Институт Медицинской Климатологии
Контролируемое культивирование: требования микроорганизмов к питательным веществам.

Выращивание микроорганизмов в лаборатории — это один из основных приемов в микробиологии. Культивирование базируется на моделировании естественных условий обитания данного организма в лаборатории, а также на знании особенностей его обмена веществ. Микробная клетка в среднем содержит 50% углерода, 14% азота и 3% фосфора, а также другие элементы таблицы Менделеева. Для роста и развития микроорганизмам необходимы источники энергии и соединения для биосинтеза. Требования разных групп микроорганизмов к питательным веществам определяются их метаболическими возможностями.

Основными биогенными элементами являются углерод, азот, фосфор, кислород, водород, сера. Это компоненты белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот. Такие элементы необходимы в значительных количествах (г/л) и поэтому их называют макроэлементами. К макроэлементам также относятся ионы калия, магния, натрия, кальция и железа, выполняющие разнообразные роли. Так, К+ необходим для активности большого числа ферментов и в частности ферментов белкового синтеза. Са2+ определяет устойчивость бактериальных эндоспор к нагреванию. Mg2+ стабилизирует рибосомы, многие ферменты и клеточные мембраны. Fe2+ являются частью цитохромов и кофакторами электронпереносящих белков. Микроэлементы, требующиеся в микромолярных количествах, — это ионы таких металлов, как хром, кобальт, медь, молибден, марганец, никель, селен, вольфрам, ванадий, цинк, обычно входящие в состав ферментов и кофакторов. Так, Со2+ является компонентом витамина В12, Си2+входит в состав цитохромоксидазы и купредоксинов, Мп2+ активирует ферменты, катализирующие перенос фосфатных групп, Мо2+ входит в состав нитрогеназы и нитратредуктазы, Ni2* является компонентом уреазы, некоторых гидрогеназ, кофактора F430, Zn2+ входит в состав карбоангидразы, ДНК и РНК-полимераз и т.д. Достаточные для микроорганизмов количества микроэлементов содержатся в обычной водопроводной воде. При работе на дистиллированной воде микроэлементы добавляют специально в виде растворов их минеральных солей. У некоторых микроорганизмов имеются специфические потребности. Например, диатомовые водоросли требуют добавления в среду в значительной концентрации соединений кремния, из которых они строят свои клеточные стенки.

Биогенные элементы должны содержаться в питательной среде в доступной для микроорганизмов форме. Как правило, серу, фосфор, ионы металлов и микроэлементы вносят в среды в составе минеральных солей, поэтому для большинства микроорганизмов минеральная основа сред практически одинакова.

Источниками углерода и азота в среде могут служить как неорганические соединения (С02, N2, карбонаты, нитриты, нитраты, аммонийные соли), так и органические вещества разной степени сложности и окислен-ности (сахара, спирты, органические кислоты и аминокислоты, олигосахариды, пептиды и т.д.). Если микроорганизму требуется набор источников углерода или азота, то тогда применяют различные экстракты и гидролизаты, смеси белков и полисахаридов неопределенного состава (сусло, гидролизат молочного белка, пептон и др.).

Некоторые микроорганизмы не растут без добавления определенных веществ или смеси веществ даже тогда, когда в среде имеются все необходимые биогенные элементы. Такие соединения называют факторами роста. Для обозначения этих особенностей питания микробной культуры пользуются терминами «прототроф» и «ауксотроф». Микроорганизмы-прототрофы не нуждаются в факторах роста, а ауксотрофы требуют добавления таких факторов в среду.

Ауксотрофными формами часто являются мутанты или патогенные микроорганизмы. Фактором роста в принципе может быть любое вещество, но чаще всего к ним относятся аминокислоты, пурины, пиримидины и витамины. Так, для молочнокислых бактерий необходимо вносить в среду для роста набор почти всех аминокислот. Смеси различных факторов роста содержатся, например, в дрожжевом и кукурузном экстрактах, которые обычно вносят в среды в небольших количествах.

Часто наблюдаемая ауксотрофность по витаминам объясняется тем, что они входят в состав кофакторов либо являются их предшественниками. Например, пара-аминобензойная кислота (ПАБК) является предшественником фолиевой кислоты — кофактора реакций переноса метальных групп. ПАБК должна поступать животным с пищей или в результате деятельности микроорганизмов кишечника. Биотии (витамин Н) участвует в метаболизме жирных кислот и в реакции гетеротрофной фиксации С02 на пирувате (реакции Вуда — Веркмана). В12 (кобаламин) принимает участие в переносе (^-фрагментов и в синтезе дезоксирибозы. Липоевая кислота переносит ацильные группы, например, при декарбоксилировании оксоглутарата. Пантотеновая кислота — предшественник кофермента А (КоА), участвующего в переносе ацетила. Рибофлавин (В2) — предшественник ФМН и ФАД, распространенных переносчиков электронов. Тиамин (Bj) является кофактором 2-оксоглутаратдегидрогеназы, а также участвует в переносе альдегидных групп. Витамин В6 (пиридоксаль) участвует в превращениях амино и кетокислот. Витамин К (хинон) является переносчиком электронов, участвует в синтезе сфинголипидов, а также активирует систему свертывания крови у животных. Ниацин (никотиновая кислота) важен как предшественник НАД* и НАДФ*, переносящих электроны и протоны. Для микроорганизмов, использующих в своем обмене веществ ионы трехвалентного железа, фактором роста могут считаться сидерофоры (в частности, гидроксаматы), транспортирующие Fe3+ в клетку в аэробных зонах. Обычно источником комплекса витаминов служит дрожжевой автолизат (автолиз дрожжей проводят при 50°С с небольшим количеством толуола) с добавлением витамина В12, так как в дрожжевом автолизате его мало. Дрожжевой автолизат — это также и источник азота в виде аминокислот и полипептидов.

У некоторых микроорганизмов спектр потребляемых органических веществ очень широк (например, у Pseudomonas, Actinomyces), у других — достаточно узок (например, у облигатных метилотрофов). В то же время можно найти микроорганизмы, способные использовать сложные неприродные соединения типа пластиков, красителей, пестицидов. У ряда культур потребности в питании так сложны, что они растут только внутри живого организма (например, внутриклеточные паразиты риккетсии и хламидии). Концентрации питательных веществ в лабораторных средах, как правило, существенно превышают их содержание в естественных условиях. Также для успешного выращивания микроорганизмов необходимо поддерживать оптимальные для них значения физико-химических параметров (pH, температуры, освещенности, аэрации и т.д.).

Добавить комментарий