возбудители каких заболеваний при росте на плотных питательных средах образуют r формы колоний
Возбудители каких заболеваний при росте на плотных питательных средах образуют r формы колоний
Способность живых организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений называется наследственностью.
В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое последующее поколение под влиянием различных факторов может приобретать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется изменчивостью. Таким образом наследственность и изменчивость тесно связаны между собой.
Еще в XIX веке Ч. Дарвин доказал, что все существующие виды живых организмов произошли путем изменчивости от немногих форм, а возникшие изменения, передаваемые по наследству, являются основой эволюционного процесса. Теория Дарвина получила высшую оценку у классиков марксизма-ленинизма. Ф. Энгельс рассматривал ее как одно из величайших открытий XIX века.
Изучение наследственности и изменчивости у высших организмов связано с большими трудностями из-за большой продолжительности их жизни и немногочисленности потомства.
Удобным объектом для этого изучения являются микроорганизмы, для которых характерен короткий жизненный цикл, быстрое размножение и способность давать многочисленное потомство. Кроме того, они обладают выраженной морфологией, которую можно изучать визуально при помощи светового микроскопа. Микроорганизмы биохимически активны, что легко учитывать при использовании специальных питательных сред.
Способность микроорганизмов изменять свои свойства при воздействии различных факторов (температура, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и др.) позволяет широко использовать их в качестве модели при изучении наследственности и изменчивости.
Первым объектом генетических исследований была кишечная палочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культуральные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бактерии, а также вирусы.
Исследования генетики микроорганизмов показали, что у них роль носителя генетической информации играет ДНК (у некоторых вирусов РНК).
Молекула ДНК в бактериях состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки нитчатая спираль удваивается- каждая из нитей служит как бы шаблоном или матрицей, на которой строится новая нить. При этом каждая нить, возникшая в процессе деления клеток, содержит вновь образовавшуюся двунитчатую молекулу ДНК.
Функциональной единицей наследственности является ген, который представляет собой участок нити ДНК. В генах записана вся информация, касающаяся свойств клетки.
Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям.
Изменения морфологических, культуральных, биохимических и других свойств микроорганизмов, возникающие под действием внешних факторов, взаимосвязаны. Например, изменения морфологических свойств сопровождаются обычно изменениями физиологических особенностей клетки.
Колонии, относящиеся к гладкой S-форме, могут при определенных условиях переходить в R-форму и обратно, однако переход R-формы в S-форму происходит труднее.
Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.
Болезнетворные бактерии чаще бывают в S-форме. Исключением являются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых болезнетворной является R-форма (рис. 26).
Рис. 26. Рост возбудителей туберкулеза на плотной среде (R-форма)
Фенотипическая изменчивость (модификация)
Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недостаток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повышенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачивается и т. д. При длительном росте бактерий в одной и той же среде возникает полиморфизм, обусловленный влиянием накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.
Культуральная модификация состоит в изменении культуральных свойств бактерий при изменении состава питательной среды. Например, при недостатке кислорода у стафилококка утрачивается способность образовывать пигмент. Чудесная палочка при комнатной температуре образует ярко-красный пигмент, но при 37° С способность образовывать этот пигмент утрачивается и т. д.
Биохимическая (ферментативная) модификация. Каждый вид бактерий имеет определенный набор ферментов, благодаря которым они усваивают питательные вещества. Эти ферменты вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены генотипом.
В процессе жизнедеятельности бактерий обычно функционируют не все гены, ответственные за синтез соответствующих ферментов. В геноме бактерий всегда имеются запасные возможности, т. е. гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. Например, кишечная палочка, растущая на среде, не содержащей углевод лактозу, не вырабатывает фермент лактазу, но если пересеять ее на среду с лактозой, то она начинает вырабатывать этот фермент. Адаптивные ферменты позволяют приспособляться к определенным условиям существования.
Генотипическая (наследуемая) изменчивость
Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций.
Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать).
Бактерии с измененными признаками называются мутантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.
Бактериальные мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т. е. без вмешательства экспериментатора. Индуцированные (направленные) мутации появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими веществами, излучением, температурой и др.).
В результате бактериальных мутаций могут отмечаться: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганизмов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.
Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.
Генетические рекомбинации. Трансформация. Клетки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмической фазой роста.
С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, продуцировать дополнительные ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.
Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципиент получает неполную информацию, заключенную в ДНК.
Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий.
Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межвидовой.
Плазмиды
Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).
Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:
Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изменений, передающихся по наследству, например способность образовывать токсин (см. трансдукцию).
F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации (см. конъюгацию).
R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекарственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования показали, что R-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.
R-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться причиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.
В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обработка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцирующих клеток увеличивается.
Практическое значение изменчивости
Еще Пастер искусственным путем получил необратимые изменения у возбудителей бешенства, сибирской язвы и приготовил вакцины, предохраняющие от этих заболеваний. В дальнейшем исследования в области генетики и изменчивости микроорганизмов позволили получить большое число бактериальных и вирусных штаммов, используемых для получения вакцин.
Результаты исследования генетики микроорганизмов с успехом были использованы для выяснения закономерностей наследственности высших организмов.
Методы генной инженерии позволяют изменять структуру генов и включать в хромосому бактерий гены других организмов, ответственных за синтез важных и нужных веществ. В результате микроорганизмы становятся продуцентами таких веществ, получение которых химическим путем представляет очень сложную, а иногда даже невозможную задачу. Этим путем в настоящее время получают такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон и др. При использовании мутагенных факторов и селекции были получены мутанты-продуценты антибиотиков, которые в 100-1000 раз активнее исходных.
Контрольные вопросы
1. Что является функциональной единицей наследственности?
2. Какова роль генов-регуляторов?
3. Что такое диссоциация и какие Вы знаете формы диссоциации?
4. Что значит фенотипическая изменчивость и какими свойствами она может быть выражена?
5. Что значит генотипическая изменчивость и какими формами она может быть выражена?
6. Что такое плазмиды?
7. Какое практическое значение имеет изменчивость?
Характер роста микробов на питательных средах
Рост микробов на плотной питательной среде. Для изучения свойств колоний микробы культивируют на плотных питательных средах в чашках Петри. При этом посев материала проводят таким образом, чтобы получить изолированные колонии. Для характеристики колоний используют следующие признаки:
1. Размер колонии. Колонии обычно измеряют в миллиметрах или пользуются для этого описательными терминами, такими, например, как точечные (диаметр менее 1 мм), мелкие (диаметр 1-2 мм), средние (диаметр 2-4 мм) и крупные (диаметр 4-6 мм и более).
2. Форма колонии. Бывает правильной (круглая), неправильной (амебовидная), ризоидной (корневидная, напоминающая переплетающиеся корни деревьев).
3. Контуры края. Определяют при рассмотрении колонии под лупой или микроскопом с малым увеличением. Различают ровные края в виде четко выраженной линии и неровные края (фестончатый, волнистый, эрозированный или зазубренный, бахромчатый).
4. Рельеф колонии характеризуется приподнятостью ее над поверхностью питательной среды и формой на вертикальном разрезе. Определяется рельеф колонии невооруженным глазом или при помощи лупы при рассматривании сверху и сбоку. Различают каплеобразные и куполообразные колонии правильной круглой формы, плоско-выпуклые колонии, конусообразные колонии, колонии с приподнятой серединой, колонии с вдавленным центром, плоские колонии.
6. Цвет колонии. Определяется пигментом, который продуцирует культура микробов. Преобладающее большинство патогенных бактерий пигмента не образует, вследствие чего колонии их бесцветны или молочно-мутного цвета. Пигментообразующие виды микробов дают колонии различных цветов: кремовые, желтые, золотисто-оранжевые, синие, красные, сиреневые, черные и др.
7. Структура колоний. Определяется в проходящем свете при слабом увеличении микроскопа, суженной диафрагме или при несколько опущенном конденсоре. По структуре различают гиалиновые колонии, зернистые колонии, нитевидные или волокнистые колонии.
8. Консистенция колоний. Исследуют посредством прикосновения или взятия из нее части материала бактериологической петлей. По характеру консистенции колонии бывают пастообразные, вязкие или слизистые, волокнистые или кожистые, хрупкие сухие.
Особенности микробного роста на жидких питательных средах.
1. Рост бактерий с равномерным помутнением среды.
2. Придонный рост бактерий, характеризующийся образованием осадка на дне пробирки с жидкой питательной средой.
3. Пристеночный рост бактерий, выражающийся в образовании рыхлых хлопьев, прикрепленных к внутренней поверхности стенок сосуда.
4. Поверхностный рост бактерий, характеризующийся появлением на поверхности жидкой питательной среды пленки.
Рост на полужидкой питательной среде характеризуется помутнением всей толщи среды или образованием сосульки цилиндрической или конической формы.
8.2. Методы изучения культуральных свойств микробов
Культуральные признаки микробов определяются характером их роста на питательных средах. Будучи постоянными для каждого вида микробов, они являются важными диагностическими признаками.
Рост микробов на плотной питательной среде. Для изучения свойств колоний микробы культивируют на плотных питательных средах в чашках Петри. При посеве материала стараются получить изолированный рост колоний. Чашки с посевом просматривают сначала невооруженным глазом или через лупу, затем помещают их на столик микроскопа вверх дном и просматривают колонии в проходящем свете с объективом малого увеличения и с суженной диафрагмой.
Первоначальная оценка морфологии колоний на первичных средах очень важна. Просмотр чашек может дать предварительную информацию относительно результатов посева. Эти данные также важны для решения вопроса о последующих шагах для окончательной идентификации и характеристики колоний.
Преобладание колоний какого-либо вида бактерий в первичном посеве клинического материала часто используется как один из критериев вместе с прямыми результатами исследования мазков, приготовленных из этого материала, для оценки клинического значения микроорганизма.
Любые ключевые признаки колоний бактерий важны для их идентификации. Успех или неудача идентификации возбудителя часто зависят от точности этих оценок.
Критерии, используемые для характеристики колоний бактерий:
В некоторых случаях четко выраженная линия, отграничивающая колонию от поверхности среды, отсутствует. Такой край колонии называется расплывчатым;
Переход S-форм в R-формы наблюдается при диссоциации. Явление диссоциации у патогенных микробов наблюдается под действием антибиотико- и химиотерапии, факторов специфического иммунитета, формирующихся в течение инфекционного процесса, а также под действием факторов внешней среды.
Среди шероховатых форм колоний различают: складчатые, гирозные, по виду напоминающие исчерченную извилинами поверхность мозга; бородавчатые, концентрически или радиально исчерченные; шагреневые, т.е. мелкозернистые;
По характеру структуры различают следующие виды колоний:
Колонии бывают однородные и неоднородные. Строение первых одинаково во всех частях, у вторых центральная часть отличается от периферической или отдельные сектора имеют строение, отличающее их от остальной массы;
По характеру консистенции колонии бывают:
Особенности микробного роста на жидких питательных средах. На жидких питательных средах характер роста микробов менее разнообразен, чем на плотных питательных средах. Однако и здесь выявлены следующие формы роста бактерий:
▲ пленка тонкая, нежная, бесцветная, имеет вид едва заметного налета, исчезающего при встряхивании пробирки и взбалтывании среды;
а пленка влажная, толстая, хорошо видимая простым глазом, вязкой, слизистой консистенции, прилипает к петле и тянется за ней;
▲ пленка плотная, сухая, внешним видом напоминает кусочки кожи и при попытке взятия из нее материала снимается целиком в виде круглого диска, соответствующего диаметру пробирки;
Цвет пленки, как и питательной среды, зависит от пигмента, вырабатываемого растущей культурой микробов. Рост бактерий в виде поверхностной пленки характерен для микробов-аэрофилов.
Рост на полужидкой питательной среде. Для выявления особенностей микробного роста на полужидкой питательной среде исследуемую культуру засевают в столбик 0,2–0,5 % полужидкого агара. Для того чтобы особенности роста проявлялись наиболее четко, прокол среды делают в непосредственной близости к стенке пробирки. Посев, произведенный таким образом, дает возможность выявить подвижные расы микробов и дифференцировать их от неподвижных.
Подвижные микробы в столбике полужидкого агара вызывают выраженное помутнение, распространяющееся более или менее равномерно по всей толще среды.
Неподвижные формы микробов растут только по ходу прокола среды, напоминая сосульки цилиндрической или конической формы. При этом окружающая среда остается совершенно прозрачной.
Тема 9. Культуральные свойства бактерий на плотных (9.1) и в жидких (9.2) питательных средах
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ. Ознакомить студентов с основными культуральными свойствами бактерий. Продолжить выделение чистой культуры бактерий (2-й день исследования).
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОСНАЩЕНИЕ. Посевы, сделанные на предыдущем занятии, культуры на МПБ (для демонстрации). Лупы, стереоскопический микроскоп. Питательные среды в пробирках: МПБ, скошенный МПА. Бактериологические петли, спиртовки, предметные стекла, набор красок для окрашивания по Граму. Микроскопы. Таблицы, схемы, рисунки.
У выделенных чистых бактериальных культур изучают культуральные свойства.
Культуральными свойствами бактерий называют характер их роста на плотных и жидких питательных средах.
Изучение культуральных свойств бактерий наряду с другими – морфологическими, тинкториальными, биохимическими, серологическими (антигенными) и патогенными – необходимо при проведении бактериологической диагностики с целью идентификации выделенных бактерий из исследуемого материала.
9.1. Культуральные свойства бактерий на плотных питательных средах
На этих средах бактерии растут в виде колоний, которые подвергают изучению (рис. 28).
1. Макроскопическое изучение колоний в проходящем свете проводится невооруженным глазом. Чашку поворачивают дном к себе на расстоянии лучшей видимости. При наличии двух различных видов колоний их нумеруют и описывают каждую в отдельности. В протоколе отмечают следующие данные:
а) величина колоний (крупная – 4-5 мм в диаметре и более, средняя – 2-4 мм, мелкая – 1-2 мм, карликовая – не более 1 мм);
б) форма очертаний колоний (правильно и неправильно округлая, розеткообразная, ризоидная и др.);
в) степень прозрачности (плотная – непрозрачная, полупрозрачная, прозрачная).
В отраженном свете рассматривают колонии со стороны крышки, не открывая ее, и отмечают:
а) цвет колоний (бесцветная, пигментированная, цвет пигмента);
б) поверхность (гладкая, блестящая, влажная или морщинистая, матовая, сухая и др.);
в) положение колонии на питательной среде (возвышающаяся над средой, погруженная в среду, на уровне среды – плоская, плотно прилегающая к среде – уплощенная).
2. Микроскопическое изучение колоний. Чашку устанавливают вверх дном на предметном столике микроскопа, опускают конденсор и объективом х8 изучают структуру и края колоний:
а) характер краев (ровные, волнистые, зазубренные, бахромчатые и др.);
б) структура колоний (гомогенная, аморфная, зернистая, волокнистая и др.)
9.2. Культуральные свойства бактерий в жидких питательных средах
Рост бактерий в жидких питательных средах характеризуется следующими признаками. Не встряхивая содержимое пробирки с посевом, вначале обращают внимание на поверхностный рост, который может быть в виде пристеночного кольца или пленки по всей поверхности среды. По своему характеру пленка может быть нежная или грубая, складчатая или ровная; по консистенции – хрупкая, слизистая, сальная.
Отмечают также характер и степень помутнения среды, которое может быть незначительное (в виде опалесценции), слабое, умеренное и интенсивное.
Многие бактерии на жидких питательных средах образуют на дне пробирки осадок, который выявляется при легком встряхивании пробирки. Он может быть незначительным или обильным, зернистым, хлопьевидным, слизистым, крошковидным и т.д.
Ряд бактерий образует водорастворимые пигменты, которые равномерно окрашивают питательную среду в сине-зеленый, ярко-красный и желтый цвета.
После изучения культуральных свойств выделяемых бактерий на плотной питательной среде из отдельной колонии готовят мазок и окрашивают по Граму. Проводят микроскопию. Из этой же колонии делают пересев на скошенный МПА и МПБ для выделения чистой культуры бактерий (2-й день исследования).
Задания для самостоятельной работы
1. Изучить культуральные свойства кишечной палочки, стафилококка и вакцинного штамма сибиреязвенной палочки на МПА.
2. Отметить характерные колонии для указанных видов бактерий, сделать из них препарат, окрасить по Граму, провести микроскопию. Из этой колонии произвести пересев на свежие питательные среды: на скошенный МПА и МПБ для выделения чистой культуры бактерий (2-й день исследования).
3. Изучить культуральные свойства бактерий на МПБ (демонстрационные культуры).
4. Полученные результаты внести в бланки экспертизы.
Вопросы для самоподготовки и контроля знаний
1. Что входит в понятие «культуральные свойства бактерий»?
2. Какие признаки принимают во внимание при характеристике роста бактерий на плотных и жидких питательных средах?
3. Дайте характеристику роста кишечной палочки, стафилококка, вакцинного штамма сибиреязвенной палочки на плотных и жидких питательных средах.