Капсулообраование бактерий

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В процессе эволюции некоторые микроорганизмы адаптировались к действию некоторых неблагоприятных факторов внешней среды. По крайней мере, почвенным бактериям свойственна приспособительная реакция к температурным условиям климата. В этой связи, любопытно отметить, что не только к температурным условиям, но и к тяжелым металлам чувствительность микроорганизмов различна. Относительно высокая устойчивость к тяжелым металлам идентифицирована у сульфатредуцирующих бактерий. Также зарегистрирована различная чувствительность бактерий к токсическому действию пестицидов: анаэробные бактерии устойчивей анаэробных.

Ярко выраженным примером внешнего неблагоприятного биологического действия является такой симбиоз, при котором микроорганизмы одного вида повреждают или уничтожают микроорганизмы другого вида. В природных условиях биологическая дезинтеграция микроорганизмов может вызываться колицинами и бактериоцинами, плазмидоподобными факторами, фагами и внутриклеточными паразитами. Неудивительно, что к одному из компонентов биобезопасности некоторые исследователи относят защиту от представителей агрессивных чужеродных видов, в связи с их угрозой естественному биоразнообразию.

Следовательно, микроорганизмы могут подвергаться неблагоприятным воздействиям различной интенсивности, как угнетающим физиологические основы их существования (нарушение обмена веществ) при умеренных отклонениях физико-химических параметров внешней среды или действии естественных антибиотиков, так и представляющим прямую угрозу их существования. Исходя из вышеизложенного, под биобезопасностью микроорганизмов мы понимаем безопасность их жизнедеятельности и жизнеспособности. Отсюда следует, что биобезопасность микроорганизмов может осуществляться с помощью системы механизмов, отражающих морфо-функциональные и физиологические особенности их существования, деятельность которой направлена на минимизацию негативных последствий для микроорганизма неблагоприятного действия внешней среды.

Капсула  это морфологический элемент структуры бактерий, способный в той или иной степени выполнять непосредственную защитную функцию либо оптимизирующую их биологическую безопасность путем усиления биоадаптационных свойств.

Клеточная стенка, обычно состоящая из пептидогликана, не только защищает за счет ригидности внутреннее содержимое клетки от механического, осмотического и других видов неблагоприятного действия внешней среды, но и поддерживает гомеостаз внутри клетки. Некоторые микроорганизмы образуют цисты, относительно устойчивые к неблагоприятным условиям внешней среды. Капсула, располагающаяся поверх клеточной стенки у большинства бактерий, защищает их от теплового действия (пересыхания), от фагов, токсинов и других видов негативного внешнего действия, за счет входящих в ее структуру полисахаридов, либо полипептидов или липидов.

Целью курсовой работы является изучение капсулооброзования бактерий.

Для реализации курсовой работы следует выполнить следующие задачи:

• рассмотреть сущность капсулообраззования бактерий;
• изучить биологическую систему безопасности функционирования микроорганизмов;
• провести исследование структурных особенностей липополисахарид-белковых комплексов капсулы бактерий azospirillum brasilense sr80 и sp245 при росте на агаризованной среде.

 

 

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КАПСУЛООБРАЗОВАНИЯ БАКТЕРИЙ

1.2 Сущность капсулообразования  бактерий

 

Бактерии - (др. греч. — палочка) —надцарство прокариотных (безъядерных) микроорганизмов, чаще всего одноклеточных. К настоящему времени описано около десяти тысяч видов бактерий и предполагается, что их существует свыше миллиона1.

Минимальной системной единицей в биологии является вид. Под видом бактерий понимают группу бактерий, обладающей общими признаками:

- культуральные признаки  характеризуют особенности роста  колоний на питательном субстрате (размер, форму, цвет и т.д.)

- морфологические признаки  характеризуют внешний вид, подвижность, способность образовывать споры  бактериальной клеткой.

- физиологические признаки  характеризуют данные об обмене  веществ бактерий (отношение к  кислороду воздуха, способность  сбраживать сахара, способность  усваивать различные соединения, расщеплять белки и т.д.).2

Капсула -- полифункциональный органоид, выполняющий важную биологическую роль. Служит местом локализации капсульных антигенов, определяющих вирулентность, антигенную специфичность и иммуногенность бактерий. Утрата капсулы у патогенных бактерий резко снижает их вирулентность, например у бескапсульных штаммов бациллы антракса. Капсулы обеспечивают выживание бактерий, защищая их от механических повреждений, высыхания, токсических веществ, заражения фагами, а у патогенных форм -- от действия защитных сил макроорганизма: инкапсулированные клетки плохо фагоцитируются. У некоторых видов бактерий, в том числе и патогенных, капсула способствует прикреплению клеток к субстрату.

Образовывать капсулу могут не все бактерии, а лишь капсулообразующие бактерии. Иногда капсулообразование может происходить настолько интенсивно, что отдельные капсулы сливаются друг с другом, образуя сплошную слизистую массу – зооглею, в которую лишь вкраплены бактерии. Это приводит к пороку пищевых продуктов – ослизнению (приводит к появлению сплошного слизистого налета на продуктах питания). Ослизняется мясо, колбасы, творог и т.д.

Наиболее сильным капсулообразователем является бактерия Leuconostoc mesenteroides. Этот микроорганизм способен в короткие сроки превращать сиропы, т.е. сахарозу в сплошную слизистую массу и тем самым наносят большой урон свеклосахарной промышленности, производству пива, кваса, безалкогольных напитков.3

Капсула (или её менее выраженный аналог — слизистый слой) ингибирует начальные этапы защитных реакций — распознавание и поглощение.

Капсулы ʼʼэкранируютʼʼ бактериальные структуры, активирующие систему комплемента͵ а также структуры, распознаваемые иммунокомпетентными клетками. К примеру, слой капсульного вещества защищает тейхоевые кислоты стафилококков от связывания опсонинами.

Гидрофильность капсул затрудняет их поглощение фагоцитами, а само капсульное вещество защищает бактерию от действия лизосомальных ферментов и токсичных оксидантов, выделяемых фагоцитирующими клетками.

Капсула – слизистый слой, покрывающий клетку снаружи. Обладает защитным действием (защищает клетку от внешних воздействий). С химической точки зрения капсула – углеводы – декстраны, образовавшиеся из глюкозы (сахарозы).

Большое значение имеет лёгкая отделяемость капсул или слизистого слоя от поверхности бактерий. В частности, при поглощении капсулированных бактерий (к примеру, синœегнойной палоч­ки), последние легко ʼʼснимают с себяʼʼ капсулы и избегают прямого контакта с фагоцитом.

Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков (возбудитель сибирской язвы).

Большинство бактерий, особенно патогенных, образует капсулу только в организме человека или животных. Однако существует род истинно капсулъных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственных питательных средах.

Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу, выявляемую только при электронной микроскопии (эшерихии), или неявно выраженную способность к капсулообразованию — так называемую «нежную» капсулу (золотистые стафилококки, менингококки).4

Основное предназначение капсул — зашита бактерий от фагоцитоза.

При окраске мазков по Граму истинно капсульные бактерии имеют характерное взаиморасположение (на расстоянии друг от друга). При световой микроскопии капсулы четко не видны, в связи с чем наличие капсул у бактерий выявляется с помощью специальных методов окраски, например по методу Гимзе. Для выявления капсул и бактерий, образующих их в организме, используют микроскопию мазков, приготовленных из патологического материала, или мазков-отпечатков из органов погибших животных.5

Иногда капсулообразование может происходить настолько интенсивно, что отдельные капсулы сливаются друг с другом, образуя сплошную слизистую массу - зооглею, в которую лишь вкраплены бактерии.

Слизистый слой над клеточной стенкой бактерии. Вещество капсулы четко отграничено от окружающей среды. В зависимости от толщины слоя и прочности соединения с бактериальной клеткой различают видимую макрокапсулу, толщиной 0,2 мкм, в световом микроскопе, и микрокапсулу, толщиной менее 0,2 мкм, обнаруживаемую лишь при электронной микроскопии или выявляемую химическими и иммунологическими методами. Макрокапсулу (истинную капсулу) образуют В. anthracis, Cl. perfrinfens, микрокапсулу -- некоторые штаммы Escherichia coli. Капсула не является обязательной структурой бактериальной клетки: потеря ее не приводит к гибели бактерии. Известны бескапсульные мутанты бактерий, например сибиреязвенный вакцинный штамм СТИ-1.6

Вещество капсул состоит из высоко гидрофильных мицелл, химический же состав их весьма разнообразен. Основные компоненты большинства капсул прокариот -- гомо- или гетеро пол и сахариды (энтеробактерии и др.). У некоторых видов бацилл капсулы построены из полипептида. Так, в состав капсулы В. anthracis входит полипептид d-глутаминовой кислоты (правовращающий изо мер). В состав микрокапсулы микобактерий туберкулеза млекопитающих входят гликопептиды, представленные сложным эфиром трегалозы и миколовой кислоты (корд-фактор).7

Синтез капсулы -- сложный видоспецифический процесс у различных прокариот. Считают, что биополимеры капсулы синтезируются на наружной поверхности цитоплазматической мембраны и выделяются на поверхность клеточной стенки в определенных специфических ее участках.

Существуют бактерии, синтезирующие слизь на поверхности клеточной стенки в виде бесструктурного слоя полисахаридной природы. Слизистое вещество, окружающее клетку, по толщине часто превосходит диаметр последней. У сапрофитной бактерии лейконостока наблюдается образование одной капсулы для многих особей. Такие скопления бактерий, заключенные в общую капсулу, называют зооглеями.

 

1.2 Биологическая  система безопасности функционирования  микроорганизмов

 

Для определения механизмов системы биобезопасности у микроорганизмов необходимо вкратце сформулировать само понятие такой безопасности. При этом видимо, следует исходить из того, что существование микроорганизмов может подвергаться действию неблагоприятных факторов различного характера: физического, химического и биологического8.

К физическим факторам неблагоприятного действия окружающей среды на микроорганизмы вероятно можно отнести аномальную температуру и влажность окружающей среды, ультрафиолетовое излучение и т.д. Химические факторы могут быть представлены в данном контексте высокой воздействием тяжелых металлов, пестицидов и других токсичных химических веществ.

Видимо в процессе эволюции некоторые микроорганизмы адаптировались к действию некоторых неблагоприятных факторов внешней среды. По крайней мере, почвенным бактериям свойственна приспособительная реакция к температурным условиям климата9. В этой связи, любопытно отметить, что не только к температурным условиям, но и к тяжелым металлам чувствительность микроорганизмов различна. Относительно высокая устойчивость к тяжелым металлам идентифицирована у сульфатредуцирующих бактерий10. Также зарегистрирована различная чувствительность бактерий к токсическому действию пестицидов: анаэробные бактерии устойчивей анаэробных11.

Ярко выраженным примером внешнего неблагоприятного биологического действия является такой симбиоз, при котором микроорганизмы одного вида повреждают или уничтожают микроорганизмы другого вида. В природных условиях биологическая дезинтеграция микроорганизмов может вызываться колицинами и бактериоцинами, плазмидоподобными факторами, фагами и внутриклеточными паразитами12. Неудивительно, что к одному из компонентов биобезопасности некоторые исследователи относят защиту от представителей агрессивных чужеродных видов, в связи с их угрозой естественному биоразнообразию13.

Следовательно, микроорганизмы могут подвергаться неблагоприятным воздействиям различной интенсивности, как угнетающим физиологические основы их существования (нарушение обмена веществ) при умеренных отклонениях физико-химических параметров внешней среды или действии естественных антибиотиков, так и представляющим прямую угрозу их существования. Исходя из вышеизложенного, под биобезопасностью микроорганизмов мы понимаем безопасность их жизнедеятельности и жизнеспособности. Отсюда следует, что биобезопасность микроорганизмов может осуществляться с помощью системы механизмов, отражающих морфо-функциональные и физиологические особенности их существования, деятельность которой направлена на минимизацию негативных последствий для микроорганизма неблагоприятного действия внешней среды.

Изучение биологической безопасности (биобезопасности) микроорганизмов важно из-за того, что микроорганизмы образуют в окружающей среде (почва, водная и воздушная среда) микробные биокомплексы (микробиоценозы). Они играют важную роль в ряде естественных природных процессов - в глобальном круговороте веществ (элементов), повышении плодородности почвы, в очистке окружающей среды от природных и антропогенных загрязнений и т.д. Микробиоценозы же являются частью биоценоза. Более широкие биосистемы - биогеоценозы образуются с участием биоценозов и средовых компонентов неживой природы14.