Мікроорганізми на службі людини
Недосвідчений в мікробіології бачить практичне значення мікроорганізмів у першу чергу в шкоді, яку вони заподіюють людині, тваринам і рослинам. Цими хвороботворними (патогенними) ми кроорганізмамі і їх специфічними особливостями займаються такі науки, як медична і ветеринарна мікробіологія, а також фітопатологія. Хоча мікроорганізми і в інших сферах природи, і в промисловості виступають іноді в ролі шкідників, їх роль як корисних організмів істотно переважає. Вони вже давно завоювали собі міцне місце в домашньому господарстві, а в промисловості вони вкрай необхідні. Їх використовують в самих різних галузях від первинної переробки сільськогосподарських продуктів до каталізу найскладніших етапів хімічних синтезів.
Класичні мікробіологічні виробництва. На прикладі пивоваріння та виноробства з використанням дріжджів, випічки хліба та приготування молочних продуктів за допомогою молочнокислих бактерій, а також отримання харчового оцту за участю оцтовокислих бактерій стає очевидним, що мікроорганізми належать до найстаріших культурним «рослинам». В Японії і Індонезії соєві боби здавна переробляються за допомогою міцеліальних грибів, дріжджів та молочнокислих бактерій. Якщо не брати до уваги отримання етанолу, в промисловому виробництві індивідуальних речовин мікроорганізми почали використовувати лише в останні шістдесят років. Уже в період першої світової війни за допомогою керованого дріжджового бродіння отримували гліцерин. Молочна і лимонна кислоти, у великих кількостях необхідні для харчової промисловості, виробляються за допомогою молочнокислих бактерій і гриба Aspergillus niger відповідно. З дешевих, багатих на вуглеводи відходів шляхом бродіння, здійснюваного клостридиями і бацилами, можна отримувати ацетон, бутанол, 2-пропанол, бутандиол і інші важливі хімічні сполуки.
Виробництво антибіотиків. З появою антибіотиків настала нова епоха в медицині та фармацевтичній промисловості. Завдяки відкриттю пеніциліну і інших продуктів метаболізму грибів, актиноміцетів та інших мікроорганізмів людство набуло високоефективне зброю для боротьби з бактеріальними інфекціями. Успішно тривають пошуки нових антибіотиків. Теоретично перспективним здається і шлях застосування антибіотиків для боротьби з вірусними хворобами і з пухлинами вірусного походження.
Нові мікробні виробництва. Класичні види бродіння доповнюються новими застосуваннями мікробів в хімічних виробництвах. З грибів отримують каротиноїди і стероїди. Коли з'ясувалося, що Corynebacterium glutamicum з цукру і солі амонію з великим виходом синтезує глутамінової кислоти, були отримані мутанти і розроблені методи, за допомогою яких можна в великих масштабах виробляти багато амінокислот, нуклеотиди і реактиви для біохімічних досліджень. Мікроорганізми використовуються хіміками в якості каталізаторів для здійснення деяких етапів в довгому ланцюгу реакцій синтезу; мікробіологічні процеси по своїй хімічній специфічності і по виходу продукту перевершують хімічні ре акції; ферменти, що застосовуються в промисловості, - амілази для гідролізу крохмалю, протеїнази для обробки шкір, пектиназу для освітлення фруктових соків і інші - отримують з культур мікроорганізмів.
Монопольне становище мікроорганізмів. Слід зазначити, що ні які види сировини, доступні в особливо великих кількостях, такі як нафта, природний газ або целюлоза, можуть використовуватися мікроорганізмами і перероблятися ними в клітинний матеріал (біомасу) або в проміжні продукти, що виділяються клітинами. Мікроорганізми, таким чином, незамінні при «облагороджування» цих незвичайних видів сировини для біотехнологічних процесів; освоєння такого сировини біологічними технологіями тільки розпочато.
Сучасні досягнення генної інженерії. Вивчення механізмів передачі генів у бактерій і участі в цьому процесі позахромосомних елементів відкрило можливість включення чужорідної ДНК в бактеріальні клітини. Генетичні маніпуляції дозволяють вносити не великі відрізки носіїв генетичної інформації вищих організмів, наприклад людини, в бактерію і змушувати її синтезувати відповідні білки. Цілком здійсненно виробництво гормонів, антигенів, антитіл та інших білків за допомогою бактерій. Робляться також спроби передати рослинам здатність до азотфіксації і лікувати хвороби, пов'язані з біохімічними дефектами.
Безпосередня застосовність основоположних наукових знань. Спроба перерахувати в цьому розділі всі види технології і продукти промислової мікробіології, а також інші, поки лише предпола-Гаєм, сфери її застосування завела б нас надто далеко. Зв'язок між фундаментальними дослідженнями і практикою в мікробіології, як і у всіх природних науках, дуже тісна: «Ні прикладних наук. але кожна наука має багато практичних застосувань »(Л. Пастер).
Ознака, що отримав віддзеркалення в самій назві «мікроорганізми» - це мала величина особини. Вона не тільки послужила причиною відділення цих організмів від тварин і рослин: з нею істотно пов'язані також особливості морфології мікробів, активність і пластичність їх метаболізму і поширення їх в природі, а також зручність поводження з ними в лабораторії.
Розміри особини і співвідношення між поверхнею і об'ємом. Діаметр більшості бактерій не перевищує тисячної частки міліметра. Ця величина - 1 мікрометр (мікрон), або 10 - 3 мм. - і стала «аршином» мікробіолога. Дані про тонку структуру клітини наводяться в нанометрах: 1 нм = 10 -3 мкм = 10 -6 мм. Розміри дрібних ціанобактерій, дріжджів і найпростіших знаходяться в межах 10 мкм. У цих настільки малих організмів співвідношення між поверхнею і об'ємом дуже велике. Якщо куб з довжиною граней 1 см (об'ємом 1 см 3) розбити на кубики з довжиною граней 1 мкм, ми отримаємо 10 12 кубиків об'ємом по 1 мкм 3 кожен. Сумарна поверхня цих кубиків в 10000 разів більше, ніж поверхня вихідного куба. Обсяг 1 мкм 3 характерний для середньої бактеріальної клітини.
Велике відношення поверхні до об'єму призводить до інтенсивної взаємодії із зовнішнім середовищем; з цим пов'язаний дуже швидкий обмін речовинами між середовищем і кліткою багатьох мікроорганізмів.
Правило Рубнера (1893) говорить, що енергетичний обмін тваринного в спокої пропорційний НЕ масі, а поверхні його тіла. Якщо це правило, відповідно до його змістом, поширити на окремі тканини і малі клітини, то слід очікувати, що рівні метаболічної активності будуть відрізнятися на кілька порядків. Як видно з табл. 1.2, інтенсивність метаболізму, виміряна за споживанням О2. дійсно залежить від розмірів тканин і клітин. Відповідно високі і швидкості приросту мікроорганізмів. Тому, хто розмірковує про проблеми забезпечення їжею зростаючого населення Землі, буде цікаво дізнатися, що в організмі одного бика вагою 500 кг за 24 год утворюється приблизно 0,5 кг білка; за цей же час 500 кг дріжджів можуть синтезувати більше 50000 кг білка.
Пластичність метаболізму. У вищих рослин і тварин зміни обміну речовин щодо жорстко обмежені наявними на бором ферментів; в процесі індивідуального розвитку складу ферментів у них, звичайно, змінюється, однак при зміні умов зовнішнього середовища такі зміни дуже незначні. Мікроорганізми відрізняються незрівнянно більшою гнучкістю. Для бактерій висока здатність до адаптації (пристосуванню) абсолютно необхідна. Це визначається їх малими розмірами. У клітці Мікрококи знайдеться місце тільки для декількох сотень тисяч білкових молекул. Тому не потрібні в даний час ферменти не можуть міститися про запас. Чи не які ферменти, службовці для переробки поживних речовин, синтезуються тільки тоді, коли відповідне речовина з'являється поблизу клітини. Такі індуцібельная ферменти можуть становити до 10% загального білка, що міститься в клітині. Таким чином, клітинні регуляторні механізми у мікробів грають істотно більшу роль і проявляються більш чітко, ніж у інших живих істот.
Поширення мікроорганізмів. Малі розміри мають значення і для екології. Багато рослин і тварини, нині широко поширилися завдяки людині, зустрічалися раніше лише на окремих континентах. На відміну від цього бактерії (включаючи ціанобактерій) всюдисущі: їх можна знайти в арктичних областях, в воді і в високих шарах атмосфери. Видовий склад їх у всіх місцях проживання в широких межах схожий з їх видовим складом в грунті. Завдяки своїй малій вазі мікроорганізми легко поширюються з віз задушливими потоками. У природних умовах жодна місцепроживання, жоден субстрат не потребує спеціального зараженні яким-небудь вірусом. Цією обставиною користуються для отримання накопичувальних культур. Як правило, достатньо одного грама садової грунту, щоб знайти вид бактерій, здатний рости за рахунок будь-якого природного речовини. Мікроорганізми існують в усіх напрямках; середовище визначає лише те, які форми будуть в даному місці активно розмножуватися. Створюючи в пробірці відповідні селективні умови, можна з невеликої кількості землі або мулу, а в особливих випадках і з інших матеріалів отримувати накопичувальні культури, а з них і чисті культури більшості відомих мікроорганізмів.
Кількісні роботи і успіхи генетичних досліджень. Методи, за допомогою яких можна вирощувати в лабораторії мікроорганізми, розробили О. Брефельда, Р. Кох і його школа в минулому столітті. Введення в практику прозорих поживних середовищ, ущільнених желатиною або агаром, дозволило ізолювати окремі клітини, стежити за їх зростанням в колонії і отримувати чисті культури. Розробка стандартних методів стерилізації і приготування поживних середовищ при вела до швидкого розвитку медичної мікробіології. Хоча ще Кох описав кількісні методи, їх переваги при роботі з мік-роорганізмамі були зрозумілі тільки в останні 50 років. Малі раз заходи мікроорганізмів дозволяють отримувати в одній пробірці або чашці Петрі і досліджувати популяції, що складаються з 10 8 -10 10 від слушних клітин, і завдяки цьому виявляти такі рідкісні події, як мутація або передача придбаного ознаки, не потребуючи складних допоміжних засобах і задовольняючись малим простором. Великих успіхів біохімічних і генетичних досліджень не в останню чергу досягнуто завдяки легкості звертання-ня з бактеріями.