Работы по секвенированию генома микроорганизмов быстро продвигаются вперед, однако есть все основания предполагать, что они будет проводиться еще более ускоренными темпами. Сейчас мы располагаем в основном данными секвенирования генома патогенных микроорганизмов, однако скоро они пополнятся результатами, полученными на других представителях царства бактерий.
Известно, что в лабораторных условиях, в виде индивидуальной культуры, может быть выращена лишь часть всех существующих бактерий. Однако можно секвенировать даже геном микроорганизмов, не поддающихся культивации в лабораторных условиях. После этого станут доступны исчерпывающие данные о кодирующей способности генома царства бактерий.
Секвенирование генома близкородственных организмов позволяет идентифицировать гены, характерные для определенных групп бактерий, и отличать эти гены от дополнительных, определяющих разнообразие и адаптационные способности этих групп.
Пока мы располагаем данными о функционировании генов лишь у немногих микроорганизмов. Исследуя модельные организмы Е. coli и В. subtilis, мы только начинаем понимать механизмы таких фундаментальных процессов, как репликация ДНК и клеточное деление. Однако основным остается вопрос: являются ли эти механизмы общими для всех прокариот, или для определенного процесса существует множество механизмов?
Всестороннее изучение проблемы выживания микроорганизмов должно быть важным для диверсификации жизненных условий и особенностей их существования в различных экологических нишах. Например, у Mycoplasmas отсутствует клеточная стенка, и поэтому микроорганизму не нужен аппарат синтеза пептидогликанов. Эта особенность может обеспечивать патогенность клеток и их устойчивость к антибиотикам.
Выяснение механизмов адаптации этих патогенов к потере пептидогликана может играть важную роль в разработке средств контроля их роста.
Исследования микроорганизмов в основном проводятся на индивидуальных культурах с использованием классических приемов выделения штаммов. Однако становится все более очевидным, что многие бактерии существуют в сообществах, в которых важную роль играют конкурентные и кооперативные взаимоотношения. Для выявления основных участников этих динамических взаимоотношений необходима разработка новых методических приемов.
У бактерий существует один компартмент, хотя внутренние области могут отличаться друг от друга.
Некоторые методы хорошо известны, однако их необходимо изменить и адаптировать таким образом, чтобы с их помощью можно было работать со сложными сообществами бактерий. Усовершенствование методов исследования бактериальных сообществ, очевидно, будет способствовать разрешению многих проблем, особенно связанных с межклеточными взаимодействиями и конкуренцией среди микробов. Расширение наших знаний по биологии отдельных микроорганизмов и их сообществ позволит усилить контроль над болезнетворными бактериями и обеспечить возможность управлять их жизнедеятельностью в интересах биотехнологии, сельского хозяйства и медицины.
Клетки прокариот отличаются от эукариотических клеток отсутствием ядерной оболочки и более простым строением. Относительная простота эукариот и легкость работы с ними в лабораторных условиях способствовали тому, что исследования на бактериях существенным образом помогли понять основные процессы жизнедеятельности клеток более сложных организмов.
Такие основные клеточные процессы, как репликация, транскрипция и трансляция, в ходе эволюции сохранились у всех организмов и впервые были детально изучены у прокариот. Даже сегодня многие существенные выводы были сделаны на основании исследований на клетках прокариот.
С помощью молекулярно-филогенетических методов было показано, что прокариоты подразделяются на две основные группы: эубактерии и археи. Эти группы различаются по своим физиологическим, биохимическим и структурным особенностям. Прокариоты характеризуются наличием компактных кольцевых хромосом, содержащих плотно упакованные гены, и гибкость их генома обеспечивается существованием различных экстрахромосомных элементов и механизмов, обеспечивающих обмен генетической информацией и разнообразные перестройки генома. Сейчас мы начинаем понимать механизмы, которые используют прокариоты для контроля экспрессии генов и различных процессов клеточного цикла.
В общем, эти механизмы у эубактерий консервативны, но сильно отличаются от соответствующих механизмов в клетках эукариот. Напротив, археи разделяют некоторые характеристики с эубактериями, а некоторые с эукариотами.
Одно время полагали, что прокариоты состоят только из наружной оболочки, цитоплазмы, заполненной ферментами, и аморфной массы ДНК. Однако недавно с помощью методов клеточной биологии было показано, что прокариоты представляют собой высокоорганизованные клетки, чем-то напоминающие клетки эукариот. Например, многие белки у них локализованы в клетке на специфических местах, распределение некоторых белков подчиняется организованным динамическим изменениям, и в поддержании клеточных структур участвуют белки, напоминающие цитоскелетные белки эукариот.
Хромосома имеет вид диффузной массы, но в действительности для нее тоже характерна организация, в результате которой гены занимают в клетке определенные положения. Белки, связанные с ДНК прокариот, участвуют в организации хромосомы: у бактерий они образуют нуклеоид, а археи, подобно клеткам эукариот, содержат нуклеосомы.
Для многих сторон жизнедеятельности прокариот важную роль играет их способность секретировать белки и полисахариды, а также формировать на своей поверхности такие структуры, как жгутики и пили. Жгутики являются средством, обеспечивающим подвижность клеток, необходимую для их миграции к источникам питания в процессе, называемом хемотаксисом. Пили представляют собой фибриллярные структуры, обеспечивающие взаимодействие клеток друг с другом и с окружающей средой, а иногда с инфицированным организмом хозяина. Формирование жгутиков и ворсинок происходит посредством секреции специфических белков с участием системы сборки.
Прокариоты невероятно разнообразны в отношении процессов метаболизма и катаболизма. Многие микроорганизмы существуют самостоятельно и занимают невероятное количество экологических ниш. Другие вступают в сложные симбиотические взаимоотношения, например такие, которые существуют между сообществами в биопленках или ведут себя как патогены в организме хозяев, которые варьируют от прокариот до человека.
Мы сталкиваемся с прокариотами ежедневно — окружающая среда, пища и наше тело контактируют с бессчетным количеством различных прокариот — однако мы только начинаем понимать природу всего их разнообразия и жизнедеятельности.
Для прокариотической клетки характерно отсутствие ядра,
окруженного мембраной.