Штамм микроорганизмов

Штамм микроорганизмов — это чистая культура микроорганизмов (бактерий, архей, грибов, вирусов, простейших), выделенная из определённого источника (организма, объекта окружающей среды) или полученная в результате генетических манипуляций, обладающая специфическими, стабильно наследуемыми признаками, отличающими её от других представителей того же вида. В микробиологии и смежных науках штамм является основной операционной единицей для изучения, идентификации и практического использования микроорганизмов.

История понятия

Термин «штамм» (от нем. Stamm — ствол, племя, род) вошёл в микробиологическую практику в конце XIX — начале XX века, когда развитие методов чистых культур (работы Роберта Коха, Фанни и Уолтера Хессе) позволило выделять и поддерживать в лаборатории изолированные популяции бактерий. До этого микроорганизмы описывались преимущественно на уровне вида, что не учитывало их внутривидового разнообразия.

В 1920—1930-х годах, с развитием серологии и биохимии, стало очевидно, что изоляты одного вида могут различаться по антигенным свойствам, способности к ферментации углеводов, патогенности и устойчивости к факторам среды. Это привело к формальному закреплению понятия «штамм» в номенклатуре. В 1940—1950-х годах, с началом промышленного производства антибиотиков и вакцин, штаммы стали объектами селекции и патентования. В 1970-х годах, с появлением генной инженерии, возникли рекомбинантные (генно-модифицированные) штаммы, несущие чужеродные гены.

Классификация штаммов

Штаммы классифицируют по происхождению, способу получения и функциональным свойствам.

По происхождению

• Природные (дикие) штаммы — выделены непосредственно из естественных сред обитания (почва, вода, организмы животных и человека). Сохраняют весь набор генетических признаков, характерных для популяции.
• Лабораторные штаммы — получены в результате длительного культивирования и адаптации к искусственным условиям. Часто утрачивают некоторые признаки (например, способность к спорообразованию или синтезу пигментов).
• Мутантные штаммы — возникают спонтанно или под действием мутагенов (химических веществ, ультрафиолета, радиации). Могут приобретать новые свойства (например, устойчивость к антибиотику).
• Рекомбинантные (генно-инженерные) штаммы — созданы путём встраивания чужеродных генов в геном микроорганизма. Используются для производства белков, гормонов, ферментов, вакцин.

По функциональным свойствам

• Патогенные штаммы — вызывают заболевания у человека, животных или растений. Характеризуются наличием факторов вирулентности (токсины, адгезины, капсулы). Пример: Escherichia coli O157:H7 — энтерогеморрагический штамм, вызывающий тяжёлые пищевые отравления.
• Условно-патогенные штаммы — в норме безвредны, но могут вызывать инфекции у лиц с ослабленным иммунитетом.
• Сапрофитные штаммы — не вызывают заболеваний, участвуют в круговороте веществ в природе (например, штаммы азотфиксирующих бактерий рода Rhizobium).
• Промышленные (продуценты) штаммы — используются для биотехнологического синтеза: антибиотиков, аминокислот, витаминов, органических кислот, ферментов, биополимеров.
• Пробиотические штаммы — оказывают положительное влияние на здоровье хозяина при употреблении в составе продуктов или добавок. Пример: Lactobacillus rhamnosus GG.
• Референтные (типовые) штаммы — эталонные культуры, используемые для идентификации и сравнения. Хранятся в национальных и международных коллекциях (например, АТСС — American Type Culture Collection, ВКМ — Всероссийская коллекция микроорганизмов).

Характеристики и идентификация

Каждый штамм характеризуется набором стабильных признаков, которые позволяют отличить его от других изолятов того же вида.

Фенотипические признаки

• Морфологические: форма клеток (кокки, палочки, спириллы), размер, наличие жгутиков, капсул, спор, характер роста на плотных и жидких средах.
• Тинкториальные: способность окрашиваться по Граму (грамположительные или грамотрицательные), кислотоустойчивость.
• Биохимические: профиль ферментации углеводов, способность утилизировать различные субстраты, продукция газов, сероводорода, индола.
• Антигенные: серотип — набор поверхностных антигенов (О-антиген, Н-антиген, К-антиген), определяемый в реакции агглютинации.
• Физиологические: оптимальная температура роста, pH, аэробность/анаэробность, устойчивость к солям, антибиотикам, бактериофагам.

Генотипические признаки

• Секвенирование генома — полное определение нуклеотидной последовательности ДНК штамма. Позволяет выявить однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), наличие плазмид, профагов, генов резистентности и вирулентности.
• Молекулярное типирование: ПЦР-фингерпринтинг (RAPD, AFLP), мультилокусное секвенирование (MLST), риботипирование, анализ CRISPR-кассет.
• Плазмидный профиль — определение набора внехромосомных генетических элементов.

Идентификация штамма до вида проводится по совокупности фенотипических и генотипических данных. Для точной дифференциации внутри вида используются молекулярные методы.

Коллекции и депонирование

Для сохранения и распространения штаммов существуют специализированные коллекции — депозитарии, которые обеспечивают долгосрочное хранение (лиофилизация, криоконсервация) и предоставление культур исследователям и промышленности.

• Всероссийская коллекция микроорганизмов (ВКМ) — одна из крупнейших в России, входит в состав Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН (Пущино).
• Государственная коллекция патогенных микроорганизмов (ГКПМ) — хранит штаммы возбудителей особо опасных инфекций (чума, сибирская язва, холера).
• American Type Culture Collection (ATCC) — крупнейшая мировая коллекция (США).
• Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) — немецкая коллекция.
• World Federation for Culture Collections (WFCC) — международная организация, координирующая деятельность коллекций.

Депонирование штамма в коллекции необходимо для:

• подтверждения авторства при патентовании;
• обеспечения воспроизводимости научных исследований;
• стандартизации промышленных процессов.

Применение

Штаммы микроорганизмов имеют ключевое значение в науке, медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

Научные исследования

• Модельные организмы: Escherichia coli K-12 (штамм, адаптированный для генетических исследований), Bacillus subtilis 168 (модель спорообразования).
• Изучение механизмов патогенности, устойчивости к антибиотикам, метаболизма.
• Разработка методов генетической инженерии и синтетической биологии.

Медицина и ветеринария

• Производство вакцин: штаммы Bacillus anthracis (сибиреязвенная вакцина), Mycobacterium bovis BCG (вакцина от туберкулёза).
• Производство антибиотиков: штаммы Penicillium chrysogenum (пенициллин), Streptomyces griseus (стрептомицин).
• Пробиотики: штаммы Lactobacillus и Bifidobacterium используются в препаратах для нормализации микрофлоры кишечника.
• Диагностика: референтные штаммы используются для контроля качества тест-систем.

Сельское хозяйство

• Азотфиксирующие штаммы Rhizobium и Azotobacter — основа бактериальных удобрений.
• Биопестициды: штаммы Bacillus thuringiensis (продуцируют токсины против насекомых-вредителей).
• Силосование: штаммы молочнокислых бактерий ускоряют ферментацию кормов.

Промышленность

• Пищевая промышленность: штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae (хлебопечение, пивоварение, виноделие), Lactobacillus (производство йогуртов, сыров, квашеной капусты).
• Биотехнология: рекомбинантные штаммы E. coli и Pichia pastoris для синтеза инсулина, гормона роста, интерферонов, ферментов (протеазы, липазы, амилазы).
• Очистка окружающей среды: штаммы-деструкторы нефти, пестицидов, тяжёлых металлов (биоремедиация).

Интересные факты

• Самый изученный штамм — Escherichia coli K-12, выделенный в 1922 году из фекалий пациента. Его геном полностью секвенирован, и он стал основой для тысяч генетических конструкций.
• Штаммы могут быть запатентованы как объекты интеллектуальной собственности. Первый патент на штамм микроорганизма был выдан в США в 1980 году на штамм Pseudomonas для разложения нефти.
• Некоторые штаммы обладают уникальными свойствами: Deinococcus radiodurans R1 выдерживает дозы радиации, смертельные для человека, и используется в исследованиях по космической биологии.
• В России существует строгий учёт штаммов патогенных микроорганизмов. Их передача, хранение и использование регулируются федеральным законом «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и санитарными правилами.

Источники

• Лысак В. В. Микробиология: учебное пособие. — Минск: БГУ, 2007.
• Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология: учебник для вузов. — М.: Академия, 2012.
• Schlegel H. G. General Microbiology. — Cambridge University Press, 1993.
• World Federation for Culture Collections (WFCC). Guidelines for the Establishment and Operation of Collections of Cultures of Microorganisms. — 2010.
• Федеральный закон от 30.03.1999 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» (ред. от 28.04.2023).
• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 № 4 «Об утверждении санитарных правил…» (СП 1.2.036-21).