Грамположительные бактерии: характеристика и классификация.

Введение

Бактерии, дающие положительный результат в реакции Грама.

В бактериологии грамположительные бактерии – это бактерии, дающие положительный результат в реакции Грама, которая традиционно используется для быстрой классификации бактерий на две широкие категории в зависимости от типа клеточной стенки. Реакция Грама используется микробиологами для отнесения бактерий к двум основным категориям: грамположительные (+) и грамотрицательные (-). Грамположительные бактерии имеют толстый слой пептидогликана в клеточной стенке, а грамотрицательные бактерии – тонкий слой пептидогликана. Грамположительные бактерии поглощают кристаллический фиолетовый краситель, используемый в тесте, и затем выглядят пурпурными при наблюдении в оптическом микроскопе. Это происходит потому, что толстый слой пептидогликана в бактериальной клеточной стенке удерживает краситель после его смывания с остальной части образца на стадии обесцвечивания. Напротив, грамотрицательные бактерии не могут удержать фиолетовый краситель после стадии обесцвечивания; спирт, используемый на этой стадии, разрушает внешнюю мембрану грамотрицательных клеток, делая клеточную стенку более пористой и неспособной удерживать кристаллический фиолетовый краситель. Их пептидогликановый слой значительно тоньше и расположен между внутренней клеточной мембраной и внешней бактериальной мембраной, что приводит к тому, что они поглощают противокраситель (сафранин или фуксин) и выглядят красными или розовыми. Несмотря на более толстый слой пептидогликана, грамположительные бактерии более чувствительны к определенным антибиотикам, воздействующим на клеточную стенку, чем грамотрицательные бактерии из-за отсутствия внешней мембраны.

Классификация

Наряду с формой клетки, окраска по Граму является быстрым методом, используемым для дифференциации видов бактерий. Такая окраска, вместе с определением требований к росту и тестированием чувствительности к антибиотикам, а также другими макроскопическими и физиологическими тестами, составляет основу для практической классификации и подразделения бактерий (например, см. рисунок и версии «Руководства по систематической бактериологии Бергея» до 1990 года). Исторически царство Монера было разделено на четыре отдела, главным образом на основе окраски по Граму: Bacillota (положительная окраска), Gracilicutes (отрицательная окраска), Mollicutes (нейтральная окраска) и Mendocutes (переменная окраска). На основе филогенетических исследований 16S рибосомной РНК, проведенных микробиологом Карлом Воузом и его коллегами из Университета Иллинойса, монофилия грамположительных бактерий была поставлена под сомнение, что имело важные последствия для терапевтического и общего изучения этих организмов. На основе молекулярных исследований последовательностей 16S, Воуз выделил двенадцать бактериальных типов. Две из них были грамположительными и разделены по содержанию гуанина и цитозина в их ДНК. Тип с высоким содержанием G+C включал актинобактерии, а тип с низким содержанием G+C – Firmicutes. Реакция окраски по Граму (положительная или отрицательная) также не является надежным признаком, поскольку эти две группы бактерий не образуют филогенетически согласованные группы. Все грамположительные бактерии ограничены одной липидной мембраной и, как правило, содержат толстый слой (20–80 нм) пептидогликана, который отвечает за удержание красителя при окраске по Граму. Ряд других бактерий, ограниченных одной мембраной, но окрашивающихся по Граму отрицательно из-за отсутствия слоя пептидогликана (как у микоплазм) или их неспособности удерживать краситель из-за состава клеточной стенки, также демонстрируют тесную связь с грамположительными бактериями. Для бактериальных клеток, ограниченных одной клеточной мембраной, был предложен термин «монодермальные бактерии». Из этих двух структурно различных групп бактерий, монодермы, по-видимому, являются предками. На основе ряда наблюдений, включая тот факт, что грамположительные бактерии являются основными продуцентами антибиотиков, а граммотрицательные бактерии, как правило, устойчивы к ним, было предложено, что внешняя клеточная мембрана у граммотрицательных бактерий (дидермы) эволюционировала как защитный механизм против селективного давления антибиотиков.

Along with cell shape, Gram staining is a rapid method used to differentiate bacterial species. Such staining, together with growth requirement and antibiotic susceptibility testing, and other macroscopic and physiologic tests, forms a basis for practical classification and subdivision of the bacteria (e. g., see figure and pre 1990 versions of Bergey's Manual of Systematic Bacteriology). Historically, the kingdom Monera was divided into four divisions based primarily on Gram staining: Bacillota (positive in staining), Gracilicutes (negative in staining), Mollicutes (neutral in staining) and Mendocutes (variable in staining). Based on 16S ribosomal RNA phylogenetic studies of the late microbiologist Carl Woese and collaborators and colleagues at the University of Illinois, the monophyly of the gram positive bacteria was challenged, with major implications for the therapeutic and general study of these organisms. Based on molecular studies of the 16S sequences, Woese recognised twelve bacterial phyla. Two of these were gram positive and were divided on the proportion of the guanine and cytosine content in their DNA. The high G + C phylum was made up of the Actinobacteria, and the low G + C phylum contained the Firmicutes. The gram positive and gram negative staining response is also not a reliable characteristic as these two kinds of bacteria do not form phylogenetic coherent groups. All gram positive bacteria are bounded by a single unit lipid membrane, and, in general, they contain a thick layer (20–80 nm) of peptidoglycan responsible for retaining the Gram stain. A number of other bacteria—that are bounded by a single membrane, but stain gram negative due to either lack of the peptidoglycan layer, as in the mycoplasmas, or their inability to retain the Gram stain because of their cell wall composition—also show close relationship to the gram positive bacteria. For the bacterial cells bounded by a single cell membrane, the term monoderm bacteria has been proposed. Of these two structurally distinct groups of bacteria, monoderms are indicated to be ancestral. Based upon a number of observations including that the gram positive bacteria are the major producers of antibiotics and that, in general, gram negative bacteria are resistant to them, it has been proposed that the outer cell membrane in gram negative bacteria (diderms) has evolved as a protective mechanism against antibiotic selection pressure.

Исключения

В целом, грамположительные бактерии являются монодермами и имеют один липидный бислой, в то время как грамотрицательные бактерии – дидермы и имеют два бислоя. Исключения составляют:
Некоторые таксоны лишены пептидогликана (например, класс Mollicutes, некоторые представители Rickettsiales и эндосимбионты насекомых Enterobacteriales) и являются грам-неопределенными. Deinococcota демонстрируют грамположительное окрашивание, хотя структурно они схожи с грамотрицательными бактериями, имеющими два слоя. Chloroflexota имеют один слой, однако (с некоторыми исключениями) окрашиваются отрицательно. Два родственных фила к Chloroflexi – клада TM7 и Ktedonobacteria – также являются монодермами. Некоторые виды Bacillota не являются грамположительными. Класс Negativicutes, включающий Selenomonas, является дидермическим и окрашивается по Граму как грамотрицательный. Спорообразующие бактерии можно разделить в зависимости от типа их дыхания: Bacillus – факультативный анаэроб, а Clostridium – облигатный анаэроб. Кроме того, Rathybacter, Leifsonia и Clavibacter – три грамположительных рода, вызывающих заболевания растений. Грамположительные бактерии способны вызывать серьезные и иногда смертельные инфекции у новорожденных. К новым видам клинически значимых грамположительных бактерий также относится Catabacter hongkongensis – новый патоген, принадлежащий к Bacillota.

Бактериальная трансформация

Трансформация – один из трех процессов горизонтального переноса генов, при котором экзогенный генетический материал поступает от донорной бактерии к бактерии-реципиенту. Два других процесса – конъюгация (передача генетического материала между двумя бактериальными клетками при непосредственном контакте) и трансдукция (внедрение ДНК донорной бактерии вирусом-бактериофагом в бактерию-реципиента). В случае трансформации генетический материал проходит через окружающую среду, а его поглощение полностью зависит от бактерии-реципиента.

Орфографическая записка

Прилагательные "грамположительные" и "грамотрицательные" происходят от фамилии Ханса Кристиана Грама; как собственные имена прилагательные, их начальная буква может быть как заглавной (G), так и строчной (g), в зависимости от того, какой справочник по стилю (например, CDC), если таковой используется, определяет правила оформления документа. Более подробная информация приведена в разделе "Окраска по Граму § Орфографическое примечание".