Известно много способов размножения, наблюдаемых у различных бактерий. У подавляющего числа представителей этой группы микроорганизмов размножение осуществляется путем деления клеток на две части.

В средней части физиологически подготовленной к размножению клетки за счет впячивания цитоплазматической мембраны образуется поперечная перегородка. Расщепляясь, она разделяет клетку на две доловинки. Образовавшиеся новые клетки могут быть несколько неодинаковыми по размеру, так как перегородка не всегда проходит посередине материнской клетки.

Кокки в процессе размножения последовательно делятся в одной, двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях. После деления они остаются в той или иной мере скрепленными друг с другом, в результате чего возникают сочетания кокков, отличающиеся по взаимному расположению (см. рис. 1): диплококки - парные кокки; стрептококки - цепочки кокков; тетракокки - по четыре кокка; сарцины - в форме правильных тючков по 8, 16 шт.; стафилококки - скопления, напоминающие грозди винограда. При очень слабой связи или ее отсутствии между возникающими при делении клетками образуются микрококки, во взаимном расположении которых нет никаких закономерностей. Они расположены поодиночке или в виде случайных скоплений по несколько экземпляров.

Палочки (бактерии, бациллы), подобно коккам, могут располагаться парами по длине - диплобактерии и цепочками - стрептобактерии. Большинство же палочек располагается одиночно, беспорядочно. По внешним очертаниям отдельные представители папочковидных заметно отличаются друг от друга. Известны палочки строго цилиндрической формы, бочковидные, с резко обрубленными, вогнутыми или заостренными концами и др.

Размножение делением не сводится только к удвоению числа клеток. Структурные элементы и вещества материнской клетки еще и перераспределяются между возникающими новыми клетками. Большая часть клеток нового поколения наследует бездефектные структуры родительских организмов, вторая - менее полноценные. В связи с таким распределением по прошествии нескольких циклов деления образуется какое-то количество нежизнеспособных клеток. Устайовлено, что доля таких клеток, приходящаяся на каждый цикл деления, составляет примерно 10 % общего числа.

Бактерии обладают большой скоростью размножения, которая зависит от условий питания, температуры, доступа воздуха и др.

При благоприятных условиях _клетка может делиться через каждые 20-30 мин, т. е. за сутки может произойти 48-72 цикла удвоения. Из одной клетки за это время возникло бы 4714169·10 15 клеток, через 36 ч микробная масса составила бы около 400 т.

Если бы размножение постоянно проходило с такой скоростью, то из одной клетки в течение 5 дней могло бы образоваться такое количество клеток, что общий объем их оказался бы равным объему всех морей и океанов.

Практически беспрерывного деления микробов не происходит. Размножению их мешают многие моменты: истощение питательной среды, накопление продуктов собственного обмена и другие физические, химические и биологические факторы внешней среды. Так, при снижении температуры на 10 °С скорость размножения снижается в 2-3 раза.

Попадая в новые условия, на свежий субстрат, микробы не сразу начинают размножаться. Проходит некоторое время до начала увеличения их числа (фаза задержки роста), в течение которого они приспосабливаются к среде обитания и подготавливают самую среду. После этого начинается бурное размножение, замедляющееся затем по мере исчерпания питательных ресурсов и накопления продуктов жизнедеятельности бактерий в среде.

Быстрое развитие микробиологической порчи продуктов - скисание, окисление, плесневение, гниение и др. - как раз и объясняется исключительно высокой скоростью размножения бактерий.

На заключительной стадии деления клеточная оболочка сжимается и разрушается или участвует в синтезе септы с последующим автолизом, образуя две отдельных клетки

Процесс деления у бактерий контролируется гомологом тубулина, белком FtsZ, который образует кольцевую структуру в месте деления

Вместе с FtsZ, в месте деления образуется набор, состоящий примерно из 8 белков, участвующих в делении

Место деления клетки определяется двумя системами отрицательной регуляции: блокирующим эффектом нуклеоида и системой Min

Большинство клеток эукариот делятся точно посередине, образуя две одинаковые дочерние клетки. Деление скоординировано с завершением репликации и сегрегацией хромосом. Обычно деление происходит по завершению периода роста, во время которого масса клеток удваивается. После сегрегации хромосом наступает цитокинез, в результате которого клетка разделяется на две. Во время цитокинеза все слои клеточной мембраны локально принимают кольцеобразную форму. Как показано на рисунке ниже, цитокинез осуществляется, по крайней мере, двумя различными путями.

У грамотрицательных микроорганизмов , таких как Е. coli, деление происходит при сокращении слоев существующей оболочки, с последующим разрывом образующейся перемычки. У других бактерий, например у грамположительных В. subtilis, новообразованные кольцевые структуры материала клеточной стенки растут внутрь клетки, образуя перегородку. Когда образование перегородки завершилось, между сестринскими клетками образуется двойная мембрана, но клетки остаются связанными друг с другом. Разделение клеток представляет собой самостоятельное событие, которое включает в себя автолиз материала перегородки. В зависимости от условий роста, автолиз перегородки может происходить достаточно медленно и сопровождаться возникновением длинных цепей связанных между собой клеток.

При выделении и характеристике мутантов fis (филаментарные температурочувствительные мутации) был идентифицирован ряд генов, необходимых для деления. Клетки мутантов fis при непермиссивной температуре растут в виде длинных неделящихся филаментов. У большинства бактерий обнаружено около 8 генов fis. Плодотворным оказалось наблюдение Люткенхауза, который обнаружил, что белок FtsZ образует кольцеобразные структуры непосредственно под клеточной мембраной на месте деления. Затем к этому «Z-кольцу» в определенном порядке подходят остальные белки деления. Этот процесс для клеток Е. coli представлен на рисунке ниже. Функции большинства этих белков неизвестны.

Ключевой белок деления, FtsZ , представляет собой гомолог тубулина эукариот, белка, входящего в состав цитоскелета и формирующего микротрубочки. Подобно тубулину, этот белок является ГТФазой и в присутствии ГТФ полимеризуется с образованием линейных прото-филаментов, in vitro формирующих пучки и плоские структуры. Кольцевая структура белка FtsZ крайне динамична, и in vivo постоянно подвергается переформированию (с полупериодом <10 с!). В этом отношении белок напоминает тубулин эукариот.

В Z-кольце с белком FtsZ непосредственно взаимодействует белок FtsA, функция которого, вероятно, состоит в стабилизации кольца. Белок FtsA напоминает актин клеток эукариот, однако обладает дополнительным доменом, функции которого неизвестны. Этот белок образует димеры, но, по-видимому, не полимеризуется. Хотя он не участвует в формировании Z-кольца, клетки двойного мутанта, дефектного по белкам FtsA и ZipA, не способны образовывать кольцевые структуры. Таким образом, функции белков FtsA и ZipA частично перекрываются, и, по крайней мере, один из них необходим для стабилизации Z-кольца. Также показано, что белок ZipA непосредственно взаимодействует с FtsZ и, в отличие от последнего и FtsA, представляет собой трансмембранный белок. Поэтому ZipA может обеспечивать сопряжение Z-кольца с клеточной мембраной.

Остальные белки деления представляют собой трансмембранные белки. Функции белков FtsL и FtsQ неизвестны. Белок FtsW, вероятно, поставляет предшественники для белка FtsI, который является ферментом, участвующим в синтезе перегородки. Последний обладает способностью связывать пенициллин и взаимодействует с аппаратом синтеза клеточной стенки, функционирующим при делении. Белки FtsK и FtsN необходимы для деления клеток Е. coli, однако у B. subtilis гомолог белка FtsK (SpoIIIE) не участвует в делении, а гомолог белка FtsN у этих клеток отсутствует.

Между двумя хорошо изученными микроорганизмами , Е. coli и В. subtilis, существуют интересные различия в процессе сборки белков деления. Так, у E. coli этот процесс носит почти линейный характер, в то время как у В. subtilis сборка белков на Z-кольцевой структуре является взаимозависимой. Эти различия, вероятно, отражают различную организацию клеточной оболочки у грамотрицательных и грамположительных микроорганизмов. Пока мы мало знаем о том, каким образом полностью собранный аппарат деления влияет на цитокинез, и выяснение этих вопросов представляет собой обширное поле деятельности для исследователей.

Деление контролируется, главным образом, на уровне образования кольца FtsZ. Предполагают, что положение сайта деления, и, вероятно, протекание этого процесса во времени находятся под контролем двух факторов: блокирования нуклеоидом и системы Min. Оба этих фактора обеспечивают наступление деления только после завершения репликации ДНК, а также одинаковую величину образующихся клеток.

Фактор блокирования нуклеоидом исследован недостаточно. Он проявляется в том, что из-за своего объема нуклеоид может предотвращать деление. Поэтому деление клетки происходит только после завершения раунда репликации ДНК и расхождения сестринских хромосом с образованием отдельных нуклеоидов. При блокировании процессов репликации или сегрегации, присутствие нуклеоида в середине клетки предотвращает образование перегородки. В принципе отрицательный эффект нуклеоида может объясняться просто отсутствием в этой области исключением из его состава белка FtsZ. При этом белок не накапливается до критической концентрации, необходимой для его полимеризации.

Значимость фактора блокирования нуклеоидом для клетки представляет собой потенциальную проблему, которая заключается в том, что полюса клетки (по крайней мере у палочковидных бактерий) не защищены нуклеоидом, и поэтому возможно наступление аберрантного полярного деления. Для предупреждения этого, у многих бактерий присутствуют белки, входящие в систему Min, которая препятствует делению на полюсах.Название этой системы происходит от названия мини-клеток, образуемых мини-мутантами, для которых характерно деление на полюсах.

Ключевой эффектор системы Min представляет собой ингибитор клеточного деления, который называется MinC. Этот белок обладает способностью ингибировать образование Z-кольца, вероятно, непосредственно ингибируя полимеризацию FtsZ. Активность MinC находится под контролем белка MinD. Вероятно, этот белок контролирует внутриклеточную локализацию MinC по двум различным механизмам. Один из них состоит в том, что MinD транспортирует MinC на периферию клетки (ближе к цитоплазматической мембране) туда, где происходит сборка кольцевой структуры FtsZ. Второй механизм заключается в том, что MinD ограничивает активность MinC полюсами клетки, тем самым предотвращая наступление полярного деления, но способствуя делению клетки по средней линии.

У многих палочковидных бактерий система MiniCD используется для контроля за местонахождением сайта деления. Эта система хорошо охарактеризована у бактерий Е. coli и В. subtilis. Интересно, что у двух этих микроорганизмов существуют совершенно разные механизмы, посредством которых MinD ограничивает эффект MinC на полюса клетки. У В. subtilis используется простой механизм, при котором полярный якорный белок DivIVA транспортирует комплекс MinCD к полюсам клетки и в течение всего клеточного цикла удерживает его там в статичном положении. Как показано на рисунке ниже, DivIVA и MinD локализуются у полюсов вновь образованной клетки, и присутствие ингибитора MiniC предотвращает формирование FtsZ-кольца у полюсов.

По-видимому, после завершения репликации ДНК , в середине клетки создается новый потенциальный сайт деления. Концентрация ингибитора MiniC у полюсов позволяет провести сборку FtsZ-кольца в середине клетки и обеспечивает мобилизацию других белков деления. В этот момент аппарат деления, вероятно, становится нечувствительным к ингибирующему действию MinC Затем белки DivIVA и MinD перемещаются на середину клетки. Поэтому, когда при делении образуется новая пара клеточных полюсов, DivIVA встраивается в новые полюса и образует новую область проявления ингибирующего эффекта MinCD. Когда произошло сокращение оболочки, наступает разборка FtsZ-кольца, однако DivIVA и MinCD остаются на вновь образованных полюсах, тем самым предотвращая деление на этих полярных сайтах.

Таким образом, транспортировка DivIVA к сайту деления и затем его удержание на полюсах клетки являются ключевыми событиями этого механизма.

Интересно, что белок DivIVA локализуется на сайтах деления, когда он экспрессируется в эукариотических клетках (делящиеся дрожжи). Эта позволяет предполагать, что DivIVA может узнавать топологические характеристики, например кривизну мембраны, а не специфические белковые мишени.

В противоположность этому, в клетках Е. coli существует динамическая система MinCD, которая на какое-то время собирает комплекс у одного полюса. Затем он разбирается и собирается вновь у противоположного полюса. Так повторяется много раз. Этим процессом управляет кольцо белка MinE, которое, в свою очередь, каждый раз перемещается к тому или иному полюсу, смещая MinCD и обеспечивая ему возможность собраться у противоположного полюса. Изменение локализации MinCD от одного полюса к другому происходит с частотой порядка десятков секунд. Как показано на рисунке ниже, MinD поочередно накапливается на периферии мембраны с каждой стороны кольца MinE. Быстрое изменение локализации MinD не позволяет кольцу FtsZ собраться на полюсах.

Присутствие MinE в центральной области исключает проявление там ингибирующего эффекта MinD и дает возможность собраться в этом месте кольцу FtsZ. Остается невыясненным, почему для контроля MinCD и установления полюсов у Е. coli выработался такой энергетически невыгодный механизм.

MinD относится к интересной группе белков, обладающих общей функцией связывания нуклеотидов, которая также включает белок разделения хромосом, ParA. Близкий к ParA белок, Soj, также проявляет динамические свойства. Вероятно, общей для этих белков является их способность связывать и гидролизовать нуклеотиды и контролировать реакции полимеризации и деполимеризации. Это напоминает механизм контроля динамической нестабильности актиновых филаментов и микротрубочек у эукариот. Поэтому эти белки относятся еще к одному классу белков цитоскелета бактерий, обладающих широкими функциями, которые особенно связаны с вопросами морфогенеза на разных стадях клеточного цикла.

Недавно у грамположительных бактерий был идентифицирован белок, участвующий в блокировании клеточного деления нуклеоидом. Это Noc, представляющий собой белок, неспецифически связывающийся с ДНК, который локализован в нуклеоиде. Он также является ингибитором клеточного деления. Если не нарушена репликация хромосом, то мутанты noc растут нормальным образом. При этом в noc- клетках деление происходит с участием нуклеоида, а клетки дикого типа не делятся. Как показано на рисунке ниже, Noc и система MiniCD определяют местоположение кольца FtsZ в середине клетки. В клетках дикого типа, DivIVA запускает процесс полимеризации белка MinD, который распространяется от полюсов к середине клетки вдоль мембраны.

Белок MinC , связанный с белком MinD , предотвращает накопление FtsZ или полимеризацию поблизости от полюсов клетки. Предполагается, что белок Noc связывается с нуклеоидом и ингибирует накопление FtsZ или проявление его активности поблизости от нуклеоида. В клетках noc-, система Min предотвращает сборку кольца FtsZ, исключая область середины клетки, и клетки растут нормально. Однако у min- клеток Noc ингибирует сборку FtsZ только вокруг нуклеоида, и FtsZ образует кольцевую структуру в середине клетки и на полюсах, где нет нуклеоида. У клеток с отсутствующими топологическими ингибиторами (двойные мутанты min-noc-) сборке FtsZ ничего не препятствует, и по всей клетке образуются многочисленные вкрапления, состоящие из этого белка. Их образование приводит к утрате клеткой способности к делению. У грамотрицательных бактерий Noc отсутствует, однако у Е. coli обнаружен белок, контролирующий систему блокирования деления нуклеоидом по механизму, аналогичному Noc.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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:

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.

Скорость роста бактерий зависит как от внешних условий, так и от физиологических особенностей самой клетки. При наличии благоприятных условий рост бактериальной клетки завершается размножением. Основным способом размножения большинства бактерий является простое деление клетки пополам. Делению предшествует репликация (удвоение) хромосомы. Эти два процесса тесно взаимосвязаны. Частота репликации регулируется скоростью роста клетки. Репликация бактериальной хромосомы осуществляется описанным ранее способом (см. п. 3.2.5).
Изучение закономерности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками, образовавшимися в результате деления материнской клетки, позволило Г. Жакобу, С. Бреннеру и Т. Кузену (1963) сформулировать концепцию репликона. Репликон - единица репликации, это участок ДНК, содержащий регуляторные элементы, необходимые для независимой репликации. У бактерий таковым являются хромосома и плазмиды. Каждый репликон содержит не менее двух локусов, участвующих в контроле репликации: структурный ген-репликатор (ген-инициатор), детерминирующий синтез белка-инициатора и специальный сайт-репликатор, который распознает сигналы на начало удвоения хромосомы.
После некоторого периода роста клетка достигает определенного физиологического состояния. Из цитоплазматической мембраны в репликон поступают сигналы о необходимости репликации хромосомы и готовности клетки к делению. Под влиянием сигналов активизируется деятельность структурного гена и синтезируется белок-инициатор. Он, воздействуя на репликатор, запускает репликацию.
Между системой репликации хромосомы и делением клетки существует координированное взаимодействие: делению клетки всегда предшествует удвоение хромосомы. После завершения репликации начинается процесс деления клетки. У грамположительных бактерий и цианобактерий это осуществляется образованием поперечной перегородки, разделяющей материнскую клетку на две равноценные дочерние.
Деление происходит следующим образом. Вначале
синтезируется двуслойная цитоплазматическая мембрана. Затем на внутренней стороне клеточной стенки образуются два бугорка. Они интенсивно растут и, проникая кольцеобразно внутрь клетки между слоями образовавшейся цитоплазматической мембраны, образуют двойную перегородку, делящую клетку пополам.
Деление большинства грамотр тщательных бактерий
происходит путем перетяжки. При этом геномы расходятся по полюсам клетки, цитоплазматическая мембрана и клеточная стенка растягиваются, впячиваясь от периферии к центру клетки до контакта друг с другом. В результате клетка перешнуровывается на две дочерние. Деление клеток образованием перегородки или перетяжкой получило название бинарного в связи с формированием двух одинаковых дочерних клеток.
Кроме описанного бинарного деления, у бактерий известен другой способ размножения * почкование. Почкованием размножаются бактерии родов Hyphomicrobium, Pedomicrobium и других, объединенных в группу почкующихся бактерий. Эти организмы имеют вид вытянутых палочек (0,5х 2 мкм), иногда грушевидных, оканчивающихся гифами, или простеками (выростами).
Размножение у этих бактерий начинается с образования почки на конце гифы или непосредственно на материнской клетке. Почка разрастается в дочернюю клетку, формирует жгутик и отделяется от материнской клетки. По достижению зрелого состояния жгутик теряется и процесс развития повторяется.
В отличие от бинарного деления при почковании исходная клетка остается материнской, а вновь образованная - дочерней. Между ними имеются морфологические и физиологические различия.
Актиномицеты размножаются фрагментами мицелия и спорами. У одних (род Micromonospora) единичные споры формируются на гифах вегетативного мицелия, у других (род Streptomyces и др.) цепочки спор образуются на концах гиф воздушного мицелия, так называемых конидиеносцах. Фрагменты мицелия и споры в благоприятных условиях влажности, температуры прорастают и дают начало новым организмам.
Нитчатые цианобактерии кроме бинарного деления размножаются участками трихом и гормогониями. Последние представляют собой укороченные нити, состоящие из мелких вегетативных клеток одинаковой формы и размеров. При отмирании средних клеток трихома (нити) гормогонии выскальзывают из чехла материнского трихома, растут, делятся, образуя новые трихомы. Гормогонии, в отличие от материнского трихома, не имеют гетероцист и никогда не окружены чехлом.
Независимо от того, каким путем идет процесс размножения бактерий, скорость этого процесса огромна: за 24 ч может смениться столько поколений, сколько у человека за пять тысяч лет. Скорость размножения зависит от многих условий и для каждого вида бактерий различна. При наличии в среде необходимых питательных веществ, благоприятной температуры и кислотности среды деление каждой клетки может повторяться через 20-30 мин (Е. coli). При такой скорости размножения из одной клетки за сутки возможно образование 472 * 1019 клеток (273, 72 генерации).
Интенсивное размножение имеет для бактерий большое биологическое значение. Оно обеспечивает сохранение микроорганизмов на земной поверхности. При наступлении неблагоприятных условий они погибают массами, но достаточно сохраниться где-нибудь нескольким клеткам, как при подходящих условиях они дадут большое потомство клеток.
Численность популяции микроорганизмов в естественных местообитаниях, например, в почве или воде, постоянно меняется в соответствии с изменением условий существования. Но в лабораторных условиях на питательных средах изменение численности популяции микроорганизмов происходит закономерным образом.

Обычно деление бактериальных клеток описывается как "бинарное": после удвоения нуклеоиды, связанные с плазматической мембраной, расходятся за счет растяжения мембраны между нуклеоидами, а затем образуется перетяжка или септа, делящая клетку надвое. Этот тип деления приводит к очень точному распределению генетического материала, практически без ошибок (менее 0,03 % дефектных клеток). Напомним, что ядерный аппарат бактерий, нуклеоид, представляет собой циклическую гигантскую (1,6 мм) молекулу ДНК, образующую многочисленные петлевые домены в состоянии сверхспирализации, порядок укладки петлевых доменов не известен.

Среднее время между делениями бактериальных клеток составляет 20-30 мин. А это период должен произойти целый ряд событий: репликация ДНК нуклеоида, сегрегация, отделение сестринских нуклеоидов, их дальнейшее расхождение, цитотомия за счет образования септы, делящей исходную клетку ровно пополам.

Весь ряд этих процессов находится под интенсивным вниманием исследователей последних лет, в результате были получены важные и неожиданные наблюдения. Так оказалось, что в начале синтеза ДНК, который начинается с точки репликации (origin), обе растущие молекулы ДНК изначально остаются связанными с плазматической мембраной. Одновременно с синтезом ДНК происходит процесс снятия сверхспирализации как старых, так и реплицирующихся петлевых доменов за счет целого ряда ферментов (топоизомеразы, гиразы, лигазы и др), что приводит к физическому обособлению двух дочерних (или сестринских) хромосом-нуклеоидов, которые еще находятся в тесном контакте друг с другом. После такой сегрегации нуклеоидов происходит их расхождение от центра клетки, от места их бывшего расположения. Причем это расхождение очень точное: на четверть длины клетки в двух противоположных направлениях. В результате этого в клетке располагаются два новых нуклеоида. Каков механизм этого расхождения? Делались предположения (Деламатер, 1953), что деление бактериальных клеток аналогично митозу эукариот, однако данных в пользу этого предположения долгое время не появлялось.

Новые сведения о механизмах деления бактериальных клеток были получены при изучении мутантов, в которых происходили нарушения клеточного деления.

Было обнаружено, что в процессе расхождения нуклеоидов принимают участие несколько групп специальных белков. Один из них, белок Muk В, представляет собой гигантский гомодимер (мол.масса около 180 кДа, длина 60 нм), состоящий из центрального спирального участка, и концевых глобулярных участков, напоминающий по структуре нитевидные белки эукариот (цепь миозина II, кинезина). На N-конце Muk В связывается с ГТФ и АТФ, а на С-конце - с молекулой ДНК. Эти свойства Muk В дают основания считать его моторным белком, участвующим в расхождении нуклеоидов. Мутации этого белка приводят к нарушениям расхождения нуклеоидов: в мутантной популяции появляется большое количество безъядерных клеток.

Кроме белка Muk В в расхождении нуклеоидов, по-видимому, участвуют пучки фибрилл, содержащих белок Caf A, который может связываться с тяжелыми цепями миозина, подобно актину.

Образование перетяжки, или септы также в общих чертах напоминает цитотомию животных клеток. В данном случае в образовании септ принимают участие белки семейства Fts (фибриллярные термочувствительные). Это группа из нескольких белков, среди которых наиболее изучен белок FtsZ. Этот белок сходен у большинства бактерий, архибактерий, обнаружен в микоплазмах и хлоропластах. Это глобулярный белок, сходный по своей аминокислотной последовательности с тубулином. При взаимодействии с ГТФ in vitro он способен образовывать длинные нитчатые протофиламенты. В интерфазе FtsZ диффузно локализуется в цитоплазме, его количество очень велико (5-20 тыс. мономеров на клетку). Во время деления клетки весь этот белок локализуется в зоне септы, образуя сократимое кольцо, очень напоминающее акто-миозиновое кольцо при делении клеток животного происхождения. Мутации по этому белку приводят к прекращению деления клеток: возникают длинные клетки, содержащие множество нуклеоидов. Эти наблюдения показывают прямую зависимость деления бактериальных клеток от наличия Fts-белков.

Относительно механизма образования септ существует несколько гипотез, постулирующих сокращение кольца в зоне септы, приводящее к разделению исходной клетки надвое. По одной из них протофиламенты должны скользить один относительно другого с помощью неизвестных еще моторных белков, по другой - сокращение диаметра септы может происходить за счет деполимеризации заякоренных на плазматической мембране FtsZ.

Фазы размножения культуры бактерий в стационарных условиях

Последняя фаза роста - стационарная фаза, которая вызвана истощением питательных веществ. Клетки сокращают свою метаболическую деятельность и потребляют несущественные клеточные белки. Стационарная фаза - это переход от быстрого роста к стрессовому состоянию, которое характеризуется увеличением экспрессии генов, которые принимают участие в ремонте ДНК и антиоксидантном метаболизме.