Чисті культури – ключова догма мікробіології XX століття. Для розуміння суті цього поняття варто згадати, що бактерії дуже малі і морфологічно їх важко розрізнити. Але вони відрізняються за біохімічним процесам, і саме це є їх головним видовий особливістю. Але у звичайному середовищі ми маємо справу не з одним видом бактерій, а з цілим биомом – співтовариством, яке впливає один на одного, і виділити роль одного мікроорганізму неможливо. І ось тут нам і потрібна чиста культура або штам конкретного виду.
«Мисливці за мікробами» і агар-агар
Геніальна ідея виділення чистих культур мікробів належить медичному мікробіологу Генріху Герману Роберту Коху (1843-1910). Тому самому, який відкрив збудника сибірської виразки, холери та туберкульозу і заслужено вважається основоположником бактеріології та епідеміології.
Саме він винайшов метод чистих культур, коли на живильне середовище на основі полісахариду агар-агару наноситься розбавлена культура мікробів і з однієї клітини виростає колонія абсолютно ідентичних організмів. Вона добре видна неозброєним оком і специфічна для кожного виду.
Його винахід дав поштовх до розвитку мікробіології і таксономії мікроорганізмів. Адже так можна було будь-який мікроб культивувати в чистому вигляді і досліджувати сто мільйонів клітин як одну.
Не применшуючи досягнень Коха
Варто відзначити, що в даний винахід внесли вклад соратники та учні Коха. Так, ідея з використанням агар-агару належить Фанні Анжеліні Гессе, дружині асистента Коха – Ст. Гессе.
Ще один помічник Коха бактеріолог Юліус Ріхард Петрі (1852-1921) запропонував вирощувати колонії бактерій в плоских скляних чашках. Сьогодні про чашках Петрі знають навіть школярі.
Догма мікробіології
Чистий (аскеничная) культура – сукупність (популяція або штам) мікроорганізмів, які мають ідентичні морфологічні та біохімічні властивості і є нащадками однієї клітини.
Виділення чистої культури передбачає здійснення трьох етапів:
- Отримання і накопичення культури мікроорганізмів.
- Виділення чистої культури.
- Визначення і перевірка чистоти культури.
Методи виділення чистих культур
У мікробіології використовуються такі методи для отримання аксеничной культури організмів:
- Механічні методи (посів на чашки Петрі за допомогою шпателя або петлі, посів за допомогою розведення матеріалу в агарі – пластинчасті розводки, метод поділу на підставі рухливості мікроорганізмів).
- Біологічний метод, при якому заражають чутливих до патогену лабораторних тварин. Так виділяють чисті культури бактерій з організму мишей (наприклад, пневмококів і палички туляремії).
- Методи, які засновані на виборчій резистентності мікроорганізмів до певних чинників. При нагріванні, наприклад, загинуть всі спороутворюючі бактерії, а неспороутворюючих залишаться в чистій культурі. При впливі кислотами гинуть чутливі до них бактерії, а кислотостійкі (наприклад, палички туберкульозу) виживають. Вплив антибіотиків залишає на середовищі чисту культуру мікроорганізмів, не чутливих до нього. Створення кисневої та безкисневому середовища відокремить аеробів від анаеробів.
Для чого це необхідно
Чисті культури застосовуються:
- У науковій таксономії при класифікації (визначення філогенетичного місця в системі) мікроорганізмів.
- У вивченні спадковості та мінливості організмів.
- При інфекційній діагностики та виявлення збудників захворювань.
- При виділенні чистої культури бактерій, які призводять до псування продуктів харчування.
- При виробництві вітамінів, ферментів, антибіотиків, сироваток і вакцин.
- У харчовій промисловості (виробництво хліба, вина, квасу та пива (оцтові бактерії і одноклітинні гриби, дріжджі), молочнокисла продукція (лактобактерії і молочнокислі бактерії)).
- У біотехнології і при вивченні вірусів.
У природі все зовсім не так
У 90-ті роки минулого століття у відносно чистих культур все раптом змінилося. З’ясувалося, що при з’єднанні мікроорганізмів двох чистих штамів в одній пробірці вони ведуть себе зовсім не так, як поодинці. Біохімічні процеси їх життєдіяльності впливають (пригнічують або стимулюють) один на одного. Саме так і відбувається в природних биомах.
Висновок простий: властивості чистої культури в лабораторії не можуть бути екстрапольовані на природні биомы.
Геномна революція
Ще один удар був нанесений геномної ідентифікацією мікроорганізмів. Спочатку для геномного аналізу мікроорганізмів молекулярними генетиками був обраний загальний для всіх бактерій ділянку рибосомальною РНК. Згідно з відмінностями в послідовності нуклеотидів у цій нуклеїнової кислоти всі бактерії були розподілені за ознакою філогенетичного споріднення.
Ось тут-то і виявилося, що культурні штами і ті бактерії, які ми вивчили, становлять близько 5% всіх бактерій, що населяють нашу планету. І, на відміну від культурних штамів, про їх властивості та особливості біохімії ми нічого не знаємо.
Знайшовши відповідну послідовність у геномі природного штаму, ми можемо розмістити його на філогенетичному дереві і припустити, що в природі він має ті ж властивості, що і найближчий споріднений штам чистої лінії.
І що ж далі?
Поки ще в майбутньому секвенування генома бактерії з однієї-єдиної клітини. Сьогодні поки що це дорого і дуже складно. І тому чисті лінії залишаються «золотим запасом» мікробіології.
Хоча труднощі залишаються. Наприклад, зовсім нещодавно були досліджені бактерії «чорних курців», розташованих на дні океану. Мікроорганізм описали і прослідковували його геном без виділення чистої культури.
Схожа ситуація склалася і з бактеріями, що живуть у глибині золотобывающих шахт. Виявилося, що це чиста лінія мікроорганізмів – нащадки однієї бактерії.
При цьому ці організми не ростуть на поживних середовищах, і виростити колонію чистого штаму поки нікому не вдалося.
Новини біотехнології
У розвитку цієї галузі прикладного знання перед людством стоїть безліч питань. І не тільки біологічних, але і етичних. Наскільки людина може змінити навколишній світ і не нашкодити йому? Питання залишається відкритим.
Але вже сьогодні біотехнології впроваджуються в наше життя. Так, вже сьогодні виведені штами бактерій, які здатні харчуватися пластиком і розкладати його. Поки вони роблять це повільно. Але вчені працюють над їх геномом. Нікого вже не дивує, що весь людський інсулін нам «виготовляють» генетично модифіковані бактерії кишкової палички.
А штучний біосинтез вже сьогодні постачає нам біогаз і біопаливо у вигляді високомолекулярних вуглеводів природного походження (продукти життєдіяльності бактерій, найпростіших грибів, які переробляють біомасу наших відходів в паливо, енергію, хімікати).
Орні землі і прісна вода – сьогодні це найважливіший компонент з обмежених природних ресурсів. Нові біотехнології (біоремедіація) пропонує можливості використання мікроорганізмів для відновлення їх потенційних можливостей та видалення забруднюючих факторів.
І це все – майбутнє, яке вже наступило.
