Современный период развития микробиологии

С начала 20 века продолжается дифференцировка микробиологии, от нее отпочковываются новые научные дисциплины: вирусология, генетика микроорганизмов, микология, техническая микробиология и т.д.

Создание электронного микроскопа сделало видимым мир вирусов и макромолекул. Первый просвечивающий электронный микроскоп был сконструирован в 1931 году Руска. В 1939 г. Сименс создал просвечивающий микроскоп, получивший широкое распространение.

На рубеже середины столетия произошел выход естественных наук на молекулярный уровень, что стимулировало развитие микробиологии, вирусологии, генетики бактерий. Генетика бактерий внесла поистине революционизирующий вклад в генетику в целом, «вскормила» целую область биохимии, что в значительной степени обусловило рождение молекулярной биологии.

Именно на бактериях в 1944 г. О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти доказали роль ДНК в передаче наследственной информации. Они открыли процесс трансформации ДНК и перенос генетической информации у пневмококков (Pneumococcus) в результате поглощения ДНК. Собственно, это было открытие, что ДНК, а не белок является носителем генетической информации, это дало новый стимул исследованиям. С 1946 г. открытия следовали один за другим. В 1953 г. Уотсон и Крик расшифровывают структуру ДНк как двойной спирали.

Микроорганизмы – излюбленный объект молекулярной биологии, генетики, биохимии, благодаря быстрому росту, высокой скоростью к адаптации, легкости культивирования в лабораторных условиях.

Расшифровка генома E. coli (модельный объект, «рабочая лошадка») (Тейлор, Томан) сделало возможным искусственное конструирование генов и пересадку отдельных генов из одних клеток в другие. Началась эра генной инженерии (В 1972 г. начались первые эксперименты с рекомбинантной ДНК).

Новейшие технологии с рекомбинантной ДНК позволяют быстро и эффективно получать микроорганизмы с заданными свойствами и использовать затем микроорганизмы как «фабрики», например, по производству белка. Такие микроорганизмы перспективны для биотехнологии. Где важно получать штаммы, способные к росту на простых и дешевых средах, обладающих высокой продуктивностью. Ранее основной способ поучения таких штаммов были мутагенез, селекция. Методы генной инженерии позволяют целенаправленно улучшать свойства организма, а также вводить в микроорганизм чужеродные гены, которые позволяют синтезировать новые продукты (трансгенные организмы).

В качестве основного фактора риска при внесении в биоценозы генетически измененных штаммов бактерий (ГИМ) – горизонтальный перенос генов (в основном через плазмиды). В природной среде у прокариот достаточно широко встречается естественный обмен генами (плазмидный ген азотфиксации обнаружен даже у Klebsiella pneumoniae). Поэтому решающее значение имеет природа переносимых генов и признаков. Чтобы снизить начальную скорость распространения гена в окружающей среде, он должен быть встроен в клеточную хромосому, а не в плазмиду или мобильный элемент. Необходим анализ каждого конкретного случая.

С 1976 г. в практику исследований вошло определение нуклеотидных последовательностей ДНК (секвенирование), это открыло большие возможности для выяснения функций генов. Эти исследования важны для понимания физиологии, эволюции, экологии микроорганизмов. Например, расшифровка генома патогенных микроорганизмов необходима для раскрытия механизмов патогенности (в хромосомной ДНК патогенных бактерий есть «острова патогенности») и способов лечения. Это важно для лечения тяжелых, неизлечимых заболеваний.

В настоящее время важной задачей для микробиологии является идентификация некультивируемых форм микроорганизмов. По разным данным культивируемые формы составляют 1 -20 %, остальные 99-80 некультивируемые. В настоящее время в чистую культуру выделено около 5000 видов прокариот. Появление различных методов молекулярной биологии – метод гибридизации ДНК, секвенирование ДНК, молекулярное клонирование, ПЦР привели к созданию молекулярной экологии, которая изучает биоразнообразие микроорганизмов без выделения в чистую культуру, а только на основании анализа выделенного из природных образцов генетического материал (ДНК, РНК). Перспективным для идентификации некультивируемых микроорганизмов (НМ) (да и культивируемых) является анализ нуклеотидных последовательностей 16S рРНК прокариот, т.к. эта молекула наиболее консервативна, характеризуется неучастием или ограниченным участием генов рРНК в процессах горизонтального переноса. Также для идентификацииНМ in situ используются филогенетические зонды, гибридизующиеся с различными участками последовательностей рибосомных генов 16 S р РНК.

Микробиология вносит существенный вклад в решение многих практических задач.

1. Использование в биотехнологии – продуценты белка, ферментов, антибиотиков, витаминов, орг. кислот, аминокислот, биосурфуктантов и т.д.. Использование м/б процессов в хлебопечение, молочной промышленности, пивоварении, получении спирта, вин.

2. Микроорганизмы используются в биогидрометаллургии для извлечения ценных металлов (золото, платина, серебро, медь, уран и т.д.) из руд – бактериальное выщелачивание металлов. В основе выщелачивания лежит процесс окисления (растворения) минералов и перевод цветных (редких) металлов из нерастворимого состояния в растворимое.

Для этого проводят орошение дробленной руды в отвале или в рудном теле водным раствором H₂SO₄, содержащим Fe³⁺ (выполняет роль окислителя) и бактерии (Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans и др., которые выделяют серную кислоту). При этом сульфидные минералы окисляются, а медь и другие металлы переходят из нерастворимых соединений в растворимые. В общем виде процесс можно представить в виде следующей реакции:

МеS → МеSO₄

Затем металлы из раствора извлекают методом экстракции. Биогидрометаллургический способ добычи меди используется в промышленных масштабах в СЩА и большинстве развитых стран.

Биогидрометаллургический способ используется также для добычи золота и серебра. Золото и серебро встречаются в природе, как в свободном состоянии, так и в виде вкраплений в решетках сульфидных минералов, главным образом в пирите (FeS₂) и арсенопирите (FeAsS). В рудных месторождения сосредоточено до 75 % прогнозных запасов золота. Эти руды будут в 21 веке основными источниками золота.

Дата добавления: 2015-11-16