Деление клетки кишечной палочки
Размножение бактерий путем деления — самый распространенный метод увеличения численности микробной популяции. После деления происходит рост бактерий до исходного размера, для чего необходимы определенные вещества (факторы роста).
Способы размножения бактерий различны, но для большинства их видов присуща форма бесполового размножения способом деления. Способом почкования бактерии размножаются исключительно редко. Половое размножение бактерий присутствует в примитивной форме.
Рис. 1. На фото бактериальная клетка в стадии деления.
Генетический аппарат бактерий
Генетический аппарат бактерий представлен единственной ДНК — хромосомой. ДНК замкнута в кольцо. Хромосома локализована в нуклеотиде, не имеющем мембраны. В бактериальной клетке имеются плазмиды.
Нуклеоид
Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.
Рис. 2. На фото бактериальная клетка на срезе. В центральной части виден нуклеотид.
Плазмиды
Плазмиды представляют собой автономные молекулы свернутые в кольцо двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.
Рис. 3. На фото бактериальная плазмида.
к содержанию ↑
Этапы деления
После достижения определенных размеров, присущих взрослой клетке, запускаются механизмы деления.
Репликация ДНК
Репликация ДНК предшествует клеточному делению. Мезосомы (складки цитоплазматической мембраны) удерживают ДНК до тех пор, пока процесс деления (репликации) не завершится.
Репликация ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимеразами. При репликации водородные связи в 2-х спиральной ДНК разрываются, в результате чего из одной ДНК образуются две дочерние односпиральные. В последующем, когда дочерние ДНК заняли свое место в разделенных дочерних клетках, происходит их восстановление.
Как только репликация ДНК завершилась, в результате синтеза клеточной стенки появляется перетяжка, разделяющая клетку пополам. Вначале делению подвергается нуклеотид, затем цитоплазма. Синтез клеточной стенки завершает деление.
Рис. 4. Схема деления бактериальной клетки.
Обмен участками ДНК
У сенной палочки процесс репликации ДНК завершается обменом участками 2-х ДНК.
После деления клетки образуется перемычка, по которой ДНК одной клетки переходит в другую. Далее обе ДНК сплетаются. Некоторые отрезки обоих ДНК слипаются. В местах слипания происходит обмен отрезками ДНК. Одна из ДНК по перемычке уходит обратно в первую клетку.
Рис. 5. Вариант обмена ДНК у сенной палочки.
к содержанию ↑
Типы делений бактериальных клеток
Если клеточное деление опережает процесс разделения, то образуются многоклеточные палочки и кокки.
При синхронном клеточном делении образуются две полноценные дочерние клетки.
Если нуклеотид делится быстрее самой клетки, то образуются многонуклеотидные бактерии.
к содержанию ↑
Способы разделения бактерий
Деление с помощью разламывания
Деление с помощью разламывания характерно для сибиреязвенных бацилл. В результате такого деления клетки переламываются в местах сочленения, разрывая цитоплазматические мостики. Далее отталкиваются друг от друга, образуя цепочки.
Скользящее разделение
При скользящем разделении после деления клетка обосабливается и как бы скользит по поверхности другой клетки. Данный способ разделения характерен для некоторых форм эшерихий.
Секущееся разделение
При секущемся разделении одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).
Рис. 6. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).
Рис. 7. На фото скользящий способ разделения кишечных палочек.
Рис. 8. Секущийся способ разделения коринебактерий.
к содержанию ↑
Вид скоплений бактерий после деления
Скопления делящихся клеток имеют разнообразную форму, которая зависит от направления плоскости деления.
Шаровидные бактерии располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками или как гроздья винограда. Палочковидные бактерии — цепочками.
Спиралевидные бактерии — хаотично.
Рис. 9. На фото микрококки. Они круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.
Рис. 10. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.
Рис. 11. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.
Рис. 12. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка). Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 13. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 14. На фото извитые бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Рис. 15. На фото палочковидные бактерии рода Vibrio.
к содержанию ↑
Скорость деления бактерий
Скорость деления бактерий крайне высока. В среднем одна бактериальная клетка делится каждые 20 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства. Микобактерии туберкулеза делятся медленно. Весь процесс деления занимает у них около 14 часов.
Рис. 16. На фото отображен процесс деления клетки стрептококка.
к содержанию ↑
Половое размножение бактерий
В 1946 году учеными было обнаружено половое размножение в примитивной форме. При этом гаметы (мужские и женские половые клетки) не образуются, однако некоторые клетки обмениваются генетическим материалом (генетическая рекомбинация).
Передача генов осуществляется в результате конъюгации — однонаправленного переноса части генетической информации в виде плазмид при контакте бактериальных клеток.
Плазмиды представляют собой молекулы ДНК небольшого размера. Они не связаны с геномом хромосом и способны удваиваться автономно. В плазмидах содержаться гены, которые повышают устойчивость бактериальных клеток к неблагоприятным условиям внешней среды. Бактерии часто передают эти гены друг другу. Отмечается так же передача генной информации бактериям другого вида.
При отсутствии истинного полового процесса именно конъюгация играет огромную роль при обмене полезными признаками. Так передается способность бактерий проявлять лекарственную устойчивость. Для человечества особо опасным является передача устойчивости к антибиотикам между болезнетворными популяциями.
Рис. 17. На фото момент конъюгации двух кишечных палочек.
к содержанию ↑
Фазы развития бактериальной популяции
При посевах на питательную среду развитие бактериальной популяции проходит несколько фаз.
Исходная фаза
Исходная фаза — это период от момента посева до их роста. В среднем исходная фаза длится 1 — 2 часа.
Фаза задержки размножения
Это фаза интенсивного роста бактерий. Ее длительность составляет около 2-х часов. Она зависит от возраста культуры, периода приспособления, качества питательной среды и др.
Логарифмическая фаза
В эту фазу отмечается пик скорости размножения и увеличения бактериальной популяции. Ее длительность составляет 5 — 6 часов.
Фаза отрицательного ускорения
В эту фазу отмечается спад скорости размножения, уменьшается количество делящихся и увеличивается число погибших бактерий. Причина отрицательного ускорения — истощение питательной среды. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Стационарная фаза максимума
В стационарную фазу отмечается равное количество погибших и вновь образованных особей. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Фаза ускорения гибели
В эту фазу прогрессивно нарастает количество погибших клеток. Ее длительность составляет около 3-х часов.
Фаза логарифмической гибели
В эту фазу клетки бактерий отмирают с постоянной скоростью. Ее длительность составляет около 5-и часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания
В эту фазу оставшиеся живыми клетки бактерий переходят в состояние покоя.
Рис. 18. На рисунке отображена кривая роста бактериальной популяции.
Рис. 19. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета, колонии микрококков желтого цвета, колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета и колонии Bacteroides niger черного цвета.
Рис. 20. На фото колонии бактерий. Каждая колония — потомство одной-единственной клетки. В колонии число клеток исчисляется миллионами. вырастает колония за 1 — 3 суток.
к содержанию ↑
Деление магниточувствительных бактерий
В 1970-х годах были открыты бактерии, обитающие в морях, которые обладали чувством магнетизма. Магнетизм позволяет этим удивительным существам ориентироваться по линиям магнитного поля Земли и находить серу, кислород и другие, так необходимые ей вещества. Их «компас» представлен магнитосомами, которые состоят из магнита. При делении магниточувствительные бактерии делят свой компас. При этом перетяжки при делении становится явно недостаточно, поэтому бактериальная клетка сгибается и делает резкий перелом.
Рис. 21. На фото момент деления магниточувствительной бактерии.
к содержанию ↑
Рост бактерий
Вначале деления бактериальной клетки две молекулы ДНК расходятся в разные концы клетки. Далее клетка делится на две равноценные части, которые отделяются друг от друга и увеличиваются до исходного размера. Скорость деления многих бактерий составляет в среднем 20 — 30 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства.
Масса клеток в процессе роста и развития быстро поглощает питательные вещества из окружающей среды. Этому способствуют благоприятные факторы внешней среды — температурный режим, достаточное количество питательных веществ, необходимая pH среды. Для клеток аэробов необходим кислород. Для анаэробов он представляет опасность. Однако безграничное размножение бактерий в природе не происходит. Солнечный свет, сухой воздух, недостаток пищи, высокая температура окружающей среды и другие факторы губительно действуют на бактериальную клетку.
Рис. 22. На фото момент деления клетки.
к содержанию ↑
Факторы роста
Для роста бактерий необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезируется самой клеткой, часть поступает из окружающей среды. Потребность в факторах роста у всех бактерий разная.
Потребность в факторах роста является постоянным признаком, что позволяет использовать его для идентификации бактерий, подготовке питательных сред и использовать в биотехнологии.
Факторы роста бактерий (бактериальные витамины) — химические элементы, большинством из которых являются водорастворимые витамины группы В. В эту группу входят так же гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и другие аминокислоты. При отсутствии факторов роста наступает бактериостаз.
Бактерии используют факторы роста в минимальных количествах и в неизменном виде. Ряд химических веществ этой группы входят в состав клеточных ферментов.
Рис. 23. На фото момент деления палочковидной бактерии.
Важнейшие бактериальные факторы роста
- Витамин В1 (тиамин). Принимает участие в углеводном обмене.
- Витамин В2» (рибофлавин). Принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях.
- Пантотеновая кислота является составной частью кофермента А.
- Витамин В6 (пиридоксин). Принимает участие в обмене аминокислот.
- Витамины В12 (кобаламины — вещества, содержащие кобальт). Принимают активное участие в синтезе нуклеотидов.
- Фолиевая кислота. Некоторые ее производные входят в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот.
- Биотин. Участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот.
- Витамин РР (никотиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, образовании ферментов и обмене липидов и углеводов.
- Витамин Н (парааминобензойная кислота). Является фактором роста многих бактерий, в том числе населяющих кишечник человека. Из парааминобензойной кислоты синтезируется фолиевая кислота.
- Гемин. Является составной частью некоторых ферментов, которые принимают участие в реакциях окислениях.
- Холин. Принимает участие в реакциях синтеза липидов клеточной стенки. Является поставщиком метильной группы при синтезе аминокислот.
- Пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Вещества необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот.
- Аминокислоты. Эти вещества являются составляющими белков клетки.
Потребность в факторах роста некоторых бактерий
Бактерии сапрофиты питаются органическими веществами погибших организмов. Они потребляют минимум питательных веществ. Бактерии паразиты нуждаются в повышенном количестве аминокислот и других факторов роста.
Ауксотрофы для обеспечения жизнедеятельности нуждаются в поступлении химических веществ из вне. Например, клостридии не способны синтезировать лецитин и тирозин. Стафилококки нуждаются в поступлении лецитина и аргинина. Стрептококки нуждаются в поступлении жирных кислот — компонентов фосфолипидов. Коринебактерии и шигеллы нуждаются в поступлении никотиновой кислоты. Золотистые стафилококки, пневмококки и бруцеллы нуждаются в поступлении витамина В1. Стрептококки и бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте.
Прототрофы самостоятельно синтезируют необходимые вещества.
Рис. 24. Разные условия окружающей среды по-разному влияют на рост колоний бактерий. Слева — стабильный рост в виде медленно расширяющегося круга. Справа — быстрый рост в виде «побегов».
Изучение потребности бактерий в факторах роста позволяет ученым получать большую микробную массу, так необходимую при изготовлении антимикробных препаратов, сывороток и вакцин.
Подробно о бактерияx читай в статьях:
«Строение бактерий»,
«Споры и спорообразование в жизни бактерий»,
«Как питаются и дышат бактерии? Зачем бактериям ферменты и пигменты?».
Размножение бактерий является механизмом повышения числа микробной популяции. Деление бактерий — основной способ размножения. После деления бактерии должны достигнуть размеров взрослых особей. Рост бактерий происходит путем быстрого поглощения питательных веществ их окружающей среды. Для роста необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезирует сама бактериальная клетка, часть поступает из окружающей среды.
Изучая рост и размножение бактерий, ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.
Статьи раздела “Бактерии”
Самое популярное
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ?
Подпишитесь на нашу рассылку!
Источник
Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.
Двенадцать модельных организмов
Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!
Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas
Кишечная палочка — один из первых мемов, с которым сталкиваются дети при знакомстве с биологией (рис. 1а). Запоминающееся, простое и забавное название. Помню, как узнал в детстве, что эта палочка может быть опасной — кто-то мучился животом, а родители сказали, что, наверное, кишечная палочка! Позже, уже в старшей школе, я узнал латинское название этой бактерии, и оно меня удивило, оказавшись каким-то не очень латинским. Оказывается, австрийский педиатр Теодор Эшерих (рис. 1б), который впервые выделил эту палочку из содержимого кишечника в 1885 году, вначале назвал ее благозвучно — Bacterium coli, что означает просто «кишечная бактерия». После ожидаемого пересмотра классификации бактерий род переименовали в честь первооткрывателя. По анекдотическому совпадению очень созвучно — Eschrichtius — называется одно из самых крупных существ на земле — серый кит (рис. 1в). Правда, этого гиганта так назвали в честь другого ученого — датского зоолога Даниэля Эшрихта, работавшего на полвека раньше (рис. 1г). В этом плане другой важной палочке — сенной — повезло больше, поскольку она до сих пор называется Bacillus subtilis, что в переводе — тонкая палочка.
Рисунок 1а. Escherichia длиной 2 мкм
Рисунок 1б. Теодор Эшерих (1857–1911)
Рисунок 1в. Eschrichtius длиной 14 метров
Рисунок 1г. Даниэль Фредрик Эшрихт (1798–1863)
Кишечная палочка живет… правильно, в кишечнике человека, составляя по численности не более 0,1% нормальной микрофлоры. Как и многие микроорганизмы, эта грамотрицательная палочка очень изменчива и из дружественного — комменсального — компонента микрофлоры кишечника зачастую превращается во вредный — патогенный. Практически каждый сталкивался с «колийной» инфекцией. Например, именно эшерихия вызывает большинство случаев диареи путешественников. В приморских районах местные жители иммунны к штаммам кишечной палочки, населяющим источники воды, поэтому от них страдают туристы. Одним из параметров качества питьевой воды считается косвенный показатель содержания в ней клеток кишечной палочки — так называемый коли-титр. Как и многие патогенные бактерии, кишечная палочка охотно приобретает свойства множественной устойчивости к антибиотикам . Так, в мире растет число случаев возвратного цистита [1] — воспаления мочевого пузыря — и других инфекций, вызванных мультирезистентными штаммами E. coli.
Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.
Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.
С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.
Одновременно (или вскоре после этого) с помощью штаммов эшерихии были заложены основы современной молекулярной биологии. Французы Франсуа Жакоб и Жак Моно на примере лактозного оперона — серии генов E. coli, кодирующих каскад расщепления сахара лактозы, — раскрыли механизмы регуляции генной экспрессии — «самовыражения» генетического материала в виде работы белков, в данном случае — ферментов. На материале кишечной палочки описаны все процессы передачи информации в клетке: так называемые матричные процессы — репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Я помню, как в университете на микробиологии нам раздали учебники Стента и Кэлиндара по молекулярной генетике, издания, кажется, 1981 года. Вначале было непонятно, почему это нужно для микробиологии, а потом оказалось, что материал учебника — кстати, очень непростой для восприятия второкурсника — на две трети описывает эксперименты, проведенные на кишечной палочке и ее вирусах.
Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.
Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!
Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.
Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.
Рисунок 2. Кишечная палочка Escherichia coli как герой календаря «Биомолекулы». Этот календарь мы сделали в 2019 году и даже провели на него весьма успешный краудфандинг. На тех, кто успел приобрести календарь, палочка уже взирает со стенки, ну а с прочими мы делимся хайрезом этого листа — скачивайте, печатайте и вешайте на стенку! Ну а кто все же хочет приобрести бумажный экземпляр — приглашаем в интернет-магазин «Планеты.ру»!
Благодарность
Автор благодарит своего друга — биоинформатика Анну Казнадзей (ИППИ РАН) за ее увлекательный рассказ о новом «лактозном опероне» кишечной палочки, в открытии которого она участвовала.
- Florian Hitzenbichler, Michaela Simon, Thomas Holzmann, Michael Iberer, Markus Zimmermann, et. al.. (2018). Antibiotic resistance in E. coli isolates from patients with urinary tract infections presenting to the emergency department. Infection. 46, 325-331;
- Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
- Модельные организмы: фаг лямбда;
- 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
- Молекулярная биология;
- У истоков генетического кода: родственные души;
- Биотехнология. Генная инженерия;
- Anna Kaznadzey, Pavel Shelyakin, Evgeniya Belousova, Aleksandra Eremina, Uliana Shvyreva, et. al.. (2018). The genes of the sulphoquinovose catabolism in Escherichia coli are also associated with a previously unknown pathway of lactose degradation. Sci Rep. 8;
- CRISPR-системы: иммунизация прокариот.
Источник