

Если для крупных сыров пропионовокислые бактерии являются технологической необходимостью, то для мелких это нежелательная биофлора, наличие которой приводит к нарушению вкусовых характеристик.

пропионовокислое брожение

Рост пропионовокислой микрофлоры в мелких сырах происходит только в случае нарушения технологических стандартов:

  • понижении уровня соли;
  • нарушении температурных условий при созревании.

Промышленность

Выщелачивание

Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:

  • позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
  • удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.

Чаще всего в промышленности для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии:

  • Thiobacillius ferrooxidans – железобактерии, окисляющие закисное железо и сульфидные минералы.
  • Thiobacillius thiooxidans – серобактерии, окисляющие серу.

Железная руда - это результат жизнедеятельности бактерий

Железо- и серобактерии являются хемоавтотрофами – процессы окисления сульфидов, оксида железа (ll) и серы для них являются единственным источником энергии.

В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.

Процесс не требует сложного оборудования и с учетом возврата в технологический процесс отработанного раствора, содержащего бактерии, имеет ряд значительных преимуществ:

  • позволяет значительно понизить себестоимость добычи;
  • значительно расширяет сырьевую базу за счет обедненных, забалансовых или потерянных руд, отходов обогащения, шлаков и др.
Бактерии, окисляющие железо

Железобактерии в реке

Использование биотехнологий при добыче полезных ископаемых является чрезвычайно перспективным, с целью расширения области применения ученые проводят исследовательские работы по следующим направлениям:

  • выщелачивание тионовыми бактериями различных металлов – Zn (цинк), Co (кобальт), Mn (марганец) и др.;
  • поиск бактерий других видов для извлечения полезных ископаемых.

Так, для извлечения золота, например, предлагается применять бактерии Aeromonas, которые выделены на золотоносных приисках в рудничных водах.

В будущем бактериальное выщелачивание позволит создать автоматизированное производство по извлечению металлов непосредственно из недр, минуя сложный и дорогостоящий процесс обогащения породы.

Медицинские препараты

Препараты, созданные при участии бактерий, широко применяются в современной медицине и спасли тысячи жизней. Революцией стало появление пенициллина – первого полученного антибиотика.

антибиотики

Антибиотики – вещества, способные подавить рост бактериальных клеток, при этом механизм воздействия может быть различным:

  • пенициллин разрушает саму оболочку бактерии;
  • стрептомицин подавляет рибосомы клеток патогенных микроорганизмов.

Поэтому в современной медицине антибиотики являются эффективным средством в борьбе с инфекционными заболеваниями человека, но практически неэффективны против вирусных инфекций.

Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:

  • инсулин и интерферон получают с использованием генно-инженерных технологий на основе кишечной палочки Escherichia coli;
  • ферменты сенной палочки Bacillus subtilis разрушают продукты гнилостного разложения.

сенная палочка

Современные биотехнологии позволяют осуществлять производство ферментов, гормонов, антибактериальных препаратов и витаминов.

Значение энзимов

Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.

ферменты бактерий

Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.

Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:

  • внеклеточные;
  • внутриклеточные.

Ферменты часто применяются человеком на производствах:

  • пищевом;
  • фармацевтическом;
  • кожевенном;
  • текстильном;
  • химическом;
  • в сельском хозяйстве.

моюющие средства с ферментами

Ферментативный спектр

Для каждого вида бактерий характерны свои наборы ферментов, что позволяет использовать ферментный спектр как важный метод идентификации бактерий.

Существует множество методик идентификации бактерий, которые решают одну задачу – определить таксономическое положение микроорганизма.

Идентификация бактерий

Бактериологическая практика идентифицирует бактерии по морфологическим, генотипическим, культурным, тинкториальным, патогенным и другим признакам, используя определители.

Одним из самых популярных является определитель Берджи – бактерии в определителе разделены на группы по различным признакам, внутри группы тоже происходит разделение по признакам.

Определитель микроорганизмов Берджи позволяет достаточно быстро провести идентификацию бактерии и установить ее таксономическое положение.

Другим методом идентификации бактерий является изучение ферментативной активности, чаще всего это исследования на сахаролитическую и протеолитическую активность.

Идентификация бактерий по ферментативной активности

Как экспресс-метод используют тест-системы для идентификации определенной группы микроорганизмов – анаэробов, энтеробактерий и других. Существуют специализированные тест-системы, разработанные для санитарно-микробиологических исследований.

Земледелие

Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:

  • создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
  • производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
  • разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.

Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.

Клубеньки на корнях растений

В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии:

  • люцерна;
  • люпин;
  • горох;
  • бобовые культуры.

Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.

Клубеньки на корнях бобовых растений

Для борьбы с болезнетворными микроорганизмами в растениеводстве вместо фунгицидов используют пробиотики.

Биотехнология при участии генно-инженерных разработок предлагает для борьбы с патогенными микроорганизмами использовать бактерии с нужными свойствами, способные подавить рост патогенных микробов и не имеющие побочных негативных действий.

К ним относятся элитные штаммы бактерий Bacillus subtilis и Licheniformis, полученные в результате направленной селекции. Попадая в организм растения или животного, элитные штаммы микроорганизмов начинают быстро размножаться и подавляют патогенную микрофлору.

Элитные штаммы, как и антибиотики, нейтрализуют вредные микроорганизмы, но не имеют их негативных сторон:

  • не возникает зависимость или привыкание;
  • не происходит накопление в организме ядов или токсинов;
  • не вырабатывается иммунитет.

Сенная палочка под микроскопом

Применение в сельском хозяйстве пробиотиков успешно в отношении более 70 патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, включая ранее не подлежащие лечению совсем. Помимо этого, элитные штаммы благотворно воздействуют на вегетацию растений в целом:

  • созревание плодов требует меньшего времени;
  • значительно уменьшается содержание в плодах нитратов и других токсинов;
  • сокращается необходимость в минеральных подкормках растений.

Животноводство

Молочнокислые бактерии используют в производстве силоса – силосовании.

В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.

Процесс молочнокислого сбраживания растительной массы требует соблюдения оптимальных для жизнедеятельности бактерий условий:

  • химический состав растительной массы;
  • определенный уровень влажности сырья;
  • оптимальная температура ферментации – 25°С;
  • молочнокислые бактерии анаэробны – силосование проходит без доступа воздуха.

силос

Полученный в результате молочнокислого сбраживания силос является высококачественным сочным кормом для животных, сохраняющим полезные вещества растительного сырья и имеющим высокую кормовую ценность.

Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан – углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.

Экологические проблемы

Одной из основных экологических проблем, стоящих перед человеком сегодня, является проблема очистки воды в природе.

Совместное использование гетеротрофных и автотрофных бактерий позволило добиться значительного успеха – бактерии в природе успешно справляются с очисткой воды, нормализуют ее кислотность, разлагают придонные отложения, в результате чего нормализуется жизнедеятельность всех обитателей водоемов.

загрязненная вода

Также бактерии в природе способны разлагать компоненты синтетических моющих средств и ряд лекарственных препаратов.

Ксенобактерии успешно используются для очистки в природе почвы и воды при разливе нефти и нефтепродуктов.

Очистные сооружения

Человек использует большое количество воды для своих личных нужд, решая вопрос очистки сточных вод использованием септиков.

Септик - устройство и очистка

Эффективность работы очистных сооружений обеспечивают специальные бактерии, используемые в септиках.

Микроорганизмы, используемые в септиках, разлагают органические соединения любого происхождения, при очистке сточных вод они успешно уничтожают специфический запах.

По составу бактериальная флора септика представляет собой сочетание аэробной и анаэробной культур.

Анаэробные (бескислородные) микроорганизмы осуществляют первичную очистку воды, а аэробные бактерии доочищают и осветляют воду.

бактерии для утилизации содержимого туалета, Водограй

При использовании микроорганизмов для септика существуют определенные правила для очистки сточных вод:

  • необходимо поддерживать определенный уровень микроорганизмов в септике;
  • обязательным является наличие воды – без нее микроорганизмы погибнут;
  • нельзя использовать для очистки агрессивные химические средства – они убьют микроорганизмы.

Инструменты биотехнологических процессов

Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.

генная инженерия

Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.

В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.

Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.

Минусами метода следует считать:

  • длительность процесса;
  • невозможность контролировать направление мутации – определяется по конечному результату.

Генно-инженерные методы в биотехнологии

Методы генно-инженерного вмешательства изменяют клетки микроорганизмов и дрожжей, превращая их в эффективных производителей любого белка. Что открывает широкие возможности использования генно-модифицированных клеток микробов и дрожжей для получения конечного организма с заданными характеристиками.

Выращивание бактерий в чашке Петри

Использование генно-мутированных клеток микробов и дрожжей человеком в повседневной жизни вызывает обоснованные опасения – много как сторонников генно-измененных веществ, так и их противников.

Однако фактом остается отсутствие информации о воздействии генно-модифицированных клеток бактерий и дрожжей на организм человека и природу в целом.

Генно-модифицированные бактерии и энергия

Генетики работают над вопросом альтернативного источника энергии. Основной задачей является создание химического сырья, а далее топлива как продукта бактериального метаболизма.

Одним из направлений получения человеком энергии от бактерий является работа с генно-модифицированными цианобактериями.

Биологи Тюбингенского университета обнаружили микроорганизмы, обладающие свойствами батарейки и способные как аккумулировать энергию, так и передавать ее другим бактериям.

создание топлива

Энергию, вырабатываемую этими бактериями, человек может использовать для наноприборов.

В Китае построен прибор, в котором бактерии получают водород из ацетатов, при этом внешнего источника энергии у аппарата нет, а сырьем служат дешевые отходы производства. В свою очередь водород является источником энергии для эко-автомобилей.

Микробиологи в университете Южной Каролины обнаружили бактерию, способную вырабатывать энергию, питаясь токсичными отходами, такими проблемными как полихлорированные бифенилы и агрессивные растворители.

лабораторные исследования

Калифорнийские исследователи предложили методику переработки бурых водорослей модифицированной кишечной палочкой, получая на выходе этиловый спирт – прекрасный источник энергии.

Водород, как источник энергии, получили американские ученые при разложении анаэробными бактериями глюкозы.

Плюсы и минусы ГМО (генетически модифицированный организм)

Использование человеком в повседневной жизни генно-модифицированных бактерий и дрожжей для получения измененных организмов имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

К плюсам генно-модифицированных организмов относят:

  • производство любых органов для трансплантации, которые не будут отторгаться;
  • производство исходного материала для биотоплива;
  • производство лекарственных препаратов;
  • создание растений для технических целей (производство тканей и т.д.).

антибиотики

Известные минусы генно-модифицированных продуктов:

  • себестоимость генно-модифицированных овощей и фруктов почти на 30% выше натуральных;
  • семена и плоды ГМ-растений нежизнеспособны;
  • поля с ГМ-посадками требуют повышенного количества пестицидов и гербицидов;
  • культурные ГМ-растения способны производить гибриды с дикими растениями.

Использование человеком микроорганизмов в повседневной жизни и на производствах может быть ограничено только свойствами самих бактерий. А чем больше ученые уделяют внимания бациллам, тем больше интересных и полезных свойств микроорганизмов обнаруживают.

Изучение микробов в лаборатории

Бактерии вырабатывают энергию, добывают полезные ископаемые, очищают воду и почву – недавно обнаружены бактерии, поедающие даже пластиковые пакеты (!) – катализируют производственные процессы, используются в синтезе фармацевтических препаратов и во многих других сферах жизни человека.

svetlanaguz

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Бактерии — Википедия

Бакте́рии (лат. bacteria, от др.-греч. βακτήριον — «палочка») — домен прокариотических микроорганизмов. Бактерии обычно достигают нескольких микрометров в длину, их клетки могут иметь разнообразную форму: от шарообразной до палочковидной и спиралевидной. Бактерии — одна из первых форм жизни на Земле и встречаются почти во всех земных местообитаниях. Они населяют почву, пресные и морские водоёмы, кислые горячие источники, радиоактивные отходы[2] и глубинные слои земной коры. Бактерии часто являются симбионтами и паразитами растений и животных. Большинство бактерий к настоящему времени не описано, и представители лишь половины типов бактерий могут быть выращены в лаборатории[3]. Бактерии изучает наука бактериология — раздел микробиологии.

Один грамм почвы в среднем содержит 40 миллионов бактериальных клеток, а в миллилитре свежей воды можно найти миллион клеток бактерий. На Земле насчитывается около 5⋅1030 бактерий[4], и их биомасса превышает суммарную биомассу животных и растений[5]. Они играют важную роль в круговороте питательных веществ[en], например, именно бактерии осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они также разлагают останки животных и растений посредством гниения[6]. Экстремофильные бактерии, обитающие рядом с холодными[en] и горячими гидротермальными источниками, вырабатывают энергию из нерастворимых соединений, таких как сероводород и метан. Предполагается, что бактерии живут и в Марианской впадине, имеющей глубину 11 километров[7][8]. Имеются сообщения о бактериях, обитающих в каменистых породах на 580 метров глубже морского дна на глубине 2,6 км около северо-востока США[7][9].

Человеческую микрофлору составляют 39 триллионов бактериальных клеток (само тело человека состоит из около 30 триллионов клеток)[10]. Наиболее многочисленна кишечная микрофлора, кожа также заселена многими бактериями[11]. Большинство бактерий, обитающих в человеческом теле, безвредны за счёт сдерживающего действия иммунной системы или приносят пользу (микрофлора человека). Ряд бактерий патогенны для человека. Такие инфекционные болезни, как холера, сифилис, сибирская язва, проказа и бубонная чума, вызываются бактериями. Наибольшее число смертей вызвано бактериальными респираторными инфекциями[en], и один лишь туберкулёз ежегодно убивает 2 миллиона человек (преимущественно в Африке южнее Сахары)[12]. В развитых странах антибиотики используются не только для лечения заболеваний человека, но и в животноводстве, из-за чего проблема устойчивости к антибиотикам становится всё более актуальной. В промышленности бактерии используют в очистке сточных вод, для ликвидации разливов нефти, при получении сыра и йогурта, восстановлении золота, палладия, меди и других металлов из руд[13], а также в биотехнологии, для получения антибиотиков и других соединений[14].

Первоначально бактерии поместили в царство растений в составе класса Schizomycetes. Сейчас известно, что бактерии, в отличие от растений и других эукариот, не имеют оформленного ядра и, как правило, мембранных органелл. Традиционно бактериями называли всех прокариот, однако в 1970-х годах было показано, что прокариоты представлены двумя независимыми доменами — бактериями и археями (эукариоты составляют третий домен)[15].

Слово «бактерия» происходит от лат. bacterium, производного от греч. βακτηρία, что означает «трость, палочка», так как первые описанные бактерии были палочковидными[16][17].

Предки современных бактерий были одноклеточными микроорганизмами, которые стали одной из первых форм жизни на Земле, появившись около 4 миллиардов лет назад. Почти три миллиарда лет вся жизнь на Земле была микроскопической[18][19]. Хотя для бактерий известны ископаемые останки (например, строматолиты), их морфология очень однообразна, что не позволяет идентифицировать отдельные виды. Однако для реконструкции филогении бактерий можно использовать последовательности генов, и именно с их помощью было показано, что бактерии отделились раньше архей и эукариот[20]. Ближайший общий предок бактерий и архей, вероятнее всего, был гипертермофилом, который жил 3—2,5 млрд лет назад[21][22].

Бактерии сыграли важнейшую роль в появлении эукариот. Считается, что эукариотическая клетка возникла, когда бактерии стали эндосимбионтами одноклеточных организмов, вероятно, близких к современным археям[23][24]. Иными словами, прото-эукариотическая клетка проглотила клетку α-протеобактерии, которая дала начало митохондриям и гидрогеносомам. На данный момент неизвестны эукариоты, лишённые и митохондрий, и гидрогеносом, хотя иногда эти органеллы сильно редуцированы. Впоследствии некоторые из эукариот, уже имеющих митохондрии, проглотили клетки цианобактерий, которые стали пластидами растений и водорослей[25][26].

Различные морфотипы бактерий

Бактериальные клетки имеют чрезвычайно разнообразную морфологию (то есть форму и размер). Как правило, бактериальные клетки в десять раз мельче эукариотических и достигают 0,5—5 мкм в длину. Однако есть и бактерии, видимые невооружённым глазом: так, Thiomargarita namibiensis достигает половины миллиметра в длину[27], а длина Epulopiscium fishelsoni может составлять 0,7 мм[28]. К числу самых мелких бактерий можно отнести представителей рода Mycoplasma, длина клеток которых не превышает 0,3 мкм, что сравнимо по размерам с вирионами некоторых вирусов[29]. Существуют ещё более мелкие бактерии (ультрамикробактерии[en]), однако они плохо изучены[30].

Большинство бактерий имеют шарообразную (кокки) или палочковидную (бациллы) форму[31]. Некоторые бактерии, называемые вибрионами[en], выглядят как слегка закрученные палочки или запятые; спириллы имеют спиральную форму, а спирохеты имеют длинные плотно закрученные клетки. Описаны и бактерии с другими необычными формами клеток, например, клетками в форме звезды[32]. Разнообразие форм бактериальных клеток обусловлено особенностями их клеточных стенок и цитоскелета. Форма бактериальной клетки обусловливает их способность поглощать питательные вещества, прикрепляться к поверхностям, плавать в жидкостях и ускользать от питающихся бактериями организмов[33].

Многие виды бактерий существуют в виде одиночных клеток, однако у некоторых видов клетки образуют характерные скопления: например, клетки Neisseria объединены в пары, у Streptococcus — в цепочки, у Staphylococcus — в скопления в виде грозди винограда. Некоторые бактерии могут формировать более сложные многоклеточные структуры. Так, Actinobacteria формируют длинные филаменты (внутриклеточные нитевидные образования), Myxococcales образуют плодовые тела, а Streptomyces образуют ветвящиеся нити[34]. Иногда такие сложные структуры появляются только при некоторых условиях. Например, при нехватке аминокислот клетки Myxococcales определяют расположение соседних клеток того же вида с помощью чувства кворума, движутся навстречу друг другу и формируют плодовые тела до 500 мкм длиной, состоящие из около 100 тысяч бактериальных клеток[35]. Бактериальные клетки в составе плодовых тел выполняют различные функции: десятая часть всех клеток мигрирует к верхней части плодового тела и превращается в особую покоящуюся форму, называемую миксоспорой, которая более устойчива к высыханию и другим неблагоприятным условиям внешней среды[36].

Бактерии часто прикрепляются к какой-либо поверхности и формируют плотные скопления, известные как биоплёнки, или более крупные скопления — бактериальные маты. Толщина биоплёнок и матов может составлять от нескольких микрометров до полуметра, в их состав могут входить бактерии разных видов, а также археи и протисты. В биоплёнках наблюдается сложное расположение клеток и внеклеточных компонентов, которые формируют вторичные структуры, известные как микроколонии, через которые проходит сеть каналов, обеспечивающая лучшую диффузию питательных веществ[37][38]. В таких местообитаниях, как почва и поверхность растений, большинство бактерий, прикреплённых к поверхностям, входят в состав биоплёнок[39]. Биоплёнки имеют важное значение для медицины, потому что они часто образуются при хронических бактериальных инфекциях или инфекциях, связанных с инородными имплантатами. Более того, бактерии в составе биоплёнок гораздо сложнее убить, чем отдельные бактериальные клетки[40].

Строение клетки типичной грамположительной бактерии (обратите внимание на наличие только одной клеточной мембраны)

Внутриклеточные структуры[править | править код]

Бактериальная клетка окружена мембраной, состоящей в основном из фосфолипидов. Мембрана окружает всё содержимое клетки и выступает в роли барьера для удержания в клетке питательных веществ, белков и других компонентов цитоплазмы[41]. В отличие от клеток эукариот, у бактерий, как правило, отсутствуют крупные мембранные органеллы, такие как ядро, митохондрии, хлоропласты[42]. Однако у некоторых бактерий имеются органеллы с белковой оболочкой, в которых протекают определённые метаболические процессы[43][44], например, карбоксисомы[45]. Кроме того, у бактерий имеется многокомпонентный цитоскелет, который контролирует локализацию нуклеиновых кислот и белков внутри клетки и управляет клеточным делением[46][47][48].

Многие важные биохимические реакции, такие как образование АТФ, происходят за счёт градиента концентрации определённых ионов по разные стороны мембраны, что создаёт разность потенциалов, как в батарейке. Поскольку у бактерий нет мембранных органелл, такие реакции (например, перенос электронов) протекают при участии мембраны бактериальной клетки, обращённой во внешнюю среду в случае грамположительных бактерий или в периплазматическое пространство в случае грамотрицательных бактерий[49]. Однако у многих фотосинтезирующих бактерий мембрана образует многочисленные складки, которые заполняют почти всё внутреннее пространство клетки[50]. На этих складках располагаются светопоглощающие комплексы, однако у некоторых бактерий, например, зелёных серных бактерий, светопоглощающие комплексы находятся внутри особых мембранных пузырьков — хлоросом[51].

У большинства бактерий нет ядра, окружённого мембранами, и их генетический материал, в большинстве случаев представленный единственной кольцевой молекулой ДНК[en], находится в цитоплазме в составе нуклеоида, имеющего неправильную форму[52]. Нуклеоид содержит не только геномную ДНК, но также взаимодействующие с ней белки и РНК. Как все живые организмы, бактерии имеют рибосомы, которые обеспечивают синтез белков, однако размеры и структура рибосом бактерий отличаются от таковой у рибосом архей и эукариот[53].

У некоторых бактерий в цитоплазме имеются гранулы, запасающие питательные вещества, такие как гликоген[54], полифосфат[55], сера[56] или полигидроксиалканоаты[57]. Ряд бактерий, например, фотосинтезирующие цианобактерии, имеют газовые вакуоли, с помощью которых они регулируют свою плавучесть, благодаря чему могут перемещаться между слоями воды с разным содержанием питательных веществ и уровнем освещённости[58].

Внеклеточные структуры[править | править код]

Поверх мембраны бактериальной клетки располагается клеточная стенка. Клеточная стенка бактерий состоит из пептидогликана, также известного как муреин, который состоит из полисахаридных цепочек, связанных пептидными линкерами из D-аминокислот[59]. По химическому составу бактериальная клеточная стенка отличается от клеточной стенки растений и грибов, у которых она состоит из целлюлозы и хитина соответственно[60]. Клеточная стенка архей также не содержит пептидогликана. Клеточная стенка жизненно необходима для многих видов бактерий, и некоторые антибиотики, такие как пенициллин, подавляют биосинтез пептидогликана и тем самым убивают бактерию[60].

В широком смысле по составу клеточной стенки бактерий принято делить на грамположительные и грамотрицательные. Название этих типов связано с их дифференциальной окраской по методу Грама, который долгое время используется для классификации бактерий[61]. У грамположительных бактерий имеется толстая клеточная стенка, состоящая из многих слоёв пептидогликана и тейхоевых кислот. У грамотрицательных бактерий, напротив, клеточная стенка значительно тоньше и включает всего лишь несколько слоёв пептидогликана, а поверх неё залегает вторая мембрана, содержащая липополисахариды и липопротеины. Большинство бактерий грамотрицательны, и только фирмикуты и актинобактерии грамположительны (ранее они были известны как грамположительные бактерии с низким GC-составом и грамположительные бактерии с высоким GC-составом соответственно)[62]. Различия между грамположительными и грамотрицательными бактериями могут обусловливать различную чувствительность к антибиотикам. Например, ванкомицин эффективен только против грамположительных бактерий и не действует на грамотрицательные бактерии[63]. У некоторых бактерий строение клеточной стенки не соответствует в строгом смысле ни грамположительному, ни грамотрицательному типу. Например, у микобактерий имеется толстый слой пептидогликана, как у грамположительных бактерий, который покрыт внешней мембраной, как у грамотрицательных бактерий[64].

У многих бактерий клетка покрыта так называемым S-слоем, состоящим из плотно уложенных молекул белков[65]. S-слой обеспечивает химическую и физическую защиту клетки и может выступать в роли макромолекулярного диффузионного барьера. Функции S-слоя разнообразны, но плохо изучены, однако известно, что у Campylobacter он выступает фактором вирулентности, а у Geobacillus stearothermophilus[en] он содержит поверхностные ферменты[66].

Электронная микрофотография Helicobacter pylori, на клеточной поверхности располагается множество жгутиков

У многих бактерий имеются жгутики, представляющие собой плотные белковые структуры около 20 нм в диаметре и до 20 мкм в длину. Они обеспечивают подвижность клеток и по строению и механизму работы не имеют ничего общего с эукариотическими жгутиками. Движение жгутиков бактерий происходит за счёт энергии, которая высвобождается при движении ионов по электрохимическому градиенту через клеточную мембрану[67].

Нередко клетки бактерий покрыты фимбриями, которые представляют собой белковые филаменты, достигающие 2—10 нм в диаметре и до нескольких мкм в длину. Они покрывают всю поверхность бактериальной клетки и в электронный микроскоп выглядят как волоски. Предполагается, что фимбрии участвуют в прикреплении клеток бактерий к различным поверхностям и друг к другу, а у многих патогенных бактерий они являются факторами вирулентности[68]. Пили — это клеточные белковые придатки, более толстые, чем фимбрии, которые обеспечивают перенос генетического материала от одной бактериальной клетки к другой в ходе конъюгации (половые пили)[69]. Кроме того, пили IV типа участвуют в движении[70].

Многие бактериальные клетки выделяют покрывающий их гликокаликс различной сложности строения: от тонкого неструктурированного слоя внеклеточных полимеров[en] до высоко структурированной капсулы. Гликокаликс может защищать бактерию от поглощения эукариотическими клетками, например, макрофагами, входящими в состав иммунной системы[71]. Он также может выступать в роли антигена, который используется для распознавания бактериальных клеток иммунной системой, а также участвовать в формировании биоплёнок и прикреплении бактериальных клеток к поверхностям[72].

Образование внеклеточных структур бактериальной клетки обеспечивается бактериальными системами секреции. Они транспортируют белки из цитоплазмы в периплазматическое пространство или во внешнюю среду. Известно несколько типов бактериальных систем секреции, кроме того, бактериальные системы секреции нередко выступают в роли факторов вирулентности[73].

Эндоспоры[править | править код]

Окрашенный препарат Bacillus subtilis. Вегетативные клетки красные, споры зелёные.

Представители нескольких родов грамположительных бактерий, таких как Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter[en], Anaerobacter[en] и Heliobacterium, образуют покоящиеся структуры, обладающие повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды и называемые эндоспорами[74]. Эндоспоры образуются в цитоплазме клетки, и, как правило, в одной клетке может сформироваться только одна эндоспора. Каждая эндоспора содержит ДНК и рибосомы, окружённые поверхностным слоем цитоплазмы, поверх которого залегает плотная многослойная оболочка, состоящая из пептидогликана и разнообразных белков[75].

Внутри эндоспор не протекают метаболические процессы, и они могут выживать при сильнейших неблагоприятных физических и химических воздействиях, таких как интенсивное УФ-излучение, γ-излучение, детергенты, дезинфицирующие агенты, замораживание, давление и высыхание[en][76]. Эндоспоры могут сохранять жизнеспособность в течение миллионов лет[77][78], и с их помощью бактерии могут оставаться живыми даже в условиях вакуума и космического излучения[79]. Некоторые бактерии, формирующие эндоспоры, патогенны. Так, сибирская язва развивается после вдыхания спор грамположительной бактерии Bacillus anthracis, а попадание эндоспор Clostridium tetani в глубокие открытые раны может привести к столбняку[80].

У бактерий наблюдается колоссальное разнообразие видов метаболизма[81]. Традиционно таксономия бактерий строилась на основе их метаболических особенностей, однако она во многом не совпадает с современной классификацией, построенной на геномных последовательностях[82]. Бактерии делятся на три типа питания в зависимости от ключевых черт метаболизма: источника энергии, донора электронов и источника углерода[83].

Бактерии получают энергию двумя способами: поглощая свет в ходе фотосинтеза или окисляя химические соединения (хемосинтез)[84]. Хемотрофы используют в качестве источника энергии химические вещества, перенося электроны с имеющегося донора на конечный акцептор электронов в ходе окислительно-восстановительной реакции. Высвобождающаяся при этой реакции энергия далее используется для нужд метаболизма. В зависимости от того, какое вещество используется как донор электронов, хемотрофы подразделяются ещё на несколько групп. Бактерии, использующие неорганические вещества, такие как водород, угарный газ или аммиак, называются литотрофами, а бактерии, окисляющие органические соединения, называются органотрофами. Бактерий также классифицируют в зависимости от веществ, выступающих акцепторами электронов. У аэробов акцептором электронов выступает кислород, а анаэробы используют для этого другие соединения, такие как нитрат, сульфат и углекислый газ[84].

Многие бактерии удовлетворяют свои потребности в углероде за счёт органических соединений; такие бактерии называются гетеротрофами. Другие бактерии, например, цианобактерии и некоторые пурпурные бактерии, являются автотрофами, то есть получают углерод, фиксируя углекислый газ[85]. В некоторых условиях метанотрофные бактерии используют метан и как источник электронов, и как источник углерода[86].

Типы питания бактерий
Тип питанияИсточник энергииИсточник углеродаПримеры
ФототрофыСолнечный светОрганические вещества (фотогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (фотоавтотрофы)Цианобактерии, зелёные серные бактерии, Chloroflexi[en], пурпурные бактерии
ЛитотрофыНеорганические соединенияОрганические вещества (литогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (литоавтотрофы)Thermodesulfobacteria[en], Hydrogenophilaceae[en], Nitrospirae[en]
ОрганотрофыОрганические соединенияОрганические вещества (хемогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (хемоавтотрофы)Bacillus, Clostridium, Enterobacteriaceae

Метаболизм бактерий имеет огромное значение для экологической стабильности и деятельности человека. Например, некоторые бактерии являются единственными фиксаторами атмосферного азота (с помощью фермента нитрогеназы)[87]. Другими важными для окружающей среды химическими процессами, осуществляемыми бактериями, являются денитрификация, восстановление сульфата и ацетогенез[88][89]. Метаболические процессы бактерий также могут служить источниками загрязнения. Так, сульфатредуцирующие бактерии образуют высокотоксичные соединения ртути (метил- и диметилртуть)[90]. Ряд анаэробных бактерий осуществляет брожение для получения энергии, и его побочные продукты (например, этанол при спиртовом брожении) попадают в окружающую среду. Факультативные анаэробы могут переключаться между получением энергии с помощью брожения и получением её с помощью дыхания с различными акцепторами электронов в зависимости от условий окружающей среды[91].

Многие бактерии размножаются бинарным делением (сравните с митозом и мейозом на этой схеме)

В отличие от многоклеточных организмов, у одноклеточных организмов (и бактерий в том числе) рост, то есть увеличение клетки в размерах, и размножение путём деления клеток тесно связаны[92]. Бактериальные клетки достигают определённого размера и после этого делятся бинарным делением. В оптимальных условиях бактерии растут и делятся очень быстро, описан пример морской псевдомонады, популяция которой может удваиваться каждые 9,8 минуты[93]. При бинарном делении образуются две дочерние клетки, идентичные материнской. Некоторые бактерии, хотя и размножаются простым делением, образуют более сложные структуры, предназначенные для распространения дочерних клеток. Примером могут служить плодовые тела миксобактерий и воздушные гифы стрептомицетов. Некоторые бактерии способны к почкованию, когда дочерняя клетка образует вырост на материнской, который впоследствии отделяется и переходит к самостоятельной жизни[94].

В лаборатории бактерии растят на твёрдых или жидких средах. Твёрдые среды, такие как агар, используются для изоляции[en] чистых культур бактериальных штаммов. Жидкие среды используются, когда необходимо измерять скорость роста или получить большое количество клеток. При выращивании бактерий в жидкой среде с перемешиванием получаются однородные клеточные культуры, однако сложно заметить загрязнение другими бактериями. Для идентификации отдельных бактерий используются селективные среды, содержащие антибиотики, специфические питательные вещества или, наоборот, лишённые каких-то соединений[96].

Для большинства лабораторных методов выращивания бактерий необходимы большие количества питательных веществ, чтобы обеспечить быстрое получение больших объёмов клеток. Однако в естественных условиях питательные вещества ограничены, и бактерии не могут размножаться бесконечно. Из-за ограниченного количества питательных веществ в ходе эволюции появились различные стратегии роста. Некоторые виды растут чрезвычайно быстро, когда питательные вещества доступны, например, цианобактерии нередко вызывают цветение водоёмов, насыщенных органикой[97]. Другие организмы адаптированы к жёстким условиям окружающей среды, например, бактерии рода Streptomyces выделяют антибиотики, которые подавляют рост конкурирующих бактерий[98]. В природе многие виды бактерий живут сообществами (например, в виде биоплёнок), которые обеспечивают каждую клетку необходимым питанием и защищают от неблагоприятных условий[39]. Некоторые организмы и группы организмов растут только в составе сообществ и не могут быть выделены в чистую культуру[99].

Динамику роста бактериальной популяции можно подразделить на четыре фазы. Когда популяция бактерий попадает в среду, богатую питательными веществами, клетки начинают адаптироваться к новым условиям. Первая фаза роста называется лаг-фазой, это период медленного роста, когда клетки адаптируются к среде, богатой питательными веществами, и готовятся к быстрому росту. Во время лаг-фазы происходит интенсивный синтез белков[100]. За лаг-фазой следует логарифмическая, или экспоненциальная фаза, во время которой происходит быстрый экспоненциальный рост. Скорость, с которой клетки растут во время этой фазы, называют скоростью роста, а время, которое необходимо для удвоения клеточной популяции, называется временем генерации. В ходе лог-фазы питательные вещества потребляются с максимальной скоростью, до тех пор пока одно из необходимых соединений не кончится и не начнёт подавлять рост. Третья фаза роста называется стационарной, она начинается при нехватке питательных веществ для быстрого роста. Скорость метаболизма падает, и клетки начинают расщеплять белки, не являющиеся строго необходимыми. Во время стационарной фазы экспрессируются гены, белковые продукты которых участвуют в репарации ДНК, метаболизме антиоксидантов и транспорте питательных веществ[101]. Финальная фаза роста — фаза смерти, при которой запас питательных веществ исчерпывается и бактерии погибают[102].

У большинства бактерий геном представлен единственной кольцевой молекулой ДНК (её иногда называют хромосомой), а размер генома варьирует от 160 тысяч пар оснований (п. о.) у эндосимбиотической бактерии Carsonella ruddii[en][103] до примерно 13 миллионов п. о. у почвенной бактерии Sorangium cellulosum[en][104]. Впрочем, у ряда представителей родов Streptomyces и Borrelia геном представлен единственной линейной хромосомой[105][106], а у некоторых видов рода Vibrio имеется более одной хромосомы[107]. Многие бактерии также со

Бактерии в медицине — vechnayamolodost.ru

Будущее медицины – в управлении микробиомом

Сергей Коленов, Хайтек+

Десятки биотехнологических компаний пытаются разработать новые препараты и методы лечения, основанные на симбиотических бактериях. Уже скоро эта острая конкуренция начнет приносить первые плоды.

Исследования последних лет показали, что симбиотические бактерии, в том числе населяющие кишечник, играют важную роль как в поддержании нашего здоровья, так и в развитии многих опасных заболеваний – например, депрессии и болезни Альцгеймера. Пока у врачей нет точного инструмента для управления микробиомом, но ситуация быстро меняется.

Как сообщает Popular Mechanics, в исследования симбиотических бактерий инвестировали уже около 100 биотехнологических компаний. Они тестируют четыре основных подхода:

1) восстановление естественных микробных сообществ, нарушенных в результате воспалительных заболеваний кишечника;
2) точечное уничтожение нежелательных видов бактерий;
3) создание искусственных бактерий для доставки необходимых соединений в микробиом;
4) использование молекул, посредством которых кишечные бактерии влияют на мозг и иммунную систему.

Использование этих методик поможет нейтрализовать некоторые заболевания, связанные с нездоровым образом жизни, например, диабет 2 типа и сердечно-сосудистые заболевания. Однако для начала необходимо разобраться, как именно нарушения микробиома вызывают те или иные болезни.

Один из лидеров на растущем рынке манипуляций c симбиотическими бактериями – молодая датская компания Snipr Biome. Стартап планирует использовать генное редактирование CRISPR, чтобы прицельно уничтожать болезнетворные бактерии. Это футуристичная и очень элегантная технология. Представители компании ожидают, что первые клинические испытания пройдут в течение двух лет.

Однако прямое уничтожение нежелательных микроорганизмов – не единственный способ вернуть экосистему кишечника в норму.

Например, опасная бактерия Clostridium difficile, которая закрепляется в организме при чрезмерном употреблении антибиотиков, может быть побеждена с помощью фекальных трансплантатов с фрагментами здоровой микрофлоры.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Почему бактерии могут быть «кулинарами», «фармацевтами», «помощниками земле дельца».

Технологическое применение биологических агентов, а именно использование бактерий с целью получения конкретных продуктов или проведения контролируемых направленных изменений, является основой биотехнологии.

Тысячи лет назад человек, ничего не зная о биотехнологиях, использовал их в своем хозяйстве – он варил пиво, занимался виноделием, пек хлеб и делал молочнокислые продукты и сыры.

В современном мире практическое значение методов биотехнологии с использованием бактерий трудно переоценить – они применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и фармакологии, при добыче полезных ископаемых и их переработке, в процессе очистки воды в природе и в септиках, во многих сферах жизни человека.

Вот несколько примеров тогг, как бактерии проявляют себя в различных областях:

  • Бактерии кулинары — бактерии, которые вызывают брожение (ферменты — молочно-кислое, тестовое, спиртовое). Используются в кулинарии для приготовления различных продуктов питания — кисло-молочных (кефир, сметана, сыр), выпечки и алкоголя (вино, пиво, спирт).
    Так же квашеные продукты — являются результатом действий бактерий -кулинаров. Молочно-кислые бактерии осуществляют процессы скисания молока, а значит помогают человеку в изготовлении кефира, ряженки, йогуртов.
  • Бактерии помощники земледельца — все бактерии, которые находятся в почве участвуют в распаде растительных остатков образуя естественное удобрение — перегной или гумус, азотфиксирующие (клубеньковые) бактерии фиксируют азот из атмосферы и перерабатывают его в молекулы, которые хорошо всасываюся растениями. Так же эти бактерии накапливают органические вещества в организме и после их смерти белковое тело бактерии служит отличным удобрением (источником питания для всех растений, так как легкоусваиваемые). Почвенные бактерии помогают повысить плодородие почвы, т.е помогают земледельцам.
  • Бактерии-фармацевты — кишечная палочка не только помогает человеку переваривать целлюлозу в толстом кишечнике, синтезируя при этом некоторые витамины, но и в результате методов генной инженерии и биотехнологий производит многие лекарства, например, инсулин. Фармацевты- антибиотики такие как пенициллин (наиболее распространенный, стрептомицинт и др), лечение бактериальных заболеваний, производство витаминов

Пищевая индустрия

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.

Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.

Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.

Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.

Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.

Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:

  1. позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
  2. удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.

В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.

Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:

  1. инсулин и интерферон получают с использованием генно-инженерных технологий на основе кишечной палочки;
  2. ферменты сенной палочки разрушают продукты гнилостного разложения.

Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:

  1. создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
  2. производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
  3. разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.

Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.

В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии: люцерна, люпин, горох, бобовые культуры.

Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.

В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.

Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан – углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о