Реферат
Молочнокислые стрептококки
1. Общие понятия о молочнокислых бактериях
молочнокислый брожение бактерия гомоферментативный
Молочнокислые бактерии, микробы, вызывающие в молоке (молочных продуктах) молочнокислое брожение, выражающееся в сбраживании молочного сахара в молочную кислоту; вследствие образования кислоты происходит свертывание молока. К Молочнокислым бактериям относятся палочки и кокки. Первые принадлежат к ацидофильным бацилам и обладают их свойствами; по классификации Лемана и Неймана палочки вместе с другими ацидофильными бацилами образуют группу «Plocamobacteria», а по Гейму и Шлирфу (Heim, Schlirf) - группу ацидобактерий. По американской классификации (Bergey) все Молочнокислые бацилы образуют особый вид-Lactobacil-laceae. Важнейшими представителями группы являются Вас. bul-garicus, Вас. caucasicus и другие. Мечниковым Вас. bulgaricus предложен для замещения «дикой» флоры кишечника у человека; Bact. mazun, 2,7-21 м в длину и 1 - 1,1 м в ширину, неподвижная, Грам-положительная палочка; не растет на обыкновенных питательных средах; на агаре с молочной сывороткой образует колонии с неровным краем и волосовидными отпрысками в окружающую среду. Содержится в мацуне, молочном продукте, изготовляемом в Армении. Повидимому идентична с LactobaC. caucasicus.-L actobac. lactis acidi Leichmann. Кроме перчисленных к молочнокислым бактериям относятся Lactobacillus Boas-Op р 1 е г i, встречающийся в желудочном содержимом, главным образом при раке желудка; Lactobacillus helvetieus (син. Вас. caseiFreudenreich'a), выделенный из кислого молока и сыров; Lactobacillus bu-sae asiaticus (Bact. busae asiaticae Tschekan), выделенный из бузы, и друг. - Микробом, всего чаще вызывающим скисание молока на холоду, является Streptococcus acidi lactici (Grotenfeldt) или по американской классификации-Streptococcus lacticus (Lister) Lonis. Для получения наилучшего роста всех видов молочнокислых микробов Омелянский рекомендует агар Коанди (Kohendy): 1 л молока кипятят 5 минут, добавляют 1,5 см3 соляной кислоты и фильтруют через холст. Полученную сыворотку слегка подщелачивают и на 1 л прибавляют 300 смг воды, 3 г желатины, 15 г. пептона и 20 гагара. Смесь прогревают в автоклаве, фильтруют и стерилизуют. Молочнокислые бактерии имеют большое значение в молочном хозяйстве, так как они участвуют в образовании различных молочнокислых продуктов (простокваша, лактобацилии, сметана, творог, сыры, кефир, кумыс, и др.).
В природе молочнокислые бактерии встречаются на поверхности растений (например, на листьях, фруктах, овощах, зёрнах), в молоке, наружных и внутренних эпителиальных покровах человека, животных, птиц, рыб (например, в кишечнике, влагалище, на коже, во рту, носу и глазах). Таким образом, помимо своей роли в производстве пищи и кормов, молочнокислые бактерии играют важную роль в живой природе, сельском хозяйстве и нормальной жизнедеятельности человека. Влияние ускоренной индустриализации производства молочнокислых бактерий, основанной на небольшом числе адаптированных для заводов штаммов, но природное разнообразие этих бактерий и здоровье человека пока остаётся не изученным.
Наши знания в микробиологии, генетике и биологии плазмид молочнокислых бактерий быстро идет вперед. Исследования распутывают молекулярные механизмы передачи генов, контроля и экспрессии.
Lactococcus lactis и Lactococcus cremoris прежде всего молочнокислые бактерии рода Streptococcus. Эти организмы развиваются естественно в молоке и были среди первых родов молочнокислых бактерий, изученными микробиологами. Они способны обладать N антигенной структурой в клеточной стенке.
Их роль в молочнокислом брожении и
полезность как культуры стартера возобновила интерес в микробиологии и
генетике, особенно с новейшей разработкой переноса гена и систем клонирования.
Эти открытия дают возможность направлять генетические усовершенствования
существующих культур стартера, используемых в молочной промышленности. Этот
подход комплектует классические программы усовершенствования культур для того,
чтобы увеличить невосприимчивость к бактериофагу, установить надежность и
активность культуры при устранении нежелательных свойств. Использование
микроорганизмов продовольственных сортов как основных бактерий для создания
генетически проектируемых белков обеспечивает дополнительный стимул для более
детального генетического анализа.
2. Классификация
Бактерии молочнокислые, группа микроорганизмов, сбраживающих углеводы с образованием главным образом молочной кислоты.
Классификация молочнокислых бактерий разработана недостаточно. Признаки бактерий могут значительно варьировать, что создает трудности при их классификации. В зависимости от характера образующихся продуктов при сбраживании гексоз бактерии молочнокислые делятся на гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии при брожении сахаров образуют в основном молочную кислоту и незначительные количества фумаровой и янтарной, летучих кислот, этилового спирта и диоксида углерода; гетероферментативные - наряду с молочной кислотой образуют значительно большие количества уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа и др. продуктов, используя на это 50% сахаров. Наиболее часто при классификации принимают во внимание форму клеток при условии, что культуры изучаются в определенном возрасте и среде. В основе деления на виды лежат также признаки сбраживания углеводов, потребности в источниках питания, учитывается оптическое вращение молочной кислоты. Первую научную классификацию молочнокислых бактерий разработал голландский ученый Орла-Иенсен в 1919. Бактерии молочнокислые объединены в семейство Lactobacillaceae, которое делится на подсемейство Lactobacilleae (род Lactobacillus) и Streptococceae (роды Streptococcus, Pediococcus, Leuconostoc). В виноделии широко распространены бактерии молочнокислые, относящиеся к 3 родам: Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc.
Молочнокислые бактерии, попадая в
желудок и кишечник, становятся составной частью микрофлоры слизистой. Особенно
это касается бифидобактерий. Одни бактерии производят ферменты, которые
расщепляют белки на простые соединения, способствуя лучшему усвоению пищи.
Другие вырабатывают антибиотики, что придает кисломолочному продукту
лечебно-профилактические свойства.
Бактериальные культуры бывают термофильные (теплолюбивые) и мезофильные
(холодолюбивые). Термофильные бактерии более активны, чем мезофильные. Названия
молочнокислых продуктов, содержащих живые бактерии, обычно имеют приставки
«био-», «ацидо-», «бифидо-», «лакто-». Разные бактерии оказывают различное
влияние на организм.
Недавние таксономические исследования пересмотрели разновидности в пределах рода Streptococcus и ввели изменения, затрагивающие мезофильные молочные культуры стартера. Из-за общих черт между S. lactis и S.cremoris, 9-ый выпуск Руководства Берги Систематической Бактериологии (том 2) сгруппировал S. lactis, S. diacetylactis, и S. cremoris в одну разновидность (род): S. lactis. Гарви и Ферроу предложили обозначить подразновидности S. lactis, S. diacetylactis, и S. lactis cremoris.
Однако, в 1985 Шлейфер и др. предложили, чтобы молочные стрептококки были классифицированы в пределах нового рода, Lactococcus, основанного на исследованиях гибридизации нуклеиновой кислоты, в иммунологическом отношении супероксиддисмутазы, липотейхоевых кислотных структур, образцов липида, жирной кислоты и менохинонного состава. Род Lactococcus был одобрен Международным Союзом Микробиологических Обществ в 1986. Теперь по новой номенклатуре S. Lactis, S. Diacetylactis, S. cremoris обозначается как Lactococcus lactis, Lactococcus lactis diacetylactis и Lactococcus lactis cremoris.
Сендин предложил, чтобы один из родов Lactococcus lactis, который использует цитрат для того чтобы получить диацетил, был назван Lactococcus lactis diacetylous. Так как молочнокислые лактобактерии так широко используемы в молочной промышленности, предложенная терминология является весьма выгодной.
. Морфология
По форме клеток бактерии
молочнокислые делятся на кокковые и палочковидные. Диаметр кокковых форм от
0,5-0,6 до 1 мкм; они располагаются единично, парами или в виде цепочек
различной длины. Палочковидные бактерии разнообразны по форме - от коротких
коккообразных до длинных нитевидных различной длины (от 0,7-1,1 до 3,0 - 8,0
мкм), расположенных единично или цепочками (см. рис). На форму клеток
значительно влияет состав среды и условия культивирования. Образование
удлиненных палочковидных клеток наблюдается при развитии в средах, содержащих
этиловый спирт, с высокой активной кислотностью, в средах с недостатком
витамина В12 под действием ионизирующих излучений. Бактерии молочнокислые,
встречающиеся в виноделии, в основном неподвижны, не образуют спор, пигмента,
положительно окрашиваются по Граму, не восстанавливают нитраты в нитриты,
характеризуются неактивной каталазой. Клеточные стенки представлют собой
гомогенный электронно-плотный слой толщиной 15-60 мкм. Цитоплазматическая мембрана
может быть двух- или трехслойной толщиной 75-85 А. В цитоплазме клеток бактерий
молочнокислых обнаружены рибосомы диаметром около 150 А, область ядерного
материала(нуклеоид), который состоит из тонких плотных нитей шириной 20-25 А,
отождествляемых с дезоксирибонуклеиновой кислотой.
4. Особенности генома
молочнокислых бактерий, их историческая перспектива
Наблюдения бактериологов, начатые с 1930-ых годов, были основой текущих событий в микробиологии и генетике молочнокислых бактерий.
Позже, в 1950-ых годах, Kнетмен и Сворфлинг описали неустойчивость к использованию цитрата. Механизмы необратимой потери этих важных молочнокислых свойств были, в то время, неизвестны и ждали будущего разъяснения.
Об Исследовании, в котором описывались первые системы переноса гена, сообщали ещё в 1962. Мойлер-Мэдсен и Дженсон преобразовали (трансформировали) L. lactis к способности использовать цитрат и производить аромат солода, тогда как Сендин и др. использовали вирулентные бактериофаги, чтобы получить устойчивость стрептомицина к L. lactis C2 а также независимость триптофана от L. lactis 18-16. Это нужно было для того, чтобы генетический обмен играл существенную роль в изменении культуры стартера, однако необратимую потерю метаболических свойств не могли объяснить ещё 10 лет.
Ведущие генетические исследования были начаты вначале 1970-ых Маккеем и сотрудниками Университета Миннесоты. После наблюдений Mаккея и др., что лактобактерии были легко утеряны после того, как их клетки были обработаны акрифлавином, широко используемым мутагеном и плазмид-лечащим веществом, в 1972 выдвинули гипотезу, что неустойчивые соединения были закодированы плазмидами ДНК. В 1974 году было зарегистрировано присутствие плазмид в лактобактериях, что и дало начало новой эре исследования этих организмов.
Последующие исследования ясно установили распространенность и важность плазмид лактобактерий в молочнокислом брожении. Теперь известно, что плазмиды кодируют множество свойств, включая расщепление углеводов (лактозу, галактозу, глюкозу, сахарозу, маннозу и ксилозу); протеиназной активности; использование цитрата; системы ограничения и модификации, адсорбции фага, сопротивление к фаговой инфекции и другие защитные механизмы против бактериофагов; резистентность к ультрафиолетовому излучению; действие антигенов клеточных стенок; продукция низина и его устойчивость; продукция бактериоцина и устойчивость; продукция диплококков и иммунитет против них; а также вязкость.
Усовершенствованные методы анализа плазмид продвинули также исследование плазмид лактобактерий. Ранее при исследовании плазмид использовали электронную микроскопию, отнимающую много времени и утомительной техникой, чтобы охарактеризовать массу и число плазмид в специфическом состоянии. В 1978 Клейнхеймер и др. разработали быстрый способ для вырезания плазмид молочнокислых бактерий и использовали электрофорез в агаризованном геле для визуализации плазмид, таким образом, способствуя тем самым их быстрому и удобному анализу. В последние годы появилось немало других процедур выделения плазмид (особенно крупных), распространенных в лактобактериях, которые сделали анализ гораздо проще.
В конце 1970-ых и вначале 1980-ых были разработаны и уже эксплуатировались системы переноса генов, в то время как микробиологические, физиологические и технологические исследования этих организмов ещё продолжались.
Трансдукция играла важную роль в ранних генетических исследованиях и может иметь большое значение в изучении хромосомных генов. Трансдукция плазмид-кодированных лактобактерий с помощью умеренных бактериофагов от L. lactis была первоначально описана Маккеем и др. в 1973. Во время трансдукции плазмид-кодированных лактобактерий или протеиназного действия, происходят сокращения Lac/Prt плазмиды, наблюдаемые в плазмидах. Причины, приводящие к трансдуцирующему сокращению у Lac/Prt плазмид L. lactis, были определены Гэссоном. Обширные ограничения и анализ исключения показали, что трансдуцирующее сокращение Lac/Prt плазмид были вызваны определенными случаями удаления.
В 1979 Гессон и Девис, а также Kемплетон и Mаккей сообщили о процессе конъюгации лактобактерий. Вскоре высокочастотные конъюгационные системы передачи у L. Lactis 712 и L. lactis ML3, связанные с уникальным комплексированием клетки, наблюдались Крейсоном, Уолтом и Mаккеем. Во время коньюгационной передачи плазмид лактобактерий, наблюдались слияние репликонов и образование субъединиц. В 1984 Андерсен и Mаккей установили, что субъединицы были сформированы от слияния двух плазмид, и что они чаще подвергаются к более высокой частоте слияния во вторичной конъюгации. Предполагали, что есть посредник при слиянии. Кроме того, обратимая область была ответственна за экспрессию (выражение) генов, управляющих скоплением клеток.
В 1987, Ползин и Симидзу-Kадота выделили и охарактеризовали вставки последовательностей, участвующих в конъюгативном формировании ML3. Плазмида лактотобактерии в ML3 содержала две копии вставок последовательности, 1SS1S, которые были подобны последовательностям 1S26 грамотрицательных бактерий. У L. lactis 712, хромосомально определили расположение полового фактора, которые вместо плазмид были ответственны за высокочастотный коньюгационный перенос у лактобактерий.
В 1980 Гейссон разрабатывал методы для формирования и восстановления протопластов, а также использования протопластов для того, чтобы успешно перекомбинировать и передавать гены путем слияния протопластов. После этого в 1982 Гeйс, Koндo и Маккей успешно использовали протопласты для полиэтилен-индуцированной трансфекции и соответственно трансдукции. В 1986 году была проведена электропорация всех клеток, а также в 1887 году Сандерсом и Никлсоном описано полиэтилен гликоль-инддуцированная трансформация всех клеток. Трансформация и развитие эффективных методов электропорации были пересмотрены позже.
Разработка эффективных систем передачи генов, особенно коньюгации и трансформации, распространения плазмид среди лактобактерий обеспечило генетическое свидетельство о редактировании различных фенотипических свойств к дискретным плазмидам. Передача желательных генов хозяевам, испытывающим недостаток в них, также проявляет к себе коммерческим интерес.
Трансформация также сыграла ключевую роль в развитии методологии клонирования генов и молекулярных исследований экспрессии генов. Применялись две стратегии клонирования: клонирование непосредственно в лактобактериях и с помощью векторов шатла для клонирования гетерогенных хозяев таких как, Sanguis Streptococcus, Bacillus subtilis и Escherichia сoli.
Молекулярные исследования проводили с помощью генетических инструментов, которые теперь стали доступными. Де Вос, ван дер Воссен и др. установили, что организация последовательности рибосомных участков, промотор, а также терминационные последовательности некоторых генов лактобактерий подобны другим грамположительным бактериям. Кроме того, Кок и др. установили, что сигнал последовательности протеиназ L. cremoris Wg2 были подобны протеазам серина семейства subtilisin.