Направления изучения бактерий: что интересно исследователям

О самых интересных направлениях исследований в биологии

ПостНаука

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Война бактерий», посвященный эволюции устойчивости бактерий и вирусов и разработке препаратов для борьбы с ними.

В этом материале руководитель магистерской программы «Биотехнология» Михаил Гельфанд рассказывает о самых интересных направлениях исследований в биологии, западном опыте и современных научных центрах в России. 

Я веду исследования в учебно-научном центре «Биоинформатика» Института проблем передачи информации РАН.

В моей лаборатории мы занимаемся компьютерным анализом генома, изучаем бактериальные сообщества и эволюцию бактериальных геномов.

Оказывается, что мы можем многое рассказать о бактерии, зная только ее геном. Например, если есть белок с неизвестной функцией, очень трудно понять экспериментально, что он делает.

Еще хуже, когда есть функция, но непонятно, какой белок ее выполняет. Выяснить это экспериментальными методами бывает очень сложно, но если у вас есть конкретное предсказание, сделанное с помощью компьютерного анализа, то его можно проверить напрямую. И эти подходы получаются очень эффективными.

О млекопитающих мы можем сказать, что человек и шимпанзе – более близкие родственники, чем человек и мартышка, а кит с бегемотом – более близкие родственники, чем бегемот и корова. Дело в том, что бóльшая часть генома у млекопитающих наследуется от предков напрямую, а с бактериями все не так: у них часто гены переносятся из одного вида в другой.

Тут возникает интересный вопрос о том, можно ли эволюцию бактерий представлять филогенетическим деревом. Без понимания эволюции бактерий невозможно придумать стратегию борьбы с ними. Не понимая, что бактерии очень быстро эволюционируют, человечество неправильно использовало антибиотики.

Теперь мы имеем дело с бактериями, которые устойчивы к существующим антибиотикам.

Кроме того, мы изучаем бактериальные сообщества. При этом рассматривается не один конкретный геном, а геномы всех имеющихся в сообществе бактерий.

Если же выйти за рамки бактериальной геномики, то ведется большая работа по изучению того, как устроена ДНК в человеческих клетках. В этой области много интересных задач, которые в конечном счете сводятся к вопросу о том, почему геном во всех клетках одинаковый, а ткани разные и как в ходе развития получаются разные типы клеток.

Ответ заключается в том, что в разных клетках работают разные гены. И то, какие гены работают в клетке, определяет ее индивидуальность. Еще более трудный вопрос – почему структура и функциональное состояние ДНК меняются, хотя ее последовательность остается прежней. В геномике бактерий у нас есть некая научная программа, и мы ей следуем с большим или меньшим успехом. А в науке о структуре и функции ДНК эукариот (организмов, клетки которых имеют ядро) наши работы в значительной степени получаются оппортунистическими – все зависит от экспериментаторов, которые приносят интересные данные.

О достижениях в биологии

Современная биология – не про открытия и достижения. Нобелевские премии по физиологии или медицине на глазах теряют смысл, потому что из большого количества людей, которые делают одно и то же, комитет все чаще выбирает случайного человека. В других науках такого нет.

Это происходит потому, что современная биология – коллективная наука. Прогресс в ней непрерывный и постепенный. Очень редко бывают очевидные прорывы. Но есть красивые примеры. Например, CRISPR/Cas-системы – это действительно новая крутая вещь. Авторам, конечно, дадут Нобелевскую премию.

И возникнет тот же самый вопрос: кому давать? Ведь первая гипотеза о том, как это должно быть устроено, возникла в результате анализа геномов у Евгения Кунина и его коллег. Потом разные группы микробиологов показали, как это работает у живых бактерий. А другие ученые придумали, как применять эти системы в генной инженерии. Понять, кто главный молодец, невозможно.

Я думаю, что доля понимаемого в биологии все время уменьшается за счет того, что непропорционально быстро увеличивается доля вещей, про которые мы понимаем, что они есть, но совершенно не понимаем, как они работают. Есть известная апория про то, что Ахиллес никогда не догонит черепаху. Здесь то же самое, только черепаха бежит быстрее Ахиллеса.

О генетическом шуме

Мы знаем структуру ДНК, структуру генома, функциональное состояние генома усредненной клетки, но не конкретной. Но клетки даже одного типа все разные. И интересно узнать, как это работает при колоссальном уровне шума, который есть во всех молекулярно-генетических системах.

Если создать более эффективную систему с точки зрения контроля шума, то может оказаться, что мы потратим больше энергии на этот контроль.

В книге Джордана Элленберга «Как не ошибаться» есть такая мысль, что если ваше правительство не тратит ни одного доллара на ерунду, то оно тратит слишком много денег на то, чтобы не тратить ни одного доллара на ерунду. То есть контроль на самом деле стоит дорого.

Если он не очень вреден, зачем придумывать специальный механизм, чтобы от него избавляться? А с другой стороны, всякий геномный мусор является источником эволюционных инноваций.

Есть тонкое семантическое различие между английскими словами trash и junk: trash – это мусор, который идет на помойку, а junk – это то, что у вас валяется в гараже и время от времени может быть нужно. Например, старый велосипед – это junk. Из него можно внезапно извлечь какую-то полезную деталь. И оказывается, что эволюция работает так же: довольно заметная часть эволюционных инноваций – это старые обломки механизмов, которые когда-то были осмыслены, потом превратились в junk, а затем приспособились к новому делу. Интересно, как это получилось в результате случайных перестроек и отбора, который на них действовал.

Об исследованиях индивидуальных клеток

Сейчас интересно наблюдать за тремя направлениями исследований в биологии: анализ индивидуальных клеток и различий между ними; соотношение шума и функции; и последнее – тот же самый вопрос, но в эволюционном преломлении. За индивидуальными клетками интересно наблюдать с точки зрения эмбриологии.

Если мы наблюдаем за клетками во время эмбрионального развития, когда они уже начинают приобретать отличия, мы можем проследить, как клетки постепенно понимают, какие функции будут выполнять.

Вторая область – это рак. Известно, что опухоли крайне неоднородны. Есть масса работ, в которых сравнивали раковые и нормальные клетки одной и той же ткани и смотрели, что поменялось.

Если смотреть на геномы индивидуальных клеток, можно восстановить эволюцию рака (рак – эволюционная болезнь) и увидеть сильнейшее соревнование между клетками опухоли. С точки зрения рака индивидуальные клетки – это особи, а мы для них – внешняя среда.

Исследования показывают, что клетки, у которых есть потенциал стать источником метастазов, могут присутствовать практически с самого начала, они не являются молодыми. Это фундаментальная вещь, которую надо понимать при выборе стратегии химиотерапии.

Третья область для исследования индивидуальных клеток – это иммунология, а конкретнее – индивидуальность лимфоцитов.

Четвертая – исследование индивидуальности нейронов, которое проводят в рамках нейронауки. Там есть очень красивая штука. Наивно можно было бы предположить, что у нейронов одной области мозга была одна клетка-предшественник, которая потом делилась и из которой эта область выросла.

В таком случае генеалогическое дерево нейронов должно бы хорошо коррелировать с их географической близостью в мозге, но оказывается, что ничего подобного. Можно определить геномы отдельных нейронов и проследить историю соматических мутаций при делении клеток.

Мы увидим, что, даже если область мозга локальна и однородна, она образована клетками из очень разных линий, которые разошлись, еще когда эти клетки вообще не были нейронами.

Если подумать, то окажется, что инженерно это очень правильно, ведь если каждая область мозга является потомком одной клетки, то при повреждении этой клетки в эмбрионе эта область мозга не разовьется совсем. А если область образована потомками большого числа разных клеток, которые приобрели функциональную идентичность уже в относительно поздней стадии, то подобного не случится.

Об исследованиях древнего генома

Очень интересные исследования касаются древней ДНК, потому что они развивают наше понимание истории.

Стандартный вопрос: кем были носители индоевропейского языка?

Мы знаем археологические культуры примерно того времени, но теперь можно посмотреть на геномы этих людей, увидеть варианты генов, характерные для разных археологических культур, и проследить, как люди двигались по Евразии. С другой стороны, мы можем проследить отношения современных людей и неандертальцев, мы теперь знаем, что была еще одна независимая ветвь – денисовцы, и в геномах жителей Индонезии, Новой Гвинеи, Австралии есть большие денисовские куски. Мы можем посмотреть на процесс одомашнивания скота. Все это интересно не только с точки зрения биологии, но и в перспективе понимания истории и культуры.

О научных центрах в России

Проблема России в том, что были великая советская физика и великая советская математика – потрясающие школы мирового значения. Иногда говорят, что эти науки возникли из военной области, но это не так, хотя она позволяла им существовать.

А великая советская биология не имела такой крыши, поэтому с 1948 года ее не существовало.

Были лишь отдельные очень хорошие ученые, и, в общем, так оно и осталось на десятилетия. Когда ученые начали массово уезжать за границу, ситуация усугубилась. Это плохая новость. А хорошая новость в том, что тем не менее сейчас все-таки есть несколько лабораторий, в которых делают науку вполне мирового уровня.

Успешные лаборатории есть в Санкт-Петербурге и Новосибирске, а дальше – Красноярск, Уфа, Томск, Казань.

О западном опыте

Я большой сторонник того, чтобы в России строили науку по западным принципам – с конкурсной системой, экспертизой. Но при этом есть два аспекта. Первый, совсем банальный: не может быть замечательно построенной системы науки в стране, которая целиком не функционирует как должно.

Второй аспект заключается в том, что надо перенимать принципы, а не механизмы, потому что механизмы всякий раз должны быть разные. У российской науки, например, есть колоссальная, исторически сложившаяся и очень неправильная пропасть между исследованиями и образованием. Были исследовательские и учебные институты.

За редкими исключениями вроде новосибирского Академгородка, это были два разных мира. Любая попытка строить современную науку и образование должна учитывать и преодолевать этот исторический фон. Должна быть очень хорошая стратегия и далекий горизонт планирования, и это то, чего совсем не хватает.

До некоторой степени надежду внушает Сколтех, потому что это новое образование в чистом поле. Есть надежда, что многие из проблем там не заведутся, а от странностей, которые в нем возникли в самом начале, удастся избавиться.

Есть Высшая школа экономики, в которой очень сильный математический факультет – по-видимому, лучший в России сейчас.

Там есть и интересный факультет компьютерных наук. Открывается физфак, то есть происходит экспансия в область естественных наук, что очень хорошо, потому что она будет задавать некоторую планку. Ведь естественные науки хороши тем, что там понятны критерии качества.

Время от времени бывают разумные инициативы в СПбГУ, хотя и градус маразма там очень высок. Европейский университет в Санкт-Петербурге – замечательный. Я ни в коем случае не гуманитарий, но мне интересно то, что там делают.

О будущем выпускников Сколтеха

Наша цель – подготовить таких выпускников, которые смогут присоединиться к лабораториям мирового уровня. Кроме того, они смогут работать в биотехнологических и фармацевтических компаниях. Мы стараемся сделать так, чтобы уровень профессиональной подготовки это позволял. И третье направление, где они могут работать, – это современное здравоохранение. Современная медицина все больше требует понимания биологии, в частности эволюционной биологии. Вообще говоря, где появляется современная, технологичная, высокодетализированная медицина, там должна быть очень мощная биологическая основа – и у врачей, и у людей, которые с врачами работают.

Наконец, в некоторых странах бывают фармацевтические стартапы. Многие лекарства придумываются не большими фармкомпаниями, а людьми из университетов. Они развивают лекарство или технологию до какого-то продвинутого состояния, а потом продают большой фармкомпании. Это довольно стандартная бизнес-модель, но в России она по очевидным причинам не работает.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 20.03.2017

Источник: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/drugie-nauki-o-zhizni/o-samykh-interesnykh-napravleniyakh-issledovaniy-v-biologii/

Исследовательская работа “Таинственный мир бактерий: интересно, польза, вред?” • Наука и образование ONLINE

Автор: Уханова Мария Андреевна
Место работы/учебы (аффилиация): ГБОУ города Москвы “Школа № 1998 “Лукоморье”, 4 класс
Научный руководитель: Шабрацкая Людмила Владимировна

Аннотация:

Самый древний организм – бактерия. В средствах массовой информации насаждается мнение о вреде бактерий, многое говорится о стерильности. Рекламируется множество дезинфицирующих, моющих средств. То есть, говорится о вреде этих микроорганизмов и ничего о пользе.

Бактерии живут на разных поверхностях, могут существовать в условиях жары и холода. Эволюция бактерий привела к развитию жизни на нашей планете Земля. Я решила изучить виды и строение микроорганизмов, историю их.

Для достижения целей моего проекта я постараюсь найти интересные факты о пользе и вреде, провести несколько экспериментов и анкетирование в своем классе.

Проблемой моего исследования, я бы хотела назвать малую осведомленность людей о «малышке» бактерии и о пользе которую она приносит природе и человеку. Изучением микроорганизмов занимается наука «микробиология», в настоящее время данная наука вызывает все больший интерес общественности и ученых, так как необходимо находить новые методы лечения неизлечимых болезней.

Моя цель: узнать о роли бактерий в жизни человека и донести до широкой аудитории информацию об их пользе.

Для достижения цели я поставила задачи:

• узнать историю исследования бактерий;
• познакомится с понятием «бактерии», их классификацией и строением;
• исследовать роль, которую играют бактерии в окружающей среде и для человека;
• проанализировать способы инфицирования патогенными бактериями;
• поставить эксперименты на выявление бактерий; посев бактерий в питательную среду в чашках Петри; провести анкетирование в классе на тему личной гигиены, опросить случайных прохожих;
• взять интервью у эксперта в области микробиологии;
• с целью повышения кругозора по данной теме посетить несколько музеев.

Объект исследования: бактерия.

Предмет исследования: влияние бактерий на человека и окружающую его среду.

Гипотеза: я предполагаю, что большинство людей имеют ошибочное представление о роли бактерий в природе и жизни человека.

Методы исследования: изучение различной литературы; экспериментальный; сравнение; обобщение; описание; статистика; анкетирование.

Средства исследования: работа с компьютером и различными предметами (оборудование) для проведения опытов; интернет, книги и энциклопедии по заданной теме; новости СМИ; наблюдения в ходе опытов; интервью; анализ и фиксирование результатов; фото- и видеосъемка; изучение предмета и объекта исследования во время посещения музея.

Практическая значимость: материалы моего исследования могут быть полезны на уроках биологии средней школы. Для проведения занятий на кружках и дополнительных занятий по биологии.

Содержание работы:

Автор предпочел не показывать работу на сайте.

Источник: https://eee-science.ru/item-work/2019-514-3/

Исследовательский проект “Земля – планета бактерий”

На уроках биологии изучая тему Бактерии, узнал о том, что они распространены везде на нашей планете. Много бактерий обитает в организме человека.

Мне стало интересно, а какую пользу они нам приносят? Решил подробнее познакомиться с загадочным миром микроорганизмов. Теперь я многое узнал о них и готов поделиться с вами.

Гипотеза: бактерии могут приносить не только вред, но и пользу.

Цель работы: изучить разнообразие бактерий, живущих в организме человека

Задачи исследования:

1. Ознакомиться с историей изучения бактерий

2. Изучить бактерии, населяющие организм человека

3. Изучить литературные данные о вреде и пользе бактерий.

Объект исследования – бактерии.

Предмет исследования – значение бактерий для человека.

Методы работы: опыты, наблюдения, анализ соответствующей литературы.

Актуальность: мир бактерий – часть нашей жизни.

История изучения бактерий

В течение тысяч лет человек болел, и не знал причины болезни. Первобытные люди имели этому своё объяснение – они считали, что болезнь вызывают злые духи. Увидеть этих «злых духов» люди не могли. И только в начале 17 века человек придумал микроскоп и первым увидел в этот чудо микроскоп бактерий норвежец Левенгук.

После этого стал очень быстро развиваться бактериальный бизнес и главными преуспевающими здесь были два ученых : француз Луи Пастер и немец Роберт Кох. Кох научился выращивать бактерии на питательной среде и открыл возбудителей сибирской язвы, холеры и туберкулёза.

Пастер, ученый глубоко практический, доказал, что причиной болезней являются микробы и научил человечество делать прививки против болезней. Так что открытия Коха пошли в дело. И были у Пастера с Кохом сыновья. Пастер приютил у себя знаменитого русского ученого Илью Мечникова, открывателя фагоцитоза.

Случилось так, что они оба Мечников и Эрлих занимались вопросом иммунитета, но с разных сторон и научно сражались между собой да так, что пыль стояла столбом. Русский кричал «в основе иммунитета лежит фагоцитоз!» – «нет, антитела!!» – отбивался немец…

Жаль, меня там не было, я бы сказал им: «Спокойно, мужики, я Дубровский из будущего. Фагоциты и антитела работают совместно, одновременно. Нобелевскую премию вы пойдёте получать вместе. Вопросы есть? – Вопросов нет. Тогда давайте сядем, отдохнем и спокойно поедим». Что будем есть? Хотя бы йогурт. Почему?

Кто придумал йогурт?

Оказывается, к появлению йогурта Мечников тоже имел немалое отношение. На основании своих исследований Мечников выдвинул гипотезу, что содержащаяся в йогурте полезная молочнокислая культура – болгарская палочка – защищает организм и продлевает жизнь.

Одна из них осталась от Мечникова: «причиной старения является отравление организма вредными выделениями кишечных бактерий». В связи с этим Илья Ильич предлагал решать проблему кардинально – полностью удалять толстый кишечник, так как именно в толстом кишечнике обитает множество бактерий.

2

Вот тогда Мечникову возразил другой Нобелевский лауреат, известный русский ученый Иван Петрович Павлов: «Илюша, помилосердствуй. Эдак можно всё по шейку отрезать и жить на физрастворе, как профессор Доуэль» . «Если в толстой кишке живут бактерии – значит, не просто так. В тонкой кишке же они не живут.

И в почках не живут, и в легких. Организм разрешает бактериям жить в толстой кишке, для каких-то своих надобностей»

Мечников и сам понимал, что на отрезание толстой кишки мало кто согласится.

Но что-то же надо делать! – И он придумал: в толстой кишке живут хорошие бактерии (молочно-кислые) и плохие (бактерии гниения). Чтобы жить долго и счастливо, нужно бороться с плохими бактериями и размножать хороших. А как это сделать?

Есть меньше мяса, тогда у гнилостных бактерий не будет питания. Пить больше кисло – молочных продуктов и тогда в кишечнике будет больше полезных бактерий.

Кто, кто в толстой кишочке живет?

Теперь давайте познакомимся со всеми жильцами нашего кишечника.

Болгарская палочка – очень полезная бактерия, но она может быть в кишечнике только желаемой гостьей, а вот постоянные бактерии, которые обитают в кишечнике следующие:

Бифидобактерии – у младенцев их 90%, потóм – меньше.

Бактероиды, в переводе – «бактериевидные»

Лактобактерии, любимцы Мечникова.

Кишечная палочка – бациллочка.

Чтобы доказать присутствие в кале кишечной палочки, можно воспользоваться методом дедушки Коха: взять питательную среду и поместить на нее немного разбавленного водой кала. Кишечная палочка на питательной среде размножится и образует хорошо заметную колонию.

Лакто -, бифидобактерии и бактероиды не такие очевидные: они анаэробы, т.е. в отличие от кишечной палочки, в присутствии кислорода не размножаются. Чтобы обнаружить их коховским методом, надо держать чашку Петри с питательной средой в бескислородных условиях.

В толстом кишечнике живут около 400 видов бактерий.

Какая польза от бактерий кишечника?

Остановимся на вопросе пользы от бактерий кишечника.

Во-первых, бактерии в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают множество различных веществ, например:

витамины К2, В1, В2, В3, В6, В9, В12;

некоторые незаменимые аминокислоты и летучие жирные кислоты;

ферменты, которые помогают нам расщеплять клетчатку;

Без присутствия бактерий невозможен процесс нормального пищеварения.

Во-вторых, сложившаяся нормофлора не дает развиваться в нашем кишечнике опасным бактериям.

Выглядит это так: посторонние бактерии приходят и спрашивают «а можно мне тут зацепиться?» – а бактерии нормофлоры молчат, но место не уступают, как школьники в автобусе.

Что делать посторонним бактериям? – делать нечего, им тут не рады. Посторонняя бактерия может кричать:

3

« Я болгарская палочка! Я от самого Мечникова! Пустите меня!» – местные жители все как один будут с большим интересом смотреть в окно, и никто места не уступит. Такие дела.

В-третьих, микрофлора кишечника стимулирует антибактериальный иммунитет и создает кислую среду, неблагоприятную для развития гнилостных бактерий.

Кишечник стройных людей

Одинаков ли состав бактерий в кишечнике разных людей?

Ученые установили, что в кишечнике стройных людей есть бактерии, которые борются с ожирением

Бактерии, обитающие в кишечнике стройных людей, могут стать новым средством от ожирения. В одном из исследований участвовало четыре пары близнецов, в каждой из которых один близнец страдал ожирением, а вес второго пребывал в норме.

У них брали образцы фекалий, тщательно изучали бактериальный состав и подселяли мышам, не имевшим собственной кишечной флоры.

Ученые обнаружили, что мыши, которым достались бактерии стройных близнецов, оставались худыми, а мыши, у которых были бактерии близнецов, страдающих ожирением, начали прибавлять в весе. 

Также недавно другие исследователи из Великобритании изучали дыхание людей, страдающих ожирением, и выявили особую разновидность кишечных бактерий, которые выделяют метан. Те участники эксперимента, чье дыхание содержало большее количество метана, страдали от избыточного веса. Предполагается, что, воздействуя на популяции этого вида бактерий, можно снизить вес пациентов. 

Как ухаживать за своей микрофлорой

Итак, наши маленькие  друзья питают и защищают нас. Если они по каким – то причинам заболеют или исчезнут, то у нас не только нарушится пищеварение, но мы перестанем получать из пищи очень многие нужные вещества, станем хилыми, больными, и в конце концов загнёмся. Начальная стадия этого невесёлого процесса называется дисбактериоз.

Для них они как ядерный взрыв!

Причиняют вред бактериям и консервированные продукты (на их упаковке антибиотики называются «консервантами», их добавляют для того, чтобы продукты подольше не «портились», т.е. не съедались бактериями). Такая пища не содержит ничего полезного для нас и губительна для кишечных бактерий.

Собрались питаться не консервами, а свежим мясом? Не радуйтесь раньше времени, в мясе тоже очень много антибиотиков – их добавляют в корм сельскохозяйственных животных, чтобы они не болели. А если учесть, что мясо способствует появлению гнилостных бактерий, то есть над чем задуматься.

Страдать бактерии могут и от голодания.

Это происходит тогда, когда человек питается пищей, в состав входит слишком мало овощей и фруктов, а так же грубого хлеба – т.е. углеводов, которые не перевариваются человеком и доставляют питание микрофлоре.

Запоминаем:

4

2.Желательно есть меньше консервированной пищи и больше свежих овощей и фруктов, а так же хлеба грубого помола. 3. Необходимо употреблять кисломолочные продукты, в которых находятся живые бактерии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучая, бактерии я одновременно занялся творчеством: рисовал , лепил , раскрашивал. Так я еще больше узнал об этих загадочных микроорганизмах. Особенно меня заинтересовали обучающие и развивающие компьютерные игры для детей.

Масяня и бактерии

Уроки осторожности

Компьютерная игра «Побег из пробирки»

Изучая литературу о бактериях, я прочитал очень много научных сообщений и пришел к выводу, что если вдруг случится какой-то страшный катаклизм, и все человечество исчезнет, то природа этого даже не заметит, а бактерии на Земле останутся. Надо понимать, что эта планета – планета не людей, а бактерий. Они первыми пришли на нашу планету и последними из нее и уйдут при самых глобальных катастрофах. Человек и бактерии неразлучны. Они могут быть как врагами, так и друзьями. Для того, чтобы бактерии были нашими друзьями, а не врагами мы должны помнить, что живем на планете, которую создали в таком виде эти маленькие существа – невидимки.. Мы должны не бороться с ними, а изучать, узнавать их секреты жизнестойкости, долголетия, а, возможно, и бессмертия.

Источник: https://infourok.ru/issledovatelskiy-proekt-zemlya-planeta-bakteriy-291540.html

Микробные биопленки как объект изучения в научно-исследовательской работе учащихся

Приводятся данные о существовании микроорганизмов в виде иммобилизованных клеток — биопленок. Рассмотрена история изучения биопленок, особенности функционирования, механизмы регуляции общественных отношений в биопленке, а также биохимические особенности.

В статье представлена методическая разработка микробиологического практикума для учащихся основной школы, направленного на изучение данной формы существования микроорганизмов. Приводится описание этапов культивирования биопленки, приготовления необходимых для исследования реактивов, а также приемы микроскопии биопленок.

Даются методические рекомендации для исследования биопленок в условиях школьной лаборатории.

Ключевые слова: биопленка, иммобилизованные клетки, экзополисахаридный матрикс, научно-исследовательская работа.

На современном этапе развития школьного образования первостепенной задачей ставится индивидуальный подход к учащимся. Исследовательская работа школьников является одной из возможных способов реализации этого подхода. Многие учителя в своей работе системно используют исследовательскую работу со школьниками и добиваются хороших результатов.

                   Что такое исследовательская работа школьника, в чем ее специфика и особенности

                   В чем польза выполнения такой работы для учащихся

                   Как заинтересовать детей и администрацию школы этим направлением

                   Как вписать выполнение работы в школьное расписание

                   Какую выбрать тему и объект исследования?

Одним из интересных объектов исследования могут быть микробные биопленки. При изучении школьного курса биологии, обучающиеся узнают о существовании микроорганизмов еще в 5 или 6 классе (в зависимости от УМК).

Изначально рассматриваются вопросы строения микробной клетки, среды жизни микроорганизмов, роль микроорганизмов в природе и жизни человека.

Но практически не рассматриваются вопросы связанные со взаимодействием микроорганизмов друг с другом. У учащихся складывается впечатление, что микроорганизмы живут сами по себе, и не зависят друг от друга.

Для решения данной проблемы, мы предлагаем использовать микробные биопленки в качестве объекта для научно-исследовательской работы.

Еще в 17 веке А.ван Лёвенгук используя свои простые микроскопы, впервые наблюдал микроорганизмы зубного налета [8], он увидел, что микроорганизмы взаимодействуют друг с другом, активно конкурируют, или даже поедают друг друга.

Такое взаимодействие напомнило Лёвенгуку поведение диких животных, но поскольку микроорганизмы были маленкими, то Лёвенгук и назвал их «анималькуле», то есть «зверушки».

По-сути, Лёвенгуку первому удалось изучить сообщество микроорганизмов не только эукариотических, но и прокариотических.

Свободно живущие популяции микроорганизмов с интенсивными клеточным делением и развитыми системами активной и пассивной подвижности, быстро распространяются в среде, относятся к планктонным формам.

«Оседлые» сессильные формы (sessile cell) имеют выраженные механизмы специфической адгезии, они характеризуются несколькими периодами роста (см. рис. 1):

Рис. 1. Фазы роста микроорганизмов

1.              Лаг-фаза — фаза задержки роста
2.              Фаза логарифмического (экспоненциального роста)
3.              Фаза замедленного роста
4.              Фаза стационарного роста
5.              Фаза гибели

Вначале быстрой скоростью роста, популяций и способностью агрегироваться в клеточные консорциумы. Популяции сессильных клеток формируют биопленки — сообщество клеток, адгезированных на субстрате, со сложной системой регуляции физиологических процессов, основанной на межклеточной коммуникации.

Саму идею о существовании структурированных микробных сообществ, а не свободноплавающих, «планктонных» формах, выдвинул в 1987 г. J. Costerton с соавторами.

Они и сформулировали общую теорию существования биопленок, согласно которой, большинство микроорганизмов растут в замкнутых матрицах и биопленках прикрепленных к поверхности каких-либо экосистем, обеспеченных питанием и содержащих воду.

Биопленка — это микробное сообщество, которое характеризуется клетками, прикрепленными к поверхности или друг к другу, заключены в матрикс синтезированных ими внеклеточных полимерных веществ, а также демонстрирующих изменение фенотипа, выраженного изменением параметров роста и экспрессии специфичных генов.

Биопленки могут развиваться на поверхности раздела различных фаз: жидкой и твердой (вода — твердая фаза), жидкой и газовой (вода-воздух), твердой и газовой (горные и земляные породы, поверхность зданий — атмосфера) [8]. Основные наиболее исследованные виды биопленок, формирующиеся на границе твердой и жидкой фаз, имеют следующие морфотипы:

                   Простой слой клеток, сформированный одним или несколькими видами микроорганизмов

                   Маты фотосинтезирующих, метаногенных и сульфатредуцирующих бактериальных сообществ

                   Зубные биопленки (бляшки), образованные сложным сообществом многих микроорганизмов

                   Пленка с лентами выростами, сформированная смешанной популяцией бактерий в условиях турбулентного потока

                   «грибы» — биопленки сформированные одним или несколькими видами микроорганизмов со специфической трехмерной структурой особыми функционально-морфологическими образованиями

                   Бентосные и речные осадки, а также взвешенные в воде хлопья [7].

Гелеобразная матрица биопленке обогащается питательными веществами, то есть выполняет кумулятивную роль, что является приоритетом в олиготрофных средах. В толще ВПВ значительно ограничен транспорт питательных веществ, что приводит к возникновению концентрационных градиентов в биопленке.

Из-за разницы концентраций кислорода на поверхности биопленки и в ее толще, может возникать деление на аэробную и анаэробную зоны [8]. Возникновение зон в структуре биопленки позволяет иммобилизованным микроорганизмам использовать многие неорганические и органические субстраты [5, 8, 9].

Основным структурным компонентом биопленки является полисахаридный матрикс матрикс, он же ВПВ, он же экзополимер [8, 10,]. На его долю приходится 85 % от всей биопленки. Химический состав матрикса не одинаков у разных систематических групп [12,13, 15] микроорганизмов, но как правило, у всех матрикс представляет собой анионный полимер [10].

Он содержит полисахариды (декстран, гиалуроновую кислоту, целлюлозу, и другие), эта фракция наиболее выражена и составляет от 40 до 95 %. Содержание иных химических компонентов может сильно варьировать. Так на долю белков может доходить до 60 %, липидов до 40 %, нуклеиновых кислот от 1 до 20 %.

Эти соединения находятся в гидратированном состоянии, так как 80–90 % объема биопленки занимает вода.

Клетки бактерий в биопленке имеют сложную полиморфную организацию с определенной цитоархитектоникой (выявляются клетки с сильно измененной морфологией, мертвые клетки, различные удлиненные типы у кокковых форм и т. д.

Сложная архитектура биопленок обеспечивает возможность метаболитической кооперации клеток внутри пространственно хорошо организованных систем, создает условия, благоприятствующие установлению симбиотических взаимоотношений между бактериями разных видов [6].

Формирование, рост, миграция планктонных форм клеток для колонизации в биопленках регулируются на уровне популяции посредством механизмов межклеточной коммуникации. «Quorum sensing» (QS) или чувство кворума — это процесс коллективной координации экспрессии генов в популяции бактерий, опосредующий специфическое поведение клеток [2, 4].

Способность биопленок переживать неблагоприятные условия, а также противостоять действию токсикантов создает массу проблем в промышленности. Это биокоррозия промышленных установок, образование биопленок на поверхностях протезов, имплантатов, катетеров [4] и т. д.

Ассоциации, аналогичные биопленкам, создаются во многих биотехнологических процессах: при биоремедиации почв, при микробном выщелачивании металлов из руд, в процессе очистки сточных вод и во многих других случаях.

Микробные биопленки — очень удобный объект для исследования. Во-первых, их просто получить (об этом будет рассказано ниже), во-вторых — открываются широкие возможности для микроскопии, в-третьих, обучающиеся при изучении биопленок знакомятся с различными формами микроорганизмов, как эукариот, так и прокариот.

Методы исследования:

Получение биопленок

Данную работу мы предлагаем выполнить по методике стекол обрастания.

Хорошо обезжиренные предметные стекла привязываем по одному на леску и леску со стеклами помещаем в какой-либо водоем (или аквариум) сроком не менее чем на 10 суток. Одну сторону стекла целесообразно заклеить скотчем.

После извлечения стекла обрастания, скотч снимается. Данный прием поможет избежать обрастания оборотной стороны стекла, и микроскопировать такой препарат будет легче.

Фиксация биопленок:

Так как биопленки полученные нами на стеклах обрастания будут содержать в своем составе водоросли, фиксацию целесообразно проводить в смеси Темпера или смеси Аммана.

Смесь Темпера: Смесь Аммана

                   хлорная медь — 0,2 г -лактофенол — 50 мл

                   азотнокислая медь — 0,2 г — вода — 95

                   фенол — 1 г — хлорная медь — 2 г

                   вода — 99 мл — уксуснокислая медь — 2 г

При фиксации растворами, содержащими соли меди, следует учитывать, что действуют они довольно медленно, поэтому материал следует выдерживать в них в течение 1 недели.

Микроскопия биопленок:

а)               Учет количества иммобилизованных микроорганизмов

Для учета микроорганизмов использовали бальную систему:

Частота встречаемости	Балл
Очень часто встречается	5
Часто встречается	4
Иногда встречается	3
Редко встречается	2
Очень редко встречается	1

Подсчет ведут в 10 полях зрения, суммируют результат. Далее определяют общее число учитывая площадь всего предметного стекла

б)               Определение наличия Внеклеточного полисахаридного матрикса

Внеклеточный полимерный матрикс синтезируется клетками биопленки, и обеспечивает в первую очередь защиту клеткам. В основном внеклеточный полимерный матрикс состоит из каллозы. Данный углевод при гидролизе дает глюкозу. Каллоза представляет собой бесцветное, аморфное, сильно преломляющее свет вещество.

Не растворяется в холодной воде, спирте и реактиве Швейцера. Легко растворяется в крепких соляной кислоте и серной кислоте, растворах хлористого кальция и хлористого цинка, в 1 % — х растворах едкого кали и едкого натра, а также в жавелевой воде.

Аммиак и 5 % раствор соды вызывает набухание каллозы без ее растворения.

Для окрашивания используют метиленовый синий. Данный краситель готовят в концентрации 0,005 %. При отсутствии данного красителя, можно использовать лекарственный препарат метиленовый синий, купленный в магазине аквариумных товаров.

Препарат необходимо разбавить в соотношении 1:1000 и использовать как краситель. Стекло с биопленокой помещают на 4 часа в раствор красителя, промывают водой и заключают в желатину (для этого 1 г желатины растворяют в 100 мл воды).

Высушивают препарат и микроскопируют.

в)               Выявление слизей

Слизями называют вещества, сильно набухающие в воде и образующие с ней вязкие растворы. Для выявления слизей можно воспользоваться их способностью к набуханию. Промытое от фиксирующей жидкости стекло с биопленкой накрывают покровным стеклом.

Под него вводят спирт, затем при непрерывном наблюдении в микроскоп, под покровное стекло впускают воду, отсасывая спирт с противоположной стороны фильтровальной бумагой. Слизь при этом набухает. В этом можно убедится, сравнив исследуемый участок биопленки с необработанным участком.

Далее микроскопируют препарат. Слизь при этом окрашивается в синий цвет (см. рис. 2)

Рис. 2 Выявление слизей в биопленке

г)               Определение белков по Захарису

Данная реакция основана на адсорбции белками железосинеродистого калия (желтой кровяной соли). Стекло с биопленкой промываем от фиксирующей жидкости.

Далее помещаем на 1 час в смеси равных объемов 10 %-го раствора желтой кровяной соли, дистиллированной воды и 50 %-й уксусной кислоты.

Рис. 3 Определение белков по Захарису

Окраска сохраняется в глицерине долгое время [1].

Выводы:

Существование микроорганизмов в виде биопленок — доказанный факт. В настоящее время в биотехнологии активно используются иммобилизованные микроорганизмы.

С целью развития познавательного интереса учащихся к биологии и углубления знаний по микробиологии, а также совершенствовании практических навыков проведения лабораторных работ, для проведения учебных исследований можно использовать микробные биопленки. Подобран комплекс методов исследования биопленок и проведена их микроскопия.

Литература:

1.              Барыкина Р. П. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. — М.: Изд-во МГУ, 2004. — 312 с.
2.              Буланцев А. Л., Елизаров В. В. Новые представления об экологии бактериальных популяций с коммуникативной системой сигнализации// Проблемы особо опасных инфекций, вып. 91, 2006, С. 11–12
3.              Владимирова И. В. Экологические аспекты современной биотехнологии // Биология в школе, № 7–2009, С. 11–14
4.              Гостев В. В. Бактериальные биопленки и инфекции// Журнал инфектологии Том 2 № 3–2010
5.              Гребенщикова И. А. Очистка сточной воды гидролизного производства в анаэробных биореакторах и др. // Биотехнология № 4–2002, С. 70–79
6.              Ильина Т. С. и др. Биопленки как способ существования бактерий в окружающей среде и организме хозяина: феномен, генетический контроль и системы регулирования их развития // Генетика, Т.40 № 11–2004, С. 1445–1456
7.              Николаев Ю. А. Плакунов В. К. Биопленка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма // Микробиология, Т. 76 № 2–2007,
8.              Сироткин А. С. Агрегация микроорганизмов: флоккулы биопленки, микробные гранулы. Под.ред. А. С. Сироткина, Г. И. Шагинурова, К. Г. Ипполитов; Аккад. Наук Респ. Татарстан, Казань. ФЭН: Аккад. Наук РТ, 2007–151 с.
9.              Сироткин А. С. и др. Биологическая трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод. // Биотехнология, № 3–2008 с. 77–85
10.         Смирнова Т. А. Структурно-функциональная характеристика бактериальных биопленок // Микробиология, Т. 79, № 4–2010, С. 435–446
11.         Чернявский В. Н. Бактериальные биопленки и инфекции (лекция)// AnnalsofMechnikovInstitute, № 1–2013. www. iniam.org.ua//journal.htm.
12.         Mohamed J. A. Biofilm formation by enterococci / J. A. Mohamed, D. B. Huang//J. of Med. Microb.- 2006 № 56. P. 1581–1588
13.         Moons P. Bacterial interactions in biofilms/ P. Moons et. al. //Crit. Rev. Microbiol. — № 3- 2009 Vol. 35 P. 157–168
14.         Pace J. L. Biofilms, Infection and Antimicrobial Therapy / ed. Taylor and Francis Group, 2006–495 p.

Источник: https://moluch.ru/archive/108/25890/

Молодые ученые: биолог Дмитрий Алексеев о пользе бактерий и вреде синтетической еды

Где учился: окончил аспирантуру Московского физико-технического института, кандидат биологических наук

Что изучает: вычислительную биологию. Написал более 40 научных работ по анализу молекулярно-генетических данных, с 2014 года руководит компанией «Кномикс», которая занимается организацией научных исследований и анализом данных в области биологии, медицины и бизнес-аналитики

Особые приметы: Ironman, много читает и путешествует, развивает тему Art & Science

Мой прадедушка занимался эволюционной биологией, дедушка — химфизикой и физхимией, а папа строил сложные математические модели на только-только появившихся компьютерах. Я решил продолжать семейные традиции и пошел в науку.

Забавно, что только в середине обучения в МФТИ я подумал, что можно в принципе заниматься чем хочешь, и перепробовал кучу профессий: от доставки пиццы по ночам и преподавания английского до создания гида по Сибири и ремонта автомобилей. Как и все мои сверстники, был увлечен программированием.

Когда в институте нужно было определяться с направлением, я пропустил нужный срок, и меня распределили в Институт биоорганической химии — так и началась любовь к биологии, а с навыками программирования это быстро превратилось в биоинформатику. В биоинформатике мы берем биологические данные, полученные путем экспериментов, и с помощью компьютера извлекаем из них смысл.

Раньше наука и технологии стремились разобрать все на части, но стала появляться новая тенденция — смотреть на систему в целом. Возьмите любую сферу — финансовый рынок, социальную группу, группу белков.

Математически они представляют собой одно и то же: простые элементы, которые взаимодействуют по простым правилам. Эти правила как раз и важно понять. В биологии это, грубо говоря, понимание не только того, из каких кусочков мы состоим, но и того, как они между собой взаимодействуют.

Сейчас это целое направление — complexity science. В мои студенческие годы появилась модная штука — масс-cпектрометрия больших молекул. Это возможность исследовать большие комплексы белков с помощью нового оборудования. На пороге 2000-х за эти технологии дали Нобелевскую премию.

Я как раз оказался в струе и посвятил дипломную работу изучению митохондрий сердца быка.

После защиты диплома я перешел к проектам, посвященным работе мозга. Например, пытался выяснить на примере мышей, как молекулы обеспечивают зрение. Но задача предстояла достаточно сложная. Из статей американцев казалось, что все это очень просто, но когда мы начинали экспериментировать сами, ничего не выходило.

Предполагалось, что сначала разберемся с бактерией, у которой несколько тысяч генов, а потом можно вернуться с этими навыками к клеткам мозга, где белков уже десятки тысяч. Это удобный объект для работы: с живыми существами по этическим соображениям работать непросто, а с бактериями никаких проблем — можно мучить как захотим. Плюс они быстро растут.

Больше всего меня заинтересовали те, что живут в кишечнике.

Много-много лет назад планету населяли только бактерии. Потом появились более серьезные существа, главным органом которых стал кишечник — в нем также поселились бактерии. В условиях изменяющейся среды живые существа путешествовали и находили новую еду.

Эволюция выбирала самых приспосабливающихся — тех, кому бактерии больше помогали. Если бактерии какого-то существа не могли адаптироваться, оно просто не выживало и не давало потомства. У бактерий очень простой алгоритм поведения — размножиться и все съесть.

Вы спросите — как же они не съели нас? Нужно сказать спасибо иммунной системе, которая нас защищает.

Наш организм эволюционно привык к тому, чтобы в нем всегда было много разных бактерий. Если мы питаемся однообразно, нишу занимают только одни бактерии, а другая их часть исчезает. Почему сегодня так популярны ферментированные продукты — кефиры и йогурты? На самом деле эта история не нова.

Раньше у людей не было холодильников, и они научились заготавливать продукты впрок, когда бактерии их чуть-чуть поедали, — такие продукты для человека очень полезны. А чем более синтетические продукты мы едим, тем хуже делаем полезным бактериям, живущим у нас в организме.

Например, если молоко спокойно стоит на свежем воздухе несколько дней и не портится, это явный показатель, что с ним что-то не так. Его не едят бактерии, а значит, не особо воспримут и те, что обитают в нашем кишечнике.

Если вдруг заведется какая-то инфекция, она поразит сразу всех. Это характерно для любой экосистемы: скажем, заболел хищник в лесу — весь лес под угрозой исчезновения.

Китайская диетология, например, построена на подходе, при котором нужно употреблять в пищу только то, что выросло в твоем регионе.

В компании «Кномикс» мы проводим научные исследования и занимаемся анализом данных.

Нарушение баланса в работе микробиоты грозит развитием заболеваний — от сахарного диабета до ожирения. К счастью, это может предотвратить правильно подобранное питание. Любой желающий мог стать участником исследования, сдав микробиомный анализ, и получить индивидуальные рекомендации по питанию.

Мы рассчитывали, что соберем данные не менее 100 человек, но за короткий срок число желающих почти в три раза превысило эту отметку. Проект собрал почти полтора миллиона рублей.

Со временем эти методики можно было бы использовать для диагностики заболеваний: если у тебя бактерии в кишечнике в таком-то соотношении, значит, есть ранняя стадия такого-то заболевания. Не менее захватывающая тема — изучение вкусовых предпочтений, обусловленных генетикой. Человек может не употреблять в пищу определенные продукты, так как это обусловлено его генами. Этому посвящено наше новое исследование.

Есть исследование, которое проходили три группы женщин: одни ели йогурты без бактерий, другие — с мертвыми бактериями, а третьи — с активными. Каждой группе показывали картинки с изображенными неприятными лицами и измеряли уровень стресса.

Так вот менее напряженно реагировали женщины, которые питались классными йогуртами с активными бактериями.

Почти каждый год я езжу на самые значимые конференции в этой области. Микробиота кишечника — передовая тема, и в Америке, например, в ее изучении заинтересовано государство. Там понимают, что подобные исследования могут привести к увеличению продолжительности жизни, а значит, к повышению эффективности труда.

Последний писк моды — пересадка больному человеку здоровых бактерий. Есть такая инфекция — Clostridium difficile. Так вот чтобы ее побороть, с 70-х годов доктора практикуют пересадку бактерий из фекалий здорового донора больному человеку.

Все новое — хорошо забытое старое: существуют китайские манускрипты, подтверждающие, что такие методы использовались уже тысячи лет назад.

В будущем мне хотелось бы изучить законы функционирования разных систем и попробовать силы в анализе не только бактерий. В этом году я побывал в летней школе по исследованию сложных систем Института Санта-Фе, основанном нобелевскими лауреатами по физике и экономике.

С помощью компьютерного моделирования мы изучали самые разные сложные системы: движение в городе, распространение наречий в языках, взаимодействие бактерий в Нью-Йоркском метрополитене, поведение пчел-опылителей в Калифорнии. Главная задача в «Кномикс» — улучшить интерпретацию бактерий и выйти на иностранные рынки.

Хочется научиться самим и научить других зарабатывать в науке здесь и сейчас, чтобы специалисты высокого класса находили себе применение и не уезжали за рубеж.

Книги, которые советует Дмитрий

• «Бытие и время», Мартин Хайдеггер

  Сборник работ немецкого философа о сущности современной технической цивилизации, назначении человека, истине бытия и многом другом.

• «Эгоистичный ген», Ричард Докинз

  Научно-популярный бестселлер британского ученого по эволюционной биологии для всех, кого интересует место, занимаемое человеком во Вселенной.

• «Наука сна», Дэвид Рэндалл

  Что происходит с нашим телом, когда мы спим, и к чему может привести пренебрежение этой потребностью.

Фотографии предоставлены Дмитрием Алексеевым.

Источник: https://theoryandpractice.ru/posts/15387-molodye-uchenye-biolog-dmitriy-alekseev-o-polze-bakteriy-i-vrede-sinteticheskoy-edy