1. Значення мікробіології в умовах сучасного виробництва й споживання

Класичні мікробіологічні виробництва. На прикладі пивоваріння і виноробства з використанням дріжджів, випічки хліба і приготування молочних продуктів за допомогою молочнокислих бактерій, а також отримання харчового оцту за участю оцтовокислих бактерій стає очевидним, що мікроорганізми відносяться до старих культурних «рослин». У Японії і Індонезії соєві боби відвіку переробляються за допомогою міцеліальних грибів, дріжджів і молочнокислих бактерій. Якщо не рахувати отримання етанолу, в промисловому виробництві індивідуальних речовин мікроорганізми зачали використовувати лише в останні шістдесят років. Вже в період першої світової війни за допомогою керованого дріжджового бродіння отримували гліцерин. Молочна і лимонна кислоти, у великих кількостях необхідні для харчової промисловості, отримуються за допомогою молочнокислих бактерій і гриба Aspergillus niger відповідно. З дешевих, багатих вуглеводами відходів шляхом бродіння, здійснюваного клостридіями і бацилами, можна отримувати ацетон, бутанол, 2-пропанол, бутандіол і інші важливі хімічні сполуки.

Виробництво антибіотиків. З появою антибіотиків настала нова епоха в медицині і фармацевтичній промисловості. Завдяки відкриттю пеніциліну і інших продуктів метаболізму грибів, актиноміцетів і інших мікроорганізмів людство придбало високоефективну зброю для боротьби з бактерійними інфекціями. Успішно продовжуються пошуки нових антибіотиків. Теоретично перспективним здається і шлях вживання антибіотиків для боротьби з вірусними хворобами і з пухлинами вірусного походження.

Нові мікробні виробництва. Класичні види бродіння доповнюються новими вживаннями 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 глутамінову кислоту, були отримані мутанти і розроблені методи, за допомогою яких можна у великих масштабах проводити багато амінокислот, нуклеотиди і реактиви для біохімічних досліджень. Мікроорганізми використовуються хіміками як каталізатори для здійснення деяких етапів в довгому ланцюзі реакцій синтезу; мікробіологічні процеси за своєю хімічною специфічністю і за виходом продукту перевершують хімічні реакції; ферменти, вживані в промисловості, – амілази для гідролізу крохмалю, протеїнази для обробки шкір, пектинази для освітлювання фруктових соків і інші – видобувають із культур мікроорганізмів.

Монопольне положення мікроорганізмів. Слід зазначити, що деякі 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 «облагороджуванні» цих незвичайних видів сировини для біотехнологічних процесів; освоєння такої сировини біологічними технологіями тільки почате.

Сучасні досягнення генної інженерії. Вивчення механізмів передачі генів у бактерій і участі в цьому процесі позахромосомних елементів відкрило можливість включення чужорідної ДНК в бактерійні клітки. Генетичні маніпуляції дозволяють вносити невеликі відрізки носіїв генетичної інформації вищих організмів, наприклад людини, в бактерію і примушувати її синтезувати відповідні білки. Цілком здійснено виробництво гормонів, антигенів, антитіл і 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 передбачувані, сфери її застосування завела б нас дуже далеко. Зв'язок між фундаментальними дослідженнями і практикою в мікробіології, як і в усіх природних науках, дуже тісний: «Немає прикладних наук... але кожна наука має багато практичних застосувань» (Л. Пастер).

Ознака, що отримала віддзеркалення в самій назві «мікроорганізми», – це мала величина особини. Вона не лише послужила причиною відділення цих організмів від тварин і рослин: з нею істотно зв'язані також особливості морфології мікробів, активність і пластичність їхнього метаболізму і поширення їх у 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 приводяться в нанометрах: 1 нм = 10^-3 мкм = 10^-6 мм. Розміри дрібних ціанобактерій, дріжджів і простіших знаходяться в межах 10 мкм. Біля цих настільки малих організмів співвідношення між поверхнею і об'ємом дуже велике. Якщо куб з довжиною граней 1 см (об'ємом 1 см³) розбити на кубики з довжиною граней 1 мкм, ми отримаємо 1012 кубиків об'ємом по 1 мкм³ кожен. Сумарна поверхня цих кубиків в 10000 разів більша, ніж поверхня початкового куба. Об'єм 1 мкм³ характерний для середньої бактерійної клітини.

Велике відношення поверхні до об'єму приводить до інтенсивної взаємодії із зовнішнім середовищем; з цим пов'язаний дуже швидкий обмін речовинами між середовищем і клітиною багатьох мікроорганізмів. Правило Рубнера (1893) свідчить, що енергетичний обмін тварини у спокої пропорційний не масі, а поверхні його тіла. Якщо це правило, відповідно до його сенсу, розповсюдити на окремі тканини і малі клітини, то слід чекати, що рівні метаболічної активності розрізнятимуться на декілька порядків. Тому, хто роздумує про проблеми забезпечення їжею зростаючого населення Землі, буде цікаво дізнатися, що в організмі одного бика вагою 500 кг за 24 години утворюється приблизно 0,5 кг білка; за цей же час 500 кг дріжджів можуть синтезувати більше ніж 50000 кг білка.

Пластичність метаболізму. У вищих рослин і тварин зміни обміну речовин відносно жорстко обмежені наявним набором ферментів; в процесі індивідуального розвитку склад ферментів у них, звичайно, міняється, проте при зміні умов зовнішнього середовища такі зміни вельми незначні. Мікроорганізми відрізняються незрівнянно більшою гнучкістю. Для бактерій висока здібність до адаптації (пристосування) абсолютно необхідна. Це визначається їх малими розмірами. У клітині мікрокока знайдеться місце тільки для кількох сотень тисяч білкових молекул. Тому непотрібні зараз ферменти не можуть міститися про запас. Деякі ферменти, що служать для переробки живильних речовин, синтезуються тільки тоді, коли відповідна речовина з'являється поблизу клітини. Такі індуцібельні ферменти можуть складати до 10% загального білка, що міститься в клітині. Таким чином, клітинні механізми регулювальників у мікробів грають істотно велику роль і виявляються виразніше, ніж у інших живих істот.

Поширення мікроорганізмів. Малі розміри мають значення і для екології. Багато рослин і тварини, що нині широко поширилися завдяки людині, зустрічалися раніше лише на окремих континентах. На відміну від цього бактерії (включаючи ціанобактерій) усюдисущі: їх можна знайти в арктичних областях, у воді і у високих шарах атмосфери. Видовий склад їх у всіх місцепроживаннях в широких межах схожий з їх видовим складом в ґрунті. Завдяки своїй малій вазі мікроорганізми легко поширюються з повітряними потоками. У природних умовах жодне місцепроживання, жоден субстрат не потребує спеціального зараження яким-небудь мікробом. Цією обставиною користуються для отримання накопичувальних культур. Як правило, досить одного грама садового ґрунту, щоб знайти вид бактерій, здатний зростати за рахунок будь-якої природної речовини. Мікроорганізми існують всюди; середовище визначає лише те, які форми будуть в даному місці активно розмножуватися. Створюючи в пробірці відповідні селективні умови, можна з невеликої кількості землі або мула, 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. Брефельд, Р. Кох і його школа в минулому столітті. Введення в практику прозорого живильного середовища, ущільненого желатиною або агаром, дозволило ізолювати окремі клітини, стежити за їх зростанням в колонії і отримувати чисті культури. Розробка стандартних методів стерилізації і приготування живильного середовища привела до швидкого розвитку медичної мікробіології. Хоча ще Кох описав кількісні методи, їх переваги при роботі з мікроорганізмами зрозуміли тільки в останні 50 років. Малі розміри мікроорганізмів дозволяють отримувати в одній пробірці або чашці Петрі і досліджувати популяції, що складаються з 108-1010 окремих кліток, і завдяки цьому виявляти такі рідкісні події, як мутація або передача набутої ознаки, не потребуючи складних допоміжних засобів, і задовольняючись малим простором. Величезні успіхи біохімічних і генетичних досліджень не в останню чергу досягнуті завдяки легкості поводження з бактеріями.