Механізми виживання бактерій у навколишньому середовищі

Велика кількість даних про властивості мембран і їх регуляції зібрано при вивченні використовуваної в якості модельної системи Escherichia coli. Виявлено, що мембрани клітин Є. coli у багатьох відношеннях нагадують мембрани термофільних організмів. . coli : 1) соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, накапливающихся в результате подавления биосинтеза липидов, сильно зависит от температуры; например, фракция свободных жирных кислот из клеток, выращенных при 15°С, содержит в 10 раз больше ненасыщенных жирных кислот, чем фракция, полученная из клеток, выращенных при 43°С; 2) при повышении температуры липиды мембраны Е. Про це свідчать такі особливості мембран E. Coli: 1) співвідношення насичених і ненасичених жирних кислот, що накопичуються в результаті придушення біосинтезу ліпідів, сильно залежить від температури; наприклад, фракція вільних жирних кислот з клітин, вирощених при 15 ° С, містить в 10 разів більше ненасичених жирних кислот, ніж фракція, отримана з клітин, вирощених при 43 ° С; 2) при підвищенні температури ліпіди мембрани Є. coli виявляють фазовий перехід з упорядкованого в неврегульоване стан; синтез мембран, що містять менше однієї третини нормальної кількості таких ліпідів, призводить до загибелі клітини.

Термофіли здатні контролювати фізичні властивості цитоплазматичної мембрани, змінюючи її склад у відповідь на зміну температури. Однак цей загальний механізм, діє також і в мезофілі Є. coli. Таким чином, температурні межі оптимального функціонування мембрани, від яких, безсумнівно, залежить величина кардинальних температур росту організму, визначаються характером хімічних модифікацій речовин, що входять до складу мембрани. Як і у випадку термостабільних за своєю природою білків, знайдених у облігатних і кальдоактівних бактерій, тонкий механізм (або механізми), що бере участь у стабілізації мембрани, залишається поки невідомим. Молекулярна основа регуляції фазового переходу ліпідів відноситься до однієї з найбільш важливих, але ще слабоізученних сторін функціонування мембрани.

2. Термостабільність макромолекул

Виділені з термофільних організмів макромолекули виявляють велику термостабільність, ніж їх аналоги з мезофіли. Така підвищена термостабільність, властива всім макромолекулам клітини, включаючи ферменти головних метаболічних шляхів, ферредоксін, рибосоми і флагеллін.

Більшість білків, виділених з Термофіли, відноситься до ферментів, які набагато більш стабільні, ніж їх аналоги з мезофіли. Класичним прикладом служить фермент міокіназа, яка зберігає активність після нагрівання при температурі 100 ° С. У тетрамера авидин у присутності біотину температура переходу в денатуровані стан складає 132 ° С. У фосфофруктокінази С. pasteurianum і Е. coli температурний перехід відбувається приблизно при 70 і 60 ° С відповідно. Таким чином, основна відмінність між білками мезофіли і термофіли полягає в тому, що всі білки Термофіли повинні функціонувати при температурах розвитку цих організмів.

Визначення температури максимальної активності ферментів також вказує на їх підвищену термостабільність, а втрата всієї або більшої частини активності в результаті перевищення цієї температури на 10-15 ° С узгоджується з поданням про денатурації білка.

Фізико-хімічна характеристика білків термофільних мікроорганізмів показує, що вони багато в чому гомологічних відповідним білкам мезофіли: термофільні білки мають такий же зміст ділянок з альфа-спіральної конфігурацією і бета-структурою і таке ж число гідрофобних груп, як і аналоги з мезофільних організмів. Але на відміну від білків мезофіли, які зазвичай денатуруються при температурі нижче 60 ° С, термофільні білки при підвищенні температури від кімнатної до 55 або 60 ° зазнають, невеликі конформаційні зміни, не супроводжувані денатурацією.

Термофільні білки найчастіше містять велику кількість неполярних бічних ланцюгів, тому в результаті стабілізації додатковими гідрофобними взаємодіями виникає підвищена термостабільність таких ділянок термофільних білків.

Термофільні білки більш стійкі до индуцируемой нагріванням агрегації, що випливає з більшої стійкості до теплової коагуляції цитоплазматичних білків термофільних бактерій у порівнянні з аналогічними білками мезофільних бактерій. Більш низька здатність білків до агрегації пов'язана з тенденцією до зниження ізоелектрична точок цих білків і підвищенню стійкості їх молекул до розгортання, завдяки чому неполярні ділянки залишаються прихованими в глибині молекул

Термостабільність білків обумовлена ​​також більш низьким вмістом цистеїну і особливо допоміжних сульфгідрильних груп, які зазвичай розташовуються на поверхні білка і тому легко піддаються окисленню.

Також відомо, що іони кальцію можуть стабілізувати ферменти не тільки у термофільних, але і у мезофільних організмів, і абсолютно необхідні для термостабільності. Утворення додаткових центрів зв'язування кальцію в разі термолізіна і альфа-амілази, очевидно, має відношення до підвищеної термостабільності цих білків. Так, термостабільність термолізіна при температурах приблизно від 50 до 80 ° С підвищується в результаті стабілізації одного або двох ділянок іонами Са2 +.

Ступінь стабільності білків також визначається специфічним становищем у поліпептидного ланцюга певних амінокислот, тому величезний вплив на термостабільність молекули білка може надати заміна в ній всього лише однієї амінокислоти в процесі різних мутацій генетичного матеріалу бактерії (Логінова Л.Г., 1977).

2.1.3 Небілкові стабілізуючі чинники

Деякі ферменти, виділені з Термофіли, нестійкі при оптимальній температурі зростання даного організму. Це говорить про присутність в клітинах Термофіли додаткових стабілізуючих факторів. Такими факторами можуть служити звичайні клітинні компоненти, такі, як кофактори, субстрати, мембрани і внутрішньоклітинна середовище, що містить сильно заряджені макромолекули, які забезпечують необхідну додаткову стабілізацію ферментів.

Одним з найбільш наочних прикладів стабілізації ферменту субстратом та модифікаторами служить глутамінсінтетаза з В. stearothermophilus Цей фермент швидко втрачає активність при 65 ° С, якщо в середовищі відсутні глутамат і іони амонію. Глутамінсінтетаза стабілізується також модифікаторами, які діють за принципом зворотного зв'язку, особливо аланином, гистидином і ЦТФ. Для стабілізації позаклітинних гідролаз, наприклад, альфа-амілази та термолізіна потрібна присутність кальцію. Для термостабільності глюкозо-6-фосфатдегідрогенази В. coagulans необхідна наявність сильно зарядженої навколишнього середовища.

2.1.4 Високозаряженние макромолекули всередині клітин

Термофільні бактерії синтезують білки, які володіють притаманною їм самим термостабильностью. Як зазначалося вище, багато ферментів, виділені з облігатних або кальдоактівних бактерій, не є стабільними при оптимальних і (або) максимальних температурах зростання, хоча, безсумнівно, вони більш термостабільні, ніж їх мезофільні аналоги. Однак при вивченні клітинних стінок факультативного термофена В. coagulans було показано, що окремі гліколітичні ферменти в неочищених екстрактах цього організму, вирощеного при 37 і 55 ° С, так само лабільні, як і ферменти з мезофільних організмів. Функціональним механізмом Термофіли у факультативного термофена В. coagulans служить заряд внутрішньоклітинних макромолекул, що підтверджується наявністю у цього організму термолабільної гліцеральдегид-3-фосфатдегідрогенази.

Заряджена внутрішньоклітинна середовище також має важливе значення для виживання облігатних і кальдоактівних Термофіли завдяки тому, що вона може стабілізувати деякі ферменти, які виявляють більш низьку термостабільність при оптимальній або максимальній температурі зростання.

Концепція стабілізації білків in vivo за допомогою заряджених макромолекул прийнята в якості правдоподібного пояснення механізму Термофіли у В. coagulans з наступних причин:

1) у неочищених екстрактах клітин, вирощених при кожній із двох зазначених температур, присутні заряджені макромолекули, які, однак, з-за розведення в умовах in vitro не можуть повністю проявити свого захисної дії на ферменти. Тим не менш імітація існуючої в умовах in vivo зарядженої середовища шляхом додавання до клітинних екстрактів (NH4) 2S04 або NaCl призводить до повного запобіганню ферменту від інактивації;

2) у разі очищеної до кристалічного стану ГФДГ, тобто в умовах, коли відсутня взаємодія ферменту з іншими макромолекулами, заряд сам по собі стабілізує фермент;

3) мікробна клітина являє собою високоорганізовану систему, яка містить лише незначна кількість вільної внутрішньоклітинної води, таким чином високозаряженние макромолекули грають важливу роль у механізмі термостабілізації білків в інтактній клітці. В умовах in vivo заряд макромолекул достатній для стабілізації щодо термолабільних ферментів облігатних і кальдоактівних бактерій (Кашнер Д., 1981)

3. МЕХАНІЗМИ ВИЖИВАННЯ БАКТЕРІЙ при екстремальних значеннях РН

Давно встановлено, що концентрація водневих іонів грає роль фактора, що визначає межі існування живої матері, і є одним з найважливіших факторів, що впливають на ріст і розмноження мікроорганізмів. Концентрація водневих іонів впливає на іонну стан, а отже, і на доступність для організму багатьох метаболітів і неорганічних іонів: з одного боку, концентрація іонів водню безпосередньо впливає на клітину, її електричний заряд, стан мембрани, можливість протікання окислювально-відновних реакцій, з іншого боку, - побічно, визначаючи іонне стан металів, кислот, їх доступність і токсичність. Неможливо переоцінити її вплив на стабільність і функції макромолекул в біологічних процесах. Значення реакції середовища різних природних вод і розчинів, де розвиваються мікроорганізми (від рН 1 - 2 в кислих джерелах і рудничних стоках до рН 10 в содових озерах), покривають майже весь теоретично можливий діапазон значень рН (0 - 14). Велика частина організмів найкращим чином розвивається при концентрації іонів водню, близькою до рН = 7, що характерно для багатьох природних середовищ. Дуже високі (кисла реакція) або дуже низькі (лужна реакція) концентрації водневих іонів звичайно токсичні для більшості організмів. Загалом, граничні концентрації іонів водню, вище і нижче яких відомі в даний час організми припиняють ріст і розмноження, приблизно рівні рН = 1, що відзначено лише для небагатьох бактерій і грибів, і рН = 11, що спостерігається у випадку деяких водоростей, грибів і бактерій. Більшість організмів живе при рН від 4 до 9, причому їх оптимальне зростання спостерігається в середовищі, близькою до нейтральної.

Кожному мікроорганізму властивий певний інтервал кислотності або лужності середовища, в якому можливий його активне зростання. У залежності від положення оптимального рН розвитку розрізняють ацидофільні, нейтрофільні та алкаліфільние мікроорганізми. Більшість природних середовищ існування має нейтральний або близький до нього (слабокислий або слабощелочной) рН. Так, якщо рН прісної води дорівнює 7,0, то реакція морської води швидше слаболужна (рН 7,5 - 8,0).

У грунті рН може бути досить низьким, до 4,0. У таких місцях проживання розвиваються організми, звані жадали - або ацідотолерантнимі і помірними жадали-або ацидофіли. Тим не менше зустрічаються як природні, так і антропогенні місцеперебування, які можна віднести до екстремальних: екстремально кислі з рН <4,0 і екстремально лужні з рН> 10,0. Країни, що розвиваються там мікробні співтовариства представлені відповідними екстремофільних мікроорганізмами. Прикладом ацидофіли служать молочнокислі, оцтовокислі бактерії, багато грибів (Бухарін О.В., 2005).

Менше прикладів алкаліфільних організмів, що вимагають для свого зростання значень рН до 10 і вище (уробактерій і багато ціанобактерії). Серед бактерій виявлено кілька видів, стійких до лужного середовища (рН 8,5 і вище). — бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при реакции среды, близкой к рН 11. В. alcalophilus , выделенная из сточной воды, способна расти в диапазоне рН 9—11,5. Сюди слід віднести Bacillus pasteurii - бактерію, яка розщеплює сечовину і добре зростаючу при реакції середовища, близької до рН 11. В. alcalophilus, виділена зі стічної води, здатна рости в діапазоні рН 9-11,5. Виділено та інші бацили, дуже стійкі до лужного середовища. Ціанобактерії можуть розвиватися в природному середовищі з рН 7,5-10, деякі з цих бактерій мають оптимум рН 10 (Покровський В.І., 1999).

Природні середовища, що мають рН, близьке до звичайного нижньої межі (3-4), зустрічаються досить часто. Однак середовища з рН більше низьким, ніж 3-4, надзвичайно рідкісні. Прикладами среднекіслих середовищ існування служать багато озер, деякі виснажені грунту і кислі болота. Такі природні середовища забезпечують розвиток багатьох еукаріотичних водоростей, бактерій, рослинних і тваринних форм. З цих середовищ було виділено безліч маловідомих бактерій: Bactoderma, Caulobacter, Microcyclus, Planctomyces і Thiovobium, виявлених у сфагнових болотах з рН від 3 до 5. Представники оцтовокислих бактерій ростуть у межах рН від 3 до 5. Цікавим прикладом є Acetobacter acidophilum prov. sp., у якого оптимум зростання знаходився при рН 3, нижня межа росту при рН = 2,8, а верхній-прі рН = 4,3.

3.1 Основні механізми виживання

Концентрація водневих іонів у навколишньому середовищі надає цілий ряд прямих і непрямих впливів на метаболізм і стабільність клітини. собі Іони водню (Н +) володіють унікальними властивостями, що відрізняють їх від інших катіонів. Вони являють собою протони, позбавлені електронів. У водних розчинах вони швидко гідратіруются і утворюють іон гідроксонію Н30 +. У кислому середовищі переважають іони гідроксонію, які реально існують у формі гідратованих іонів, причому ступінь гідратації залежить від концентрації іонів гідроксонію і температури.

Мікроорганізми, що володіють здатністю рости і розмножуватися при низьких або високих значеннях рН, мають певні механізми, що забезпечують їх виживання. Перевагою даних мікроорганізмів є те, що за таких умов різко обмежується конкуренція інших організмів. Наприклад, ацідофіл Thiobacillus thiooxidans може використовувати в кислому середовищі іони двовалентного заліза, які при рН вище 5 самоокісляются, внаслідок чого цей виробляє енергію субстрат стає недоступним для даного організму. При високих значеннях рН алкалофіл Bacillus pasteurii специфічно потребує аміаку для транспорту і окислення таких субстратів, як глутамінова кислота, ізолейцин, треонін, а також проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот - ацетату, а-кетоглутарату і малату. У цьому випадку перевага існування В. pasteurii при високих значеннях рН полягає в тому, що лужне середовище забезпечує доступність NH3 для організму.

Зміни рН навколишнього середовища можуть викликати у багатьох мікроорганізмів компенсаторні ферментативні зрушення. Наприклад, Escherichia coli реагує на підвищення кислотності середовища синтезом декарбоксилаз амінокислот. Утворені в результаті аміни призводять до зниження кислотності середовища. Підвищення лужності середовища стимулює утворення дезамінази амінокислот, що призводить до зниження рН. Більшість активно метаболізуються щелочеустойчівих організмів має схильність до зниження рН середовища в процесі росту. Така реакція є вторинним механізмом стійкості мікробних клітин до лужного середовища. Поки невідомо, який первинний механізм, що забезпечує стабільність клітин і їх ріст при високих значеннях рН. Більшість облігатних ацидофіли не використовує такого вторинного механізму стійкості, оскільки їх активне зростання не призводить до підвищення рН. У тих випадках, коли зростання ацидофіли починається в середовищі, близькою до нейтральної, величина рН швидко знижується. Екстремальні ацидофіли не просто переносять низькі значення рН, але дійсно потребують іонах водню для свого зростання і стабільності. Прикладом подібних мікроорганізмів служить Т. acidophilum, яка лізує при рН вище 5. Отже, стійкість клітин до високої кислотності або лужності, ймовірно, пояснюється їх структурними або метаболічними особливостями (Кашнер Д., 1981).

Внутрішньоклітинний рН екстремальних ацидофіли зазвичай не нижче 4,5. Транспорт іонів і синтез АТФ управляються протонної помпою. Позаклітинні білки екстремальних ацидофіли відрізняються високою стабільністю по відношенню до кислот, в той час як внутрішньоклітинні мають нейтральний або слабокислий оптимум активності. Разом з тим нейтральний рН часто буває токсичним для клітин екстремальних ацидофіли. Можливо, це пов'язано з порушенням цілісності цитоплазматичної мембрани, для стабільності якої потрібні високі концентрації іонів водню.

Внутрішньоклітинний рН екстремальних алкаліфілов також достатньо високий, однак не перевищує 9,5. Білки екстремальних алкаліфілов володіють великою алкалістабільностью, а також мають оптимум активності при лужних значеннях рН. Завдяки цьому протеази, ліпази і целюлази з алкаліфільних мікроорганізмів широко використовують при виробництві детергентів. ⁺ , однако синтез АТФ происходит за счет функционирования протонной помпы. Транспортні процеси в клітинах алкалофілов і рух клітин засновані на градієнті Na ^+, проте синтез АТФ відбувається за рахунок функціонування протонної помпи.

⁺ /Н ⁺ - антипортеру, катализирующему движение внутрь клетки протонов в обмен на ионы натрия, в которых эти бактерии нуждаются. У облігатних алкалофілов у підтримці цитоплазматичного рН, нижчого в порівнянні із зовнішнім, провідна роль належить Na ⁺ / Н ⁺ - антіпортеру, що каталізує рух всередину клітини протонів в обмін на іони натрію, в яких ці ​​бактерії потребують. У будь-якому випадку основними бар'єрами, що забезпечують необхідний рН у облігатних ацидо - і алкалофілов, служать клітинна стінка і ЦПМ (Бухарін О.В., 2005).

Життєдіяльність мікроорганізмів часто може приводити до зміни рН середовища. Так, до підкислення середовища ведуть окислення сульфідів до сірчаної кислоти тіонові бактеріями, процеси нітрифікації, багато бродіння. У деяких випадках бактерії можуть регулювати рН середовища за рахунок зміни метаболізму. в. Найбільш відомим прикладом є двухфазность бродінь, докладно вивчена в 30-х роках XX ст. В. Н. Шапошниковим на прикладі ацетонобутилове бродіння (Clostridium ). acetobutilicum). При зниженні рН до критичного рівня в результаті виділення масляної кислоти бактерія перемикається на освіту нейтральних продуктів, ацетону і бутанолу.

До подщелачиванию середовища призводять дезамінування білків та амінокислот аммонификаторов, розкладання сечовини уробактерій, а також фотоассіміляція С0 ₂ (так, в години інтенсивного фотосинтезу значення рН води в фотичного зоні водойми може зростати на 1 - 2 одиниці). Стабільне значення рН середовища в деяких місцях проживання пов'язано з її буферних. Найбільші масштаби має карбонат / бикарбонатная система, що забезпечує сталість рН вод Світового океану (Заварзін Г.А., 2001).

Всі організми, що ростуть при екстремальних значеннях рН, мають у своєму розпорядженні, механізмами для підтримки внутрішньоклітинного рН на рівні, близькому до нормальних фізіологічним величинам. Такі кіслотолабільние молекули, як АТР і ДНК, не змогли б існувати, якщо б внутрішньоклітинна концентрація водневих іонів був такий же, як і у зовнішньому середовищі. Однак по відношенню до внутрішньоклітинної середовищі важко застосувати класичну концепцію рН. Відповідно до цієї концепції, рН є застосовуваним на практиці показником концентрації чи активності іонів водню у водному розчині, тим часом як внутрішньоклітинний вміст являє собою колоїдний, а не справжній водний розчин. Вимірювання величини внутрішньоклітинного рН не дає інформації щодо недіссоціірованних протонів, пов'язаних з донорними молекулами.

Внутрішньоклітинний рН має певну цінність, тому що він дає уявлення про загальні умови, які існують всередині клітини.

У підтримці градієнтів рН у клітині важливу роль грає як природа клітинної стінки і мембрани, так і клітинний метаболізм.

4. ЖИТТЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ПРИ висока концентрація солей і розчинених речовин і в умовах нестачі води

У живих клітинах вода служить середовищем, в якій молекули різних розмірів взаємодіють між собою. Структура води, в якій знаходяться розчинені речовини, контролює всі життєво важливі процеси в клітині: дія ферментів і регуляцію їхньої активності, асоціацію та дисоціацію органел, структуру мембран та їх функціонування. Невеликі зміни в концентрації розчинених речовин і активності води можуть призводити до значних фізіологічних змін, тому не дивно, що багатоклітинні організми виробили спеціальні фізіологічні механізми для підтримки постійного складу не тільки рідин тіла, але і внутрішньоклітинного середовища. Наприклад, в крові ссавців підтримується рівновага між іонами натрію і калію з допомогою складного гормонального контролю, що діє на рівні нирок і заснованого на обміні між кров'ю і тканинами.

Проте мікробні клітини повинні самостійно пристосовуватися до зовнішнього водному середовищі. У якості «екстремальних умов» можна розглядати дуже звичайні умови, коли клітини ростуть у розчинах, значно більш розбавлених, ніж їх внутрішнє середовище, що має місце у всіх прісноводних мікроорганізмів. Тварини оберігають від осмотичного лізису клітини свого тіла, підтримуючи концентрації речовин, розчинених у позаклітинних рідинах, відповідно до їх концентраціями всередині клітин. Часто їх зовнішній покрив абсолютно непроникний для води. Більшість мікроорганізмів покрито жорсткої клітинною стінкою, що запобігає їх лізис в результаті високого осмотичного тиску, що виникає всередині цих клітин. У найпростіших, які мають більш гнучкі стінки, проблеми, пов'язані з високим осмотичним тиском, вирішуються іншим шляхом: вода, що надходить в клітини, збирається в скоротливі вакуолі, а потім виділяється з них назовні.

Навпаки, клітини, що ростуть при високих концентраціях розчинених речовин, мабуть, не здатні підтримувати цитоплазму у більш розбавленому стані. Це було б можливо тільки в тому випадку, якщо б клітини були непроникні для води або безперервно здійснювали активне виділення розчинених речовин. Хоча внутрішньоклітинна середу мікроорганізмів за хімічним складом сильно відрізняється від зовнішньої, не відомо жодного виду, який був би здатний підтримувати всередині клітин загальну концентрацію розчинених речовин на більш низькому рівні, ніж у навколишньому середовищі (Кашнер Д., 1981).

Відомо, що багато внутрішньоклітинні компоненти мікроорганізмів потребують високих концентраціях Na + і К +. Білки галофили містять багато аспартату та глутамату, тобто вони більш «кислі», в білках встановлюються нові гідрофобні взаємодії, що призводять до більш щільної упаковці глобул. На поверхні клітин працює механізм «білкового щита» (S-шари), коли назовні експонуються СООН-групи амінокислот, що утримують Na +. Ці ж групи формують «гідратовану» оболонку клітин за рахунок електростатичного орієнтування диполів води. Галлофіли здійснюють активний транспорт іонів з клітки, таким чином підтримуючи певний «осмостаз». Також клітини іноді замінюють Na + на К +.

Для утримання води у цитоплазмі в умовах високої солоності у галофільних мікроорганізмів є різні механізми. Основним механізмом пристосування до осмотичного станом середовища служить синтез мікроорганізмами осмопротекторов (осмолітов, або сумісних розчинників) - низькомолекулярних органічних речовин, концентрація яких у цитоплазмі врівноважує зовнішній тиск (див. табл.1)

Таблиця № 1.

Сумісні розчинники (осмоліти)

в среде и не одинаков у разных микроорганизмов. Їх склад залежить від концентрації NaCl у середовищі і не однаковий у різних мікроорганізмів. До осмопротекторам відносяться деякі амінокислоти та їх похідні (глутамінова кислота, пролін), цукру (зокрема, трегалоза), гетероглікозіди, поліспірти, гліцин-бетаїн. При зниженій водної активності організм перебуває в умовах осмотичного стресу, що призводить до зменшення швидкості росту і зниження загальної кількості утвореною біомаси (Покровський В.І., 1999).

) основана на аккумуляции ионов К ⁺ . Адаптація до солоності у екстремально галофільних архей (порядок Halobacteriales) заснована на акумуляції іонів К ^+. Внутрішньоклітинна концентрація іонів може бути вище в 1000 разів, ніж у навколишньому середовищі, тобто ферменти галобактерій працюють в сольовому розчині. Подібна ж стратегія виявлена ​​у деяких еубактерій - Salinibacter и представителей порядка Haloanaerobiales . ruber і представників порядку Haloanaerobiales. Крім концентрації солей підвищений осмотичний тиск і низька активність води створюються високим вмістом органічних речовин. Пристосовані до таких умов організми називають осмофіламі - це спіроплазми, що розмножуються в нектарі квітів, міцеліальні гриби і дріжджі, що живуть у варення, сиропах, сухофруктах.

Для мікроорганізмів, що розвиваються на суші, велике значення має пристосування до сухості і контакту з повітрям. Умови водного стресу і небезпека висихання створюються на поверхні скель, каменів, дерев, різних споруд, в грунті, особливо грунті пустель. Основними механізмами захисту від висихання служить освіту слизових капсул або переживають клітин (суперечка, конідій, цист). Високу стійкість на повітрі виявляють багато мікобактерії з високим вмістом ліпідів в клітинній стінці. Типовими компонентами мікроценоза, що розвиваються на поверхні каменя і в грунті, є мікрококи, артробактери, нокардії, проактіноміцети і актиноміцети. У цілому грампозитивні бактерії актиномицетного лінії розглядають як континентальну гілка еволюції прокаріот, що пристосувалися до життя в наземних умовах (Бухарін О.В., 2005).

Життєздатність бактерій в умовах нестачі води визначається багатьма чинниками - температурою, реакцією середовища, складом сольового розчину і т. п. Причому бактерії з дрібними клітинами стійкіше, ніж з великими; коки стійкіше паличок; грампозитивні бактерії стійкіше до висушування, ніж грамнегативні і тим більше мікоплазми . Високою стійкістю до висушування мають мікобактерії, клітинні стінки яких містять велику кількість ліпідів. Суперечки не тільки бактерій, але й інших мікроорганізмів добре переносять висушування.

В умовах нестачі води деякі мікроорганізми обволікаються гідрофільними слизовими капсулами, які активно поглинають вологу. Бактерії, що живуть на коренях пустельних рослин, виділяють такі значні кількості гігроскопічної слизу, що забезпечують водою не тільки самих себе, а й рослини.

Існує припущення про те, що при нестачі води бактерії використовують метаболічну воду, що утворюється в клітці в результаті окислення органічної речовини киснем повітря. Так, з 1 кг глюкози мікроорганізм може отримати близько 600 г води по рівнянню

З ₆ Н ₁₂ 0 ₆ + 60 ₂ = 6С0 ₂ + 6Н ₂ 0

Стійкість до зневоднення у різних бактерій неоднакова. , внесенных в воздушно-сухую почву после выдерживания в течение месяца, снижается в 100 раз. Наприклад, чисельність життєздатних клітин Pseudomonas, внесених до повітряно-суху грунт після витримування протягом місяця, знижується в 100 разів. остается жизнеспособным в почве даже через десятки лет ее хранения в воздушно-сухом состоянии Выживаемость азотобактера обусловлена его цистами. У той же час Azotobacter залишається життєздатним у грунті навіть через десятки років її зберігання в повітряно-сухому стані Виживаність азотобактера обумовлена ​​його цистами. Цікаві дослідження, які показали, що водний стрес призводить до зростання вмісту актиноміцетів серед інших мікроорганізмів, які виявляються в грунті. Це пов'язано з більшою виживанням актиноміцетів в грунті в порівнянні з грибами і бактеріями. Отже, виживаність мікроорганізму в сухому грунті істотно зростає, якщо він здатний формувати ті чи інші стійкі форми. довольно чувствительны к водному стрессу, в то время как цисты азотобактера и споры актиномицетов проявляют значительную устойчивость к нему (Покровский В.И., 1999). Так, вегетативні клітини Pseudomonas досить чутливі до водного стресу, в той час як цисти азотобактера і спори актиноміцетів виявляють значну стійкість до нього (Покровський В.І., 1999).

Виживання актиноміцетів. Водний стрес призводить до зростання процентного вмісту актиноміцетів серед всіх життєздатних мікроорганізмів, що виявляються в природних грунтових пробах. Це зумовлено більшою виживанням актиноміцетів в грунті в порівнянні з грибами та істинними бактеріями. Стійкість актиноміцетів до зневоднення обумовлена ​​стійкістю суперечка.

Таким чином, ясно, що виживаність бактерій у грунті значно зростає, якщо даний організм утворює будь-які стійкі форми. Вегетативні клітини псевдомонаса мають надзвичайно високу чутливість до обезводнення, в той час як цисти азотобактера і спори актиноміцетів (Streptomyces) значно стійкіші.

Arthrobacter не має явно вираженої спочиває або захисної форми в циклі розвитку. Тут відіграє певну роль перехід з палочковидной у кулеподібну форму і назад, який зазнає Arthrobacter. Куляста форма клітин володіє більшою стійкістю до зневоднення, ніж паличкоподібна (Кашнер Д., 1981).

4. РЕАКЦІЇ МІКРООРГАНІЗМІВ НА ВАЖКІ МЕТАЛИ І токсичних речовин у навколишнє СЕРЕДОВИЩІ

Серед мікроорганізмів є форми, стійкі до дії загальних клітинних і метаболічних отруйних речовин (фенол, окис вуглецю, сірководень, тощо), окремі види мають здатність використовувати ці сполуки як джерел живлення. Вважають, що стійкість мікроорганізмів до токсичних речовин у багатьох випадках визначається плазмідами.

-факторы (от англ. resistance — устойчивость). R - факторы обусловливают устойчивость микроорганизмов к нескольким (девять и более) группам веществ — солям тяжелых металлов, а также антибиотикам, лекарственным веществам, и др. Гены, которые определяют устойчивость бактерий, могут находиться в транспозонах, способных перемещаться в разные участки хромосомы и на плазмиды. У виробленні стійкості бактерій до токсичних речовин беруть участь трансмісивні плазміди, що несуть гени множинної стійкості - R-фактори (від англ. Resistance - стійкість). R - фактори обумовлюють стійкість мікроорганізмів до кількох (дев'ять і більше) груп речовин - солей важких металів, а також антибіотиків, лікарських речовин, та ін Гени, які визначають стійкість бактерій, можуть перебувати в транспозона, здатних переміщатися в різні ділянки хромосоми і на плазміди. Поширенню множинної стійкості бактерій сприяє комбінація трансмісивною плазміди з транспозонов.

— напряжение) воздействий. Вплив на мікроорганізми токсичних речовин у невеликих концентраціях, що не викликають їх загибелі, розглядають як один з варіантів стресових (від англ. Stress - напруга) впливів. У таких умовах включаються спеціальні механізми клітинного метаболізму, які забезпечують виживання бактерій (Бухарін О.В., 2005).

Мікроорганізми по-різному реагують на важкі метали в залежності від виду мікроорганізму і концентрації важких металів у середовищі. Це справедливо також для миш'яку і сурми. Всім мікробам в якості компонентів харчування необхідні ті чи інші важкі метали, такі, як Со, Сі, Fe, Мп і Zn. Деякі мікроорганізми потребують також Мо, V та Ni. Всі ці метали беруть участь в основному в ферментативному каталізі і повинні бути присутніми у живильному середовищі лише в дуже низьких концентраціях, звичайно порядку кількох мікрограмів на один літр. Ряд мікроорганізмів здатний здійснювати активний транспорт деяких з цих елементів усередину клітини. Існують бактерії і гриби, які виробляють спеціальні хелатобразующіе речовини, що полегшують проникнення заліза в клітину при нейтральних значеннях рН. Це проникнення відбувається в результаті активного транспорту хелатного заліза і розпаду хелату після його перенесення через плазматичну мембрану. Навіть токсичний іон арсената може проникнути в клітину шляхом активного транспорту, як у випадку Saccharomyces cerevisiae.

Будь-який з металів, а також миш'як або сурма у досить високих концентраціях стають токсичними для мікроорганізмів. Прояви цієї токсичності можуть бути різними, наприклад зміна морфології клітин або клітинного метаболізму, бактеріостаз або загибель клітин. У деяких випадках виникають більш толерантні до важкого металу, миш'яку або сурмі резистентні штами, тобто такі, для впливу на які необхідна більш висока концентрація токсичної речовини, ніж для впливу на батьківські штами. Зазвичай ця резистентність обумовлена ​​генетичними модифікаціями, часто пов'язаними з плазмідами, а іноді - з статевим фактором або з хромосомами. Причиною підвищеної резистентності може бути зменшення проникності клітини для токсичної речовини або його біохімічне знешкодження. SO4. Показано, що виняткова резистентність Scytalidium до міді (витримує концентрацію CuS04 до 1 М) обумовлена ​​кислою реакцією середовища (рН від 2,0 до 0,3) і нездатністю іонів міді проникати в клітини при таких значеннях рН, оскільки при реакції середовища, близької до нейтральною, гриб стає чутливим до 4 • 10-5 М C u SO4. Одні мікроби знешкоджують важкі метали, миш'як або сурму, виробляючи речовини, що реагують із зазначеними елементами всередині клітини (наприклад, при метилюванні ртуті чи миш'яку) або поза її, тобто роблять їх недоступними для асиміляції мікробом (наприклад, осадження арсената або арсенита іонами заліза в процесі окислення арсенопіріта за участю Thiobacillus ferrooxidans). Інші мікроорганізми нейтралізують токсичні з'єднання, перетворюючи їх ферментативним шляхом у менш шкідливі (прикладом може служити відновлення HgCl2 до HgO. Фізіологічний стан організму також визначає його чутливість до інтоксикації важкими металами, миш'яком або сурмою.

Механізм токсичної дії важких металів, миш'яку і сурми залежить від природи з'єднання і розглянутого організму. Одні елементи, такі, як Сі, зв'язуються в основному з клітинної поверхнею, де і локалізуються викликаються ними ушкодження. Інші елементи, наприклад Hg, проникають всередину клітини, де зв'язуються з певними функціональними групами, зокрема з SH-групами, інактівіруя таким чином життєво необхідні молекули, такі, як молекули ферментів, або відкладаються в металевій формі. Існують також додаткові механізми токсичної дії важких металів, миш'яку та сурми, зумовлені тим, що останні можуть: 1) грати роль антиметаболітів; 2) утворювати стабільні опади або хелати з важливими метаболітами або каталізувати розпад таких метаболітів, в результаті чого вони стають недоступними для клітини ; 3) заміщати структурно чи електрохімічно важливі елементи, що призводить до порушення ферментативної або клітинної функції.

Одні мікроби окислюють відновлені форми важких металів та сполук миш'яку чи сурми, в той час як інші відновлюють окислені форми цих елементів у великих масштабах. При окисленні відновлених сполук металів принаймні деякі мікроорганізми можуть отримувати корисну енергію і відновлює здатність. При відновленні окислених сполук металів ряд мікробів здійснює процес, який є, мабуть, своєрідною формою дихання, характеризується тим, що окислені сполуки металів, миш'яку або сурми служать частково або виключно в якості кінцевих акцепторів електронів. Такі реакції окислення і відновлення можуть мати фундаментальне значення в перерозподілі цих елементів у середовищі.

У табл. 2 перераховані мінерали, багато з яких асоційовані з рудами, що піддаються дії мікроорганізмів.

Таблиця № 2.

Деякі природні мінерали, що містять метали і зазнають впливу мікроорганізмів

Мікроби здатні концентрувати важкі метали всередині клітин або на їх поверхні. Відомі такі співвідношення концентрацій різних металів, які містяться в морській воді і планктоні: кадмій-1: 910, кобальт-1: 4600, мідь-1: 7000, залізо - 1: 87 000, свинець - 1:41 000, марганець - 1: 9400, титан-1:20 000 і цинк-1: 65 000. Загалом кінцева концентрація металу всередині клітини може бути на кілька порядків вище його концентрації в навколишньому середовищі. В одних випадках накопичення відповідних сполук виявляється летальним, а в інших - ні. На поглинання іонів металів можуть впливати фізіологічний стан клітин і умови навколишнього середовища.

Більш стійкі до дії хімічних речовин з неспороутворюючих кулясті форми. Паличкоподібні і покручені форми мікробів при інших рівних умовах швидше гинуть.

Спори майже не містять вільної води, мають щільну подвійну оболонку, тому відрізняються більш високою стійкістю до дії хімічних речовин. Таким чином, дія хімічних речовин залежить від складу, концентрації, експозиції, температури та інших факторів (Асонов Н.Р., 1997).

Кислі стічні води шахт є прикладом умов навколишнього середовища з виключно високими концентраціями важких металів, а також, можливо, миш'яку і сурми, токсичними для багатьох мікроорганізмів. Тим не менше, в цих стічних водах була виявлена ​​змішана мікрофлора, що складається з водоростей, грибів, найпростіших та бактерій, яка, мабуть, специфічно адаптувалася до таких умов.

Викладене вище показує, що в деяких мікроорганізмів виробилися специфічні механізми взаємодії з важкими металами, миш'яком і сурмою, присутніми у навколишньому середовищі, іноді в концентраціях, які токсичні для багатьох інших мікробів і вищих форм життя. Мікроорганізми можуть використовувати ці речовини як джерела енергії або акцепторів електронів у процесі дихання. У ряді випадків у мікробів виробилися способи видалення цих речовин із середовища шляхом їх осадження, адсорбції або випаровування. Ці реакції вносять внесок у детоксикацію середовища, яка стає більш придатною ие тільки для мікробів, що каталізують такі реакції, але і для інших організмів, які можуть розвиватися без подібної «допомоги» (Кашнер Д., 1981).

4. ЖИТТЯ МІКРООРГАНІЗМІВ В УМОВАХ ІНТЕНСИВНОГО ОПРОМІНЕННЯ

Стимулом для дослідження реакції мікроорганізмів на опромінення послужило прагнення вирішити проблеми, пов'язані з небезпекою радіації для людства. Добре відомо, що випромінювання різних типів мають потенційну здатність чинити на живі організми руйнівний вплив.

Однак, якщо не говорити про високих дозах, випромінювання у зовнішньому середовищі носять такий характер, що для будь-якої клітини існує певна ймовірність уникнути пошкодження. Виходячи з цього, можна було б припустити, що одноклітинним організмам вдається вийти з небезпечного становища завдяки тому, що вони дуже швидко розмножуються. Тим не менше це, мабуть, не так, оскільки у них виробилися додаткові засоби захисту від летального або шкідливого впливу опромінення. Одноклітинні організми своєму розпорядженні безліч захисних механізмів, причому багато видів використовують не один, а більше число способів боротьби з радіаційними ушкодженнями.

Клітинні механізми захисту від ушкоджуючої дії радіації настільки широко поширені у мікроорганізмів, що важко оцінити небезпеку, яку становить для них цей фактор середовища. Тільки тоді, коли захисні механізми чому-небудь не діють, стають очевидними реальні розміри небезпеки, що виходить в основному від короткохвильової частини сонячного спектру. Не дивно тому, що початок з'ясуванню природи радіорезистентності було значною мірою покладено виявленням радіаційно-чутливих мутантів. Такі мутанти не тільки дозволили виявити небезпеку радіації, але і послужили засобами для дослідження механізмів, що стримують цю небезпеку.

Інактивація клітин, викликане опроміненням у відносно низьких дозах, обумовлена ​​головним чином пошкодженням ДНК. Цей висновок підтверджується тим, що у прокаріот більшість вивчених радіаційно-чутливих мутантів дефектні за функціями, які мають відношення до ДНК. Крім того, дослідження таких мутантів показало, що резистентність зазвичай досягається не в результаті захисту ДНК від індукції пошкодженні, а скоріше завдяки дії механізмів, репаруючу ДНК після того, як пошкодження виникли.

Адаптація мікроорганізмів до високих доз випромінювань заснована на механізмах, які беруть участь у виправленні пошкоджень, викликаних опроміненням. Відомі три незалежні системи репарації пошкоджень ДНК, індукованих опроміненням. Одна з них являє собою зворотну фотохімічну реакцію, яка відбувається під дією видимого світла і фотореактівірующего ферменту; друга - вирізання та заміщення пошкодженої ділянки ДНК до її реплікації, а третя - постреплікатівную репарацію. Перший зі згаданих механізмів діє тільки на піримідинові димери, індуковані іонізуючим випромінюванням. Багато організмів для захисту від несприятливого впливу радіації використовують всі три системи. Незважаючи на те, що репаративні механізми є у всіх досліджених у цьому відношенні мікроорганізмів, останні різняться за своєю здатністю переносити опромінення. Найяскравіший приклад такої варіабельності - винятково висока резистентність М. radiodurans та споріднених йому видів.

Парадоксально, але один з наслідків опромінення - виникнення мутацій - може дати організму перевагу при відборі. Тому є підстави припускати, що з еволюційної точки зору для організму вигідно встановлення деякої рівноваги між резистентністю і чутливістю до радіації, можливо, саме з цієї причини захист ніколи або майже ніколи не буває повною. Слід очікувати, що співвідношення між чутливістю і резистентністю до опромінення неоднаково в різних організмів, і дійсно, серед різних видів спостерігається виключне різноманітність за ступенем їх резистентності до летального і мутагенного дії опромінення. Таке розмаїття створює великі можливості для дослідження явищ резистентності та чутливості організмів до радіації.

Клітинні механізми, що забезпечують радіорезистентність, можна розділити на дві великі групи. До першої відносяться системи, що запобігають виникненню ушкоджень у клітці. Друга включає механізми, які відновлюють (репаруючу) пошкодження в ДНК, індуковані опроміненням. У цьому огляді будуть розглянуті обидва аспекти радіорезистентності, але другому з них - репарації - в даний час приділяється значно більше уваги і відповідно він буде обговорюватись тут більш детально. Дослідження в цій області були стимульовані одним дивним відкриттям: з'ясувалося, що принаймні деякі з шляхів репарації більш-менш незалежні від основних процесів клітинного метаболізму. Тому виявилося можливим виділити дефектні штами, в яких порушена система репарації індукованих опроміненням ушкоджень, але які тим не менш залишаються життєздатними. Такі мутанти чутливі до опромінення і як генетичних інструментів виявляються виключно корисними у дослідженні клітинних механізмів репарації. Роботи в цій області суттєво поглибили розуміння природи радіорезистентності.

Діапазон доз опромінення, якому мікроорганізми можуть піддаватися епізодично або постійно, значно розширився в останні роки у зв'язку зі створенням штучних джерел радіації. У результаті цього мікроорганізми стали відчувати вплив підвищеного рівня радіації в навколишньому середовищі. Реакція на такий вплив представляє як практичний, так і науковий інтерес. Наприклад, при використанні високих доз опромінення для стерилізації їжі виникає проблема, пов'язана з можливістю індукції або селекції радіорезистентність мікроорганізмів, що може мати несприятливі наслідки.

Випромінювання в навколишньому середовищі підрозділяється на іонізуюче та неіонізуюче. Обидва види небезпечні для мікроорганізмів, але із усіх природних випромінювань неіонізуючих сонячна радіація володіє найбільшим потенціалом біологічно шкідливого впливу.

Одним з найбільш резистентних до ультрафіолетового випромінювання мікроорганізмів є Bodo marina, що відноситься до морських жгутиковим.

Для інактивації 90% клітин цього організму потрібно доза 112 000 ерг-мм-2. Відзначено, що найпростіші взагалі більш резистентні до опромінення, ніж бактерії (дози, инактивирующие 90% клітин, коливаються від 5000 до 12 000 ерг-мм-2 для найпростіших і від 4 до 250 ерг-мм-2 для бактерій). Резистентність різних видів бактерій варіює в дуже широких межах (Камшілов М.М., 1974).

У відношенні резистентності організмів до іонізуючого випромінювання спостерігається схожа картина. Так, дози, що вбивають 50% клітин в культурах Є. coli, дріжджів, амеби, В. mesentericus і інфузорій зростають від 5600 до 350 000 Р.

Є кореляція між резистентністю організму і рівнем радіації в середовищі її проживання. Так, мікроорганізми, виділені з радіоактивних мінеральних джерел, в 3 - 10 разів більше резистентні до радіації, ніж організми тих же видів, виділені з нерадіоактивних води.

Виявлено вид Pseadomonas, що мешкає в ядерних реакторах, де середня доза випромінювання, мабуть, перевищує 106 Фер (фізичний еквівалент рентгена).

У зв'язку з такими випадками явною адаптації мікроорганізмів до радіоактивного випромінювання було піднято питання про те, наскільки ймовірною є поява радіорезистентність організмів при використанні опромінення для стерилізації. Дійсно, Micrococcus radiodurans, що володіє найбільш високою радіорезистентність з усіх вивчених бактерій, був спочатку виявлений в консервованому м'ясі, яке піддавалося Y-опроміненню в дозі кілька мрад. Цей організм може переносити дози опромінення до 500 кради без будь-якої помітної інактивації (Кашнер Д., 1981).

Більш стійкі до випромінювання грампозитивні мікроби і менш стійкі грамнегативні. Підвищена стійкість до випромінювань відзначена у клостридій ботулізму: вони гинуть тільки після впливу на них дозами в 25-40 кГр. Для досягнення стерильності в деяких випадках необхідно випромінювання в 50 кГр. Стійкі до випромінювання і рикетсії; їх стійкість приблизно така ж, як і у суперечку бацил.

Деякі мікроби (збудник сибірської виразки, кишкова паличка і ін) набувають стійкості до випромінювань. Після декількох опромінень вона у них підвищується в два або більше разів (Асонов Н.Р., 1997).

6.1 Захисні механізми

Одним з універсальних механізмів адаптації до світлового випромінювання високої інтенсивності та захисту від токсичних форм фотосенсібілізірованного кисню є синтез каротиноїдних пігментів. Характерним прикладом може служити яскраве забарвлення мікроорганізмів, що живуть в умовах високої освітленості (в повітрі, на поверхні скель, відслонень гірських порід, у високогір'ї і т.д.) (Заварзін Г.А., 2001).

Ранні дослідження радіаційної резистентності були направлені в першу чергу на пошуки внутрішньоклітинних речовин, що захищають організм від пошкоджень. У цей час увага дослідників концентрується в основному на механізмах, тим чи іншим способом виправляють пошкодження в ДНК, індуковані опроміненням. Ці механізми мають важливе значення. Проте видається ймовірним, що певну допоміжну роль грають і захисні механізми.

Для радіорезистентність організмів зазвичай характерна посилена пігментація, що найчастіше є причиною резистентності. Пігменти діють як «енергетичні пастки», що перешкоджають радіації або її продуктів досягати ДНК або будь-яких інших життєво важливих мішеней.