Вопросы к уроку 3

1. Какой вы можете сделать вывод о том, что превращает молоко в йогурт, основываясь на полученных результатах?

2. Как вы можете доказать свои предположения?

3. Все ли бактерии могут превращать молоко в йогурт? Как вы можете доказать свое предположение?

4. Можно ли предотвратить превращение молока в йогурт? Как вы можете доказать свое предположение?

5. Если вы добавили йогурт в молоко, и пронаблюдали, что через какое-то время молоко превратилось в йогурт, то какие выводы можно сделать на основе этого наблюдения, а какие нельзя?

6. Почему важно инокулировать молоко взяв мазок из одной колонии бактерий, а не сразу из многих?

7. Некоторые бактерии растут только когда у них есть доступ к специфическим питательным веществам. Если бы некоторые бактерии из йогурта могли бы расти только на молоке, но не могли бы расти на агаре, как бы это повлияло на ваше исследование?

Приложение А. Словарь терминов.

Аэробы – бактерии, которым для жизни нужен кислород.

Анаэробы – бактерии, которые могут существовать без кислорода. Для некоторых из них кислород наоборот ядовит.

Агар – полисахарид, получаемый из водорослей. Он используется в качестве желирующего агента в кондитерской промышленности и для приготовления твердых или полутвердых микробиологических сред.

Антибиотик – химическое вещество, которое предотвращает или подавляет рост микроорганизмов.

Сибирская язва – смертоносная болезнь, которая поражает людей и животных. Робертом Кохом в 1876 году были идентифицированы бактерии Bacillus anthracis, которые вызывают болезнь. Сибирская язва потенциально может использоваться как биологическое оружие.

Ампициллин – родственный пенициллину антибиотик, который ингибирует синтез одного из компонентов клеточной стенки грамположительных и некоторых грамотрицательных бактерий, в частности E. coli.

Бациллы – бактерии, клетки которых имеют форму палочек.

Кокки – бактерии сферической формы.

Археи – одноклеточные прокариотические (безъядерные) микроорганизмы. Археи раньше считались группой бактерий, но сейчас их относят к совершенному отдельному домену живой природы (вместе с эукариотами и бактериями).

Эукариоты – организмы, у которых ДНК находится в отдельном компартменте клетки (ядре). К эукариотам относятся все растения, животные и грибы, включая одноклеточных простейших.

Бактерии – одноклеточные прокариотические микроорганизмы, составляющие один из трех доменов живой природы (вместе с эукариотами и археями).

Бактерицидный – бактерицидным называется агент, который убивает бактерий.

Бактериостатический – бактериостатическим называется агент, который подавляет рост бактерий.

Bifidobacterium bifidum – грамположительная бактерия, заселяющая желудочно-кишечный тракт человека и животных. Bifidobacterium bifidum облегчает процесс усвоения пищи и считается «пробиотической» бактерией. Штаммы бифидобактерий добавляют в некоторые йогурты.

Бинарное деление – большинство бактерий размножается бесполым путем. После удвоения (репликации) молекулы ДНК, клетка просто делится пополам.

Клон – группа генетически идентичных организмов.

Казеин – основной белок молока. Денатурация казеина приводит к створаживанию молока и превращению его в йогурт или в сыр. Казеин денатурирует в кислых условиях или под действием ферментов, но устойчив к нагреванию.

Фермент – белок, катализирующий определенную биохимическую реакцию. Реннин это используемый в пищевой промышленности фермент, который гидролизует (расщепляет) растворимую форму казеина, и вызывает его денатурацию.

Факультативный анаэроб – бактерии, которые могут использовать кислород для дыхания, но могут жить и в отсутствие кислорода.

Escherichia coli (E. coli) – грамотрицательный факультативно-анаэробный микроорганизм, в норме населяющий наш пищеварительный тракт. Кишечная палочка приносит пользу нашему организму, вырабатывая витамин K и предотвращая колонизацию кишечника патогенными бактериями. Безопасные генетически ослабленные штаммы E. coli, такие как штамм HB101 K-12, используемый в этой работе, применяются во многих областях исследований. Большинство штаммов E. coli безвредны для здоровья, но некоторые штаммы, такие как O157:H7 могут быть опасными.

Денатурация – процесс потери белком своей нативной (природной) структуре. Обычно это сопровождается агрегацией или потерей растворимости белка. Денатурация может происходить при нагревании (например, в процессе варки яйца), при изменении кислотности или ионной силы (концентрации солей). Денатурация казеина вызывает створаживание молока.

Колония - группа генетически идентичных клеток бактерий, выросших на поверхности агара.

Грамположительные бактерии – клеточные стенки которых состоят только из одной липидной мембраны и толстого слоя пептидогликана. Такие бактерии красятся по Граму. Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus это грамположительные бактерии.

Грамотрицательные бактерии – клеточные стенки которых состоят из тонкого слоя пептидогликана между двух липидных мембран. Клетки таких бактерий не окрашиваются по Граму. E. coli – это грамотрицательная бактерия.

Окрашивание по Граму – краска по Граму состоит из двух красителей: кристаллического фиолетового и сафронина. Грамположительные бактерии окрашиваются кристаллическим фиолетовым и выглядят лиловыми или синими. Грамотрицательные бактерии красятся только сафронином и выглядят розовыми или красными.

Кох, Роберт (1843-1910) – немецкий врач, открывший бактерий, вызывающих холеру, сибирскую язву и туберкулез. Он ввел в обиход постулаты Коха – серию тестов, позволяющих доказать, что данный микроб является причиной болезни.

Постулаты Коха – придуманная Кохом серия экспериментов, с помощью которых можно доказать, что данный микроб вызывает определенную болезнь.

1. Микроорганизм должен обнаруживаться у всех больных особей, но не обнаруживается у здоровых.

2. Микроорганизм можно выделить и вырастить в чистой культуре.

3. Выращенный в культуре микроорганизм должен вызывать заболевание при заражении здоровой особи.

4. Микроорганизм должен быть снова выделен из заболевшей контрольной особи и опять определен как идентичный исходному.

Молочная кислота – молочная кислота (С₆H₅О₃) образуется при сбраживании лактозы или других углеводов молочнокислыми бактериями. Молочная кислота вызывает переход казеина молока в нерастворимую форму (денатурацию). Молочная кислота это нормальный побочный продукт нашего метаболизма, в частности, она может накапливаться в мышцах после физической нагрузки, вызывая чувство боли.

Молочнокислые бактерии - к этой группе относят бактерий, которые сбраживают лактозу и другие углеводы с образованием молочной кислоты. К молочнокислым бактериям относятся Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, и Streptococcus thermophillis. Молочнокислые бактерии могут жить в условиях повышенной кислотности, но многие другие бактерии – нет. Поэтому молочнокислые бактерии предохраняют пищевые продукты (йогурт или квашеную капусту) от гниения.

LB – среда Лурия-Бертани, состоящая из дрожжевого экстракта, триптона (белкового гидролизата) и хлорида натрия. Это среда, обычно используемая для культивирования бактерий.

LBS – Лурия-Бертани+сахар среда LB с добавлением сахара. Сахар нужен, чтобы способствовать росту определенных бактерий, которые плохо растут на среде LB без добавок.

Лактоза (C₁₂H₂₂O₁₁) – это молочный сахар, основной углевод, представленный в молоке. Многие взрослые люди не могут усваивать лактозу без помощи бактерий, содержащихся в йогурте.

Инфекционная теория – инфекционная теория предполагает, что болезни вызываются микроорганизмами. Болезнь может передаваться от больного человека здоровому при передаче микробов. До признания инфекционной теории предполагалось, что болезни возникают спонтанно. Агостино Басси первый предложил инфекционную теорию, основываясь на наблюдениях болезней шелковичных червей. Роберт Кох подтвердил инфекционную теорию, доказав, что сибирская язва вызывается бактериями Bacillus anthracis.

Среда – раствор питательных веществ, в котором растут бактерии. Иногда в среду добавляют агар, чтобы среда была твердой, и бактерии могли расти на ее поверхности.

Микроорганизм (микроб) – одноклеточный организм; к микробам относят: бактерии, археи, дрожжи, протисты и.т.п. Обычно клетки таких организмов можно увидеть только под микроскопом. Иногда в эту категорию включают также вирусы.

Микробиология – наука, изучающая микроорганизмы.

Пастер, Луи (1822-1895) – французский химик, который вместе с Робертом Кохом является одним из родоначальников современной микробиологии. Пастер прославился созданием вакцины против бешенства (вирусной болезни) и разработкой процесса пастеризации.

Пастеризация – это процесс, уничтожающий все патогенные бактерии и большинство гнилостных в молоке или других жидких продуктах. Для проведения пастеризации молоко нагревают до 62.9°С в течение 30 минут или до 71.6°С в течение 15 секунд и потом быстро охлаждают. Пастеризация была изобретена в 1862 году Луи Пастером.

Пептидогликан – это сложная сахаро-пептидная молекула, из которой состоят клеточные стенки бактерий. У Грам-положительных бактерий есть толстая клеточная стенка из пептидогликана поверх липидной клеточной мембраны. Грам-отрицательные бактерии имеют тонкий слой пептидогликана между двух липидных мембран. Некоторые антибиотики, такие как пенициллин или ампициллин, препятствуют производству пептидогликана. У архей и эукариот пептидогликана нет.

Пируват (пировиноградная кислота)– образуется в процессе ферментации углеводов и может быть далее превращен в молочную кислоту или в спирт.

Самозарождение – одно время считалось, что бактерии и другие возбудители болезней могут зарождаться сами по себе из разлагающейся материи. Например, считалось, что черви сами собой появляются в мясе. Луи Пастер и другие исследователи показали, что микробы не могут появиться нигде сами по себе, они всегда вносятся извне. С тех пор теория самозарождения была заменена инфекционной теорией болезней.

Пробиотические бактерии – пробиотические бактерии помогают усвоить разные виды пищи, например, лактозу, содержащуюся в молоке. Из-за пользы для здоровья их иногда специально добавляют в разные продукты. Наиболее распространенным типом таких организмов являются молочнокислые бактерии, вроде тех, которые можно найти в составе йогурта.

Streptococcus thermophillus —Streptococcus salivarius subsp. Thermophillis это полезная пробиотическая грамположительная сферическая молочнокислая бактерия, которую можно найти в большинстве видов йогурта. Она растет в теплых кислых условия.

Чашки Петри – небольшие круглые плоские контейнеры для среды, сделанные из стекла или пластика. Они обычно применяются для выращивания микроорганизмов. Чашки Петри были изобретены микробиологом Юлиусом Петри, ассистентом Роберта Коха.

Йогурт – это полезный продукт, полученный в результате ферментации молока молочнокислыми бактериями, такими как Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus и Streptococcus salivarius subsp. thermophillis. Молочная кислота является, таким образом, побочным продуктом метаболизма этих бактерий. Ее наличие снижает pH и приводит к сворачиванию казеина молока. Кислая среда препятствует росту гнилостных микроорганизмов. У многих людей йогурт усваивается лучше чем молоко, потому что молочный сахар лактоза превращен в йогурте в легче усвояемую молочную кислоту.

Приложение Б

Ответы на вопросы для учителей

Вопросы по вводной части.

1. Приведите примеры болезней, вызываемые бактериями.

Ответы могут быть разными, вот список некоторых бактериальных болезней:

Сибирская язва, бактериальный менингит, бактериальная пневмония, ботулизм, бруцеллез, бубонная чума, хламидиоз, холера, тиф, кариес, дифтерия, дизентерия, гонорея, болезнь легионеров, лепра (проказа), болезнь Лайма, коклюш, сальмонеллез,шигеллез, ангина, сифилис, столбняк, туберкулез, инфекционный пиелонефрит, скарлатина.

2. Приведите примеры болезней, не вызываемых бактериями.

Вирусные болезни: ВИЧ, простуда, лихорадка Эбола, грипп, энцефалит, ящур, гепатит А, B, С, герпес, краснуха, свинка, полиомиелит, бешенство, ветрянка, атипичная пневмония, лихорадка Западного Нила.

Аутоиммунные заболевания и заболевания сложной этиологии:

Рак, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, диабет, артрит, астма, волчанка.

Паразитические и грибковые заболевания:

Кандидоз, гиардиоз, гистоплазмоз, лейшманиоз, малярия, токсоплазмоз, трихиноз.

Прионные заболевания (вызываемые инфекционными белками):

Болезнь Крейцфельда-Якоба, фатальная семейная бессонница, коровье бешенство.

Наследственные (генетические) болезни:

Целиак, синдром Дауна, гемофилия, мышечная дистрофия Дюшенна, фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия.

3. Какие характерные свойства позволяют бактериям вызывать инфекции?

Они маленького размера, и поэтому могут заселять многоклеточные организмы. При этом они могут выживать в окружающей среде в течение достаточного для распространения периода времени. Они могут расти, защищая себя от действия иммунной системы организма-хозяина и вырабатывать отравляющие хозяина токсины (иногда просто в качестве побочных продуктов обмена).

4. Как лечат бактериальные инфекции?

Бактериальные инфекции обычно лечат с помощью антибиотиков. Антибиотики бесполезны, если болезнь вызвана вирусом или имеет не бактериальную природу. Так, бессмысленно лечить антибиотиками обычную простуду (ОРВИ). Конечно, заболевший бактериальной инфекцией должен получить консультацию у врача, чтобы обсудить возможные способы лечения.

5. Как можно предотвратить распространение бактериальных инфекций?

Важна хорошая гигиена, например мытье рук. Важно, чтобы источники пищи и воды были чистыми и не были заражены бактериями. Заболевшие люди должны быть помещены в карантин и лишены контакта со здоровыми людьми.

6. Действительно ли все бактерии вредоносны? Если это не так, перечислите возможную пользу от некоторых бактерий.

Нет, большинство бактерий безопасно для людей. Бактерии, живущие в нашей пищеварительной системе, помогают расщеплять пищу и могут даже синтезировать некоторые витамины. Бактерии, живущие в корнях растений, фиксируют атмосферный азот (переводят его из газообразной формы в восстановленную форму аминов, в которой он может усваиваться растениями). Бактерии очищают окружающую среду, расщепляя токсины и отмерший органический материал. С помощью бактерий готовятся многие продукты, например, сыр, йогурт, квашеная капуста.

Вопросы к уроку 2 (по лабораторной работе)

1. Мы наблюдаем несколько типов бактерий, растущих на чашке после посева йогурта. Какой мы можем сделать вывод?

Мы можем предположить, что один из видов бактерий вызывает йогуртность, а остальные бактерии не связаны с возникновением болезни, или представляют собой «оппортунистические инфекции». Мы можем предположить также, что для образования йогурта нужны все типы бактерий. Наконец, мы можем предположить, что любой из выявленных видов бактерий может вызывать «йогуртную болезнь».

2. Если мы видим несколько типов бактерий, как это может влиять на наше расследование того, что вызывает «йогуртную болезнь»?

Мы не знаем точно, какая из бактерий вызывает «болезнь».

3. Какой из постулатов Коха мы проверяем, добавляя йогурт в молоко?

Третий постулат.

4. Что вы рассчитываете увидеть в 6 пробирках с молоком после инкубации?

Пробирка 1 - отрицательный контроль (молоко).

Молоко не изменится.

Пробирка 2 – положительный контроль (фирменный йогурт).

Молоко превратится в йогурт.

Пробирка 3- йогурт+ампициллин.

Молоко не изменится, если ампициллин способен ингибировать рост йогурт-образующих бактерий. В противном случае молоко превратится в йогурт.

Пробирка 4 – Колония бактерий из йогурта №1.

Молоко превратится в йогурт, если первый тип бактерий вызывает образование йогурта.

Пробирка 5 – колония бактерий из йогурта №2.

Молоко превратится в йогурт, если второй тип бактерий вызывает образование йогурта.

Пробирка 6 – E. coli.

Молоко превратится в йогурт, в случае если любой вид бактерий вызывает превращение молока в йогурт, и не изменится, если это не так.

5. Все ли бактерии превращают молоко в йогурт? Какой из контролей проверяет это?

Пробирка №6 (E. coli) проверяет гипотезу о том, что любые бактерии способны превратить молоко в йогурт.

6. Зачем мы добавляем антибиотик (ампициллин) в одну из пробирок?

Ампициллин это антибиотик, который ингибирует рост бактерий. Если антибиотик предотвращает образование йогурта, это служит дополнительным доказательством того, что «йогуртная болезнь» вызывается бактериями. Добавление антибиотика это также проверка возможного способа предотвращения инфекции. Мы не проверяем, является ли антибиотик лекарством от болезни. Чтобы проверить, может ли антибиотик «вылечить» йогурт, мы должны были бы добавить антибиотик в йогурт и посмотреть, превратится ли он обратно в молоко (этого не произойдет, так как ампициллин не может ренатурировать свернувшийся молочный белок).

Вопросы к уроку 3

1. Какой вы можете сделать вывод о том, что превращает молоко в йогурт, основываясь на полученных результатах?

Один или несколько типов бактерий, присутствующих в йогурте, вызывают превращение молока в йогурт.

2. Как вы можете доказать свои предположения?

Следуя постулатам Коха, мы: 1) изолировали возможный микроорганизм-возбудителя болезни; 2)вырастили его в чистой культуре на чашке Петри; 3) ввели подозреваемый микроорганизм в «здоровое» молоко и вызвали у него «симптомы болезни» (молоко превратилось в йогурт); 4) снова выделили те же самые бактерии из «заболевшего» молока.

3. Все ли бактерии могут превращать молоко в йогурт? Как вы можете доказать свое предположение?

Нет, E. coli в пробирке 6 не должны превращать молоко в йогурт.

4. Можно ли предотвратить превращение молока в йогурт? Как вы можете доказать свое предположение?

Да, ампициллин в пробирке 6 должен предотвращать образование йогурта. Тем не менее, мы можем сделать такой вывод, только когда работает положительный контроль (пробирка 2) – т.е. молоко превращается в йогурт.

5. Если вы добавили йогурт в молоко, и пронаблюдали, что через какое-то время молоко превратилось в йогурт, то какие выводы можно сделать на основе этого наблюдения, а какие нельзя?

Это демонстрирует, что что-то в составе йогурта вызывает образование йогурта. На основании этого факта нельзя сделать вывод о том, что является причиной «йогуртной болезни». Это может быть бактерия, вирус, гриб, прион или что-либо другое.

6. Почему важно инокулировать молоко, взяв мазок из одной колонии бактерий, а не сразу из многих?

В йогурте могут расти многие разные виды бактерий. Мы должны быть уверены, что работаем с конкретным типом бактерий.

7. Некоторые бактерии растут только тогда, когда у них есть доступ к специфическим питательным веществам. Если бы некоторые бактерии из йогурта могли бы расти только на молоке, но не могли бы расти на агаре, как бы это повлияло на ваше исследование?

Бактерии, вызывающие болезнь, не вырастали бы на чашке, и инокуляция ни одной из колоний не смогла бы превратить молоко в йогурт. Мы могли бы попробовать повторить эксперимент, используя более богатую питательную среду, в надежде вырастить нужные нам бактерии. Некоторые болезнетворные бактерии, например, микобактерии вызывающие туберкулез, очень плохо растут на любой искусственной среде и поэтому с ними очень трудно работать.