Современная классификация микроорганизмов

Классификация, или систематика микроорганизмов (от греч. Systёmatikos - упорядоченный, систематизированный), - это раздел микробиологии, занимающийся вопросами создания классификации микроорганизмов на основе их свойств и родственных взаимосвя­зей. В качестве синонима понятия «систематика микроорганизмов» иногда используется также термин «таксономия».

В настоящее время нет универсальной, единственно правиль­ной, классификации. В зависимости от поставленной задачи микро­организмы могут быть классифицированы по морфологическим признакам (палочки, кокки, извитые и т.д.), по тинкториальным при­знакам (грамположительные, грамотрицательные и т.д.), по физио­логическим признакам (термофильные, психрофильные, ацидофиль­ные, аэробные и т.д.), по экологическим признакам (азотфиксирующие, нитрифицирующие, сульфатредуцирующие, целлюлозоразрушающие и т.д.), по межвидовым отношениям (антагонисты, синнергисты, комменсалы и т.п.), по видам таксиса, генотипическим и филоге­нетическим признакам. Микроорганизмы классифицируются также по степени опасности для человека, животных и окружающей среды. Таким образом, классификация микроорганизмов представляет собой субъективную обработку объективных характеристик.

Современная систематика микроорганизмов включает в себя три основных направления:

1. Характеристика микроорганизмов - получение всевоз­можных сведений о свойствах и параметрах, необходимых для отне­сения определяемых микроорганизмов к тому или иному таксону.

2. Классификация или таксономия, т.е. процесс упорядо­ченного расположения микроорганизмов в таксономические груп­пы на основе подобия.

3. Номенклатура - присвоение научных названий таксономи­ческим группам (таксонам).

Основной таксономической единицей в систематике микро­организмов является вид. По общебиологическим представлени­ям, вид - это группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующийся определенными морфологическими, биохимически­ми и физиологическими признаками, обособленных отбором от дру­гих видов и приспособленных к определенной среде обитания. Важ­ным видовым признаком является способность организмов скре­щиваться и давать потомство.

Определение вида у бактерий принципиально отличается от классического определения биологического вида, так как у них от­сутствует половой способ размножения. По современным представ­лениям, к одному виду бактерий относят близкородственные орга­низмы, с 70%-ным уровнем гомологии ДНК и сходные по совокупно­сти морфологических, биохимических и физиологических признаков.

В иерархической классификации микроорганизмов использу­ются также следующие таксономические категории: подвид - груп­па близкородственных сходных организмов внутри вида с уровнем ДНК-гомологии выше 70%; род - таксономическая группа, объе­диняющая родственные виды, и далее - семейство, подпорядок, порядок, подкласс, класс, царство и домен (или надцарство). В настоящее время в большей степени описаны семейства и доме­ны, в то время как остальные таксономические группы находятся в процессе систематизации.

Домены являются наивысшими таксонами микроорганизмов, соответствующими ранее выделяемым царствам. Согласно совре­менной классификации все разнообразие микроорганизмов представ­лено тремя доменами: Bacteria (прокариотиые микроорганиз­мы, истинные бактерии), Archaea (другая эволюционная ветвь прокариоптых микроорганизмов) и Eukarya (эукариотные мик­роорганизмы) (рис. 2). Из них два домена (Bacteria и Archaea) включают только представителей прокариотов, которые выделены в отдельное надцарство - Procariolae.

Рис.2. Универсальное филогенетическое древо живых организмов.

Наиболее точной, информативной и удобной в использовании, является такая система классификации, в которой таксоны опреде­лены, исходя из разнообразных согласующихся характеристик, по­лученных с использованием различных современных методов. По­добный подход к выделению таксонов называется полифазным.

Основными методами современной полифазной таксономии являются: генотипический, фенотипический и филогенетический.

Генотипический метод является доминирующим в полифаз­ной таксономии. Он основан на изучении Ц+Г состава ДНК, на ис­следовании ДНК-рРНК гомологии, на установлении родственных отношений между микроорганизмами, которые закодированы в нуклеотидных последовательностях генов 16S или 23S р-РНК. Напри­мер, при определении принадлежности микроорганизма к опреде­ленному виду уровень сходства нуклеотидных последовательнос­тей ДНК около 70% играет первостепенную роль. Поэтому геноти­пический метод часто называют методом геномной дактилоско­пии.

Фенотипические исследования используются чаще всего в раз­личных схемах идентификации микроорганизмов, для формального описания таксона, от разновидности и подвида до рода и семейства. В то время как генотипические данные необходимы для размещения таксона на филогенетическом древе и в системе классификации, фенотипическая характеристика дает описательную информацию, позволяющую идентифицировать тот или иной вид микроорганизма. Классические фенотипические характеристики включают в себя морфологические, физиологические, биохимические, хемотаксономические и серологические особенности микроорганизмов.

Морфологические признаки указывают, какие размеры и форму имеет микроорганизм (кокк, палочка, спирилла), есть ли у него капсу­ла или споры, объединяются ли клетки в цепочки, тетрады или пакеты, есть ли у них жгутики и как они расположены, окрашиваются ли клет­ки по Граму. Морфология бактерий включает в себя изучение культуральных свойств, т.е. характер роста на питательных средах, форму колоний на плотных питательных средах, пигментообразование.

Физиологические особенности характеризуют механизм об­мена веществ, способ получения энергия, способность данного микроорганизма к трансформации тех или иных веществ, его отно­шение к углероду, азоту, кислороду, температуре, рН среды.

Биохимические признаки определяются способностью микро­организмов разлагать определенные сахара, образовывать серово­дород, аммиак и другие соединения.

Хемотаксономические особенности характеризуют химичес­кий состав цитоплазмы клетки. Таксономическая специфичность состава жирных кислот, липопротеидов, липополисахаридов, пигмен­тов, полиаминов, белков и других химических компонентов клетки широко используется при классификации микроорганизмов.

Серологические свойства, или серотипирование, основаны на выявлении вариабильности антигенных компонентов бактериаль­ных клеток. Такими компонентами могут быть жгутики, фимбрии. капсулы, клеточная стенка, ферменты и токсины. Для выявления антигенных свойств бактериальной клетки используются различ­ные серологические реакции: реакция преципитации, реакция скле­ивания комплемента, осаждение и др.

Таким образом, фенотипические характеристики отличаются большим объемом и разнообразием получаемой информации, ко­торую сложно обработать вручную. Возникла необходимость в ком­пьютерном, числовом анализе получаемых данных. Появилась нумерическая (числовая) таксономия, позволяющая с помощью компьютерных программ анализировать фенотипические и генотипические характеристики микроорганизмов. Использование нумерического анализа в таксономической практике получило название «компьютерная идентификация».

Филогенетические методы (от греч. phylon - род, племя и genesis - происхождение, возникновение) позволяют проследить про­цесс исторического развития микроорганизмов как в целом, так и их отдельных таксономических групп: видов, подвидов, родов, се­мейств, подпорядков, порядков, подклассов, классов, царств и до­менов.

Филогенетические связи между микроорганизмами изучают­ся методами геномной дактилоскопии, молекулярной биологии, ком­пьютерной идентификации. На основании полученных данных стро­ятся филогенетические древа, которые отражают эволюционные взаимоотношения между микроорганизмами (рис. 3). Создаваемые филогенетические древа не могут быть использованы для постро­ения иерархической классификации микроорганизмов и не заменя­ют собою систематику. Они являются одним из ее элементов.

Номенклатура - занимается вопросами точных и единообраз­ных названий. Эго система наименований, применяемых в определен­ной области знаний. В соответствии с международными правилами таксономическим группам микроорганизмов присваиваются имена.

Еще до введения первых правил номенклатуры было описа­но огромное количество микроорганизмов. Причем одна и та же бактерия могла быть отнесена к разным по названию таксонам. Во избежание этого Международным Кодексом номенклатуры были определены все приоритетные названия бактерий, опубли­кованные с 1 мая 1753 года. В результате был создан «Список признанных названий бактерий», который вступил в силу с 1 янва­ря 1980 года. В настоящее время название микроорганизмам при­сваивается в соответствии с правилами Международного Кодек­са номенклатуры бактерий. Компетенция Кодекса распространя­ется только на правила присвоения и использования научных на­званий микроорганизмов. Вопросы классификации решаются вне зависимости от Кодекса на базе проводимых таксономических исследований.

Рис. 3. Филогенетическое древо бактерий.

В микробиологии, как и в биологии, для обозначения видов бактерий принята двойная (бинарная) номенклатура, предложенная еще в 1760 году Карлом Линнеем.

Первое слово обозначает название рода. Обычно это латинс­кое слово, оно пишется с прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак, либо фами­лию ученого, открывшего этот микроб. Например, в честь фран­цузского ученого Л. Пастера назван род «пастерелла», американс­кого микробиолога Сальмона - род «сальмонелла», немецкого уче­ного Т. Эшериха - род «эшерихиа», японского микробиолога Шига - род «шигелла», английских бактериологов Д. Брюса и С. Эрвина - роды «бруцелла» и «эрвиния», русских ученых Кузнецова и Лямбля - роды «кузнецовия» и «лямблия» и т.д. Название рода микроорга­низма обычно сокращается до одной-двух букв.

Второе слово обозначает видовой эпитет в названии микроор­ганизма и, как правило, представляет собой производное от суще­ствительного, дающее описание цвета колонии, источника проис­хождения микроорганизма, вызываемого им процесса или болезни. Название вида пишется со строчной буквы и никогда не сокраща­ется. Например, Escherichia coli означает, что эшерихии обитают в кишечнике, Pasterella pestis - пастереллы, вызывающие чуму, Bordetetia pertussis - бордетеллы, вызывающие кашель, Clostridium tetani - клостридии, вызывающие столбняк и т.д.

С.Н. Виноградский и М. Бейеринк, учитывая многообразие метаболизма бактерий, предложили в названии рода отражать при­знаки, связанные с морфологией, экологией, биохимией и физиоло­гией микроорганизмов. Так появились названия, являющиеся клю­чом к характеристике микроорганизма: Acetobacter (кислотообра­зующие бактерии), Nitrosomonas (нитрифицирующие бактерии), Azotobakter (бактерии, связывающие азот атмосферы), Chromobakterium (пигментированные бактерии), В. stearothermophiliis (восковые теплолюбивые бактерии) и т.д.

Иногда в качестве составной части систематики рассматри­вается идентификация (определение) микроорганизмов. Однако это не совсем корректно, так как идентификация использует уже построенные системы классификации и конкретные, указанные в идентификационных ключах (таблицах), характеристики микроор­ганизмов. Схемы идентификации микроорганизмов являются своеобразным тестом качества системы классификации. Дня иденти­фикации микроорганизмов широко используются фенотипические и генотипические методы, методы компьютерной идентификации ана­лиза и геномной дактилоскопии.

В 1923 году Д. Берджи выпустил первый международный определитель бактерий. Последующие издания были подготов­лены Международным комитетом по систематике бактерий. Де­вятое, последнее американское издание «Руководства по опреде­лению бактерий Берджи» (Bergey's Manual of Determinative Bacteriology), вышло в 1994 году. Сокращенное название Руковод­ства -BMDB-9. В русском переводе BMDB-9 издано в 1997 году. Оно знакомит с многообразием прокариот и делает шаг навстре­чу попыткам идентификации микроорганизмов, выделяемых из ок­ружающей среды.

Согласно BMDB-9 бактерии подразделяются (по фенотипи-ческим признакам) на четыре основные категории:

1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки.

2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки.

3. Эубакгерии, лишенные клеточных стенок.

4. Архебактерии.

Все эти категории прокариот подразделены на 35 групп, ха­рактеристика которых приведена в приложении 1.

Основным объектом в идентификации микроорганизмов яв­ляется чистая культура выделенной бактерии, называемая «штам­мом» или «клоном».

Штамм (от нем. stammen - происходить) - это бактериальная культура одного и того же вида, выделенная из разных объектов или из одного объекга в разное время, и отличающаяся незначи­тельными изменениями свойств (например, по чувствительности к антибиотикам, ферментативной активности, способности к образо­ванию токсинов). Обычно штаммы одного вида приспособлены к определенной среде обитания.

Под термином «бактериальная культура» понимают попу­ляцию микробных клеток в данном месте и в данное время. Это могут быть микроорганизмы, выращенные на плотной или жидкой питательной среде в условиях лаборатории. Культуру микроорга­низмов, выращенных на плотной или жидкой питательной среде из особей одного вида путем последовательных пересевов одиночной колонии, называют чистой.

Чистые бактериальные культуры, полученные из одной исход­ной клетки, называют клонами (от греч. klon - отпрыск). Клон пред­ставляет собой генетически однородную популяцию.

Смешанной называют культуру из неоднородных микроорга­низмов, выделенных из исследуемого материала, например, из воды, почвы, воздуха.