Лысак В.В. - Микробиология

Структурные гены

ром и активирует его. Активированный апорепрессор (апорепрессор + корепрессор) присоединяется к оператору и подавляет транскрипцию структурных генов триптофанового оперона. Синтез триптофана прекращается.

Установлено, что отсутствие активированного репрессора вызывает примерно 70-кратное увеличение актов инициации транскрипции. Но даже в условиях репрессии структурные гены сохраняют низкий уровень экспрессии. Для того чтобы понизить уровень транскрипции в присутствии триптофана в еще большей степени, в клетках бактерий E. coli имеется дополнительный механизм регуляции транскрипции, который называется аттенуацией, в осуществлении его принимает участие продукт гена trpL. В условиях избытка триптофана только одна из десяти молекул РНК-полимеразы, начавшая транскрибирование с промотора, взаимодействует со структурными генами и продолжает транскрипцию. Таким образом, действие аттенуатора проявляется в терминации транскрипции, а сам процесс аттенуации классифицируется как регулируемая терминация транскрипции.

trpR		Р O trpL trpE trpD	trpC	trpB	trpA

А

иРНК

Апорепрессор (неактивный репрессор)

Структурные гены

trpR

Р O trpL trpE trpD

trpC

trpB

trpA

Б

Апорепрессор Корепрессор

Рис. 81. Работа триптофанового оперона бактерий E. coli:

А – нет триптофана; Б – избыток триптофана

Установлено, что в отличие от репрессии, аттенуация зависит не от самой аминокислоты, а от образования триптофанил-тРНК, т. е. активированной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК.

258

При уменьшении внутриклеточной концентрации триптофана сначала осуществляется дерепрессия. Это значит, что образуется возможность связывания молекул РНК-полимеразы с промотором Trp-оперона. При более глубоком голодании снижается уровень триптофанил-тРНК и возникают условия для преодоления аттенуатора.

Таким образом, и в случае индукции путем негативной регуляции (Lac-оперон), и в случае репрессии синтеза ферментов (Тrp-оперон) взаимодействие репрессора с оператором приводит к подавлению транскрипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в том, что при индукции путем негативной регуляции эффектор (индуктор), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство репрессора к оператору, а в случае репрессии эффектор (корепрессор) повышает это сродство.

259

Глава 8. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ДРУГ С ДРУГОМ И С МАКРООРГАНИЗМАМИ

8.1.Взаимоотношения между микроорганизмами

Вприродных условиях микроорганизмы образуют сложно взаимодействующие между собой популяции, среди которых еще С. Н. Виноградский выделил два типа: автохтонные (местные) и аллохтонные (зимогенные). Автохтонные микроорганизмы обычно встречаются в данной экосистеме в значительных количествах, которые относительно постоянны во времени. Аллохтонные микроорганизмы – нетипичные представители данной экосистемы. Их численность подвержена значительным колебаниям, зависящим от наличия источников питания, или ограничена действием других лимитирующих факторов. Биоценозы, в состав которых входят только представители микрофлоры, называются микробоце-

нозами.

При исследовании микробоценозов существуют специфические методы определения как минимум двух их особенностей, позволяющие проводить количественный анализ и определять видовое разнообразие.

Для количественной оценки прежде всего используются методы прямого подсчета клеток микроорганизмов под микроскопом. Основное достоинство метода – простота выполнения, однако во многих природных материалах (вода, почва) клетки микроорганизмов прикреплены к частицам детрита и плохо различимы при микроскопии. В последнее время для окрашивания используют флуоресцирующие красители, специфически связывающиеся с биополимерами клетки, обычно белками или нуклеиновыми кислотами, и обеспечивающие свечение клеток. Красители другого типа начинают флуоресцировать только в том случае, если претерпевают метаболическую модификацию внутри клетки, т. е. они позволяют выявить только физиологически активные клетки, которые могут быть обнаружены также с помощью радиоизотопных методов, методов стабильных изотопов и т. п.

Численность клеток в микробоценозах можно определить чашечным методом Коха (микробиологическим), позволяющим одновременно по-

260

лучить чистую культуру бактерий и начать ее фенотипическую характеристику. Однако нельзя не отметить, что данный метод эффективен только при высокой плотности клеток того или иного типа. Следует помнить, что микроорганизмы имеют различные требования к составу среды или физическим условиям выращивания, и для более полного их выявления применяют параллельные высевы на среды различного состава. Клетки жизнеспособных микроорганизмов можно также определить количественно методом предельных разведений. В настоящее время разработано более тысячи питательных сред для выявления бактерий, грибов, водорослей, простейших, как аэробных, так и анаэробных. Однако несмотря на это, микробиологический метод имеет весьма ограниченное применение, так как только около 0,1–1 % клеток микробного сообщества могут формировать колонии даже на средах, максимально соответствующих природным условиям. Кроме того, в микробиологию была введена и получила повсеместную поддержку гипотеза о так называемых

некультивируемых формах бактерий (НФБ). Предполагается, что мно-

гие неспорообразующие бактерии могут переходить в особое состояние, при котором они уже не регистрируются методами посева, но не погибают и могут быть выделены и учтены только после специальных воздействий. В природе они ведут активный образ жизни, патогенные формы сохраняют вирулентность по отношению к животным и человеку.

При изучении особенностей поведения микроорганизмов в природных популяциях существенное значение имеет определение связей между отдельными членами сообщества и взаимодействия сообщества с окружающей средой. Современным подходом для этого являются методы, основанные на достижениях молекулярной биологии, которые в применении к микробоценозам позволили сформировать новое направление – молекулярную экологию, изучающую генотипическое разнообразие всех представителей определенного природного сообщества. Принцип молекулярной экологии – изучение биоразнообразия без выделения микроорганизмов, а только на основании анализа отдельных элементов их генетического материала.

Взаимоотношения между микроорганизмами могут быть разделены на симбиотические и конкурентные (антибиоз).

Симбиотические взаимоотношения, возникающие между микроор-

ганизмами, и в которых хотя бы один из них извлекает выгоду, иногда называют кооперацией. Это более редкая форма взаимоотношений, чем конкуренция. При наибольшей степени связей (кооперации) говорят о формировании консорциума – структурированной симбиотической ассо-

261

циации двух или более видов, предполагающей тесную интеграцию их метаболизма.

В результате симбиотических связей приобретается возможность выигрыша в борьбе за существование у одного или всех его членов. Основой для возникновения симбиозов могут быть трофические, пространственные, защитные или другие типы связей. Границы между различными типами симбиозов часто трудно различимы, а разные формы симбиотических взаимоотношений могут переходить друг в друга.

Типы симбиозов классифицируют по нескольким признакам:

•по обязательности симбиотической связи выделяют факультативный (каждый организм может существовать самостоятельно) и облигатный (один или оба партнера крайне зависимы друг от друга и не могут развиваться отдельно);

•по расположению партнеров различают экзосимбиозы и эндосимбиозы;

•по характеру образующихся взаимоотношений выделяют собственно симбиоз, метабиоз, сателлитизм и синергизм.

Собственно симбиоз – такой тип взаимоотношений между микроорганизмами, когда два или более их вида при совместном развитии создают взаимовыгодные условия для развития друг друга. Примером собственно симбиоза являются взаимоотношения цианобактерий и микроскопических грибов, наблюдающиеся в лишайнике. Оба организма – и цианобактерии, и грибы – способны к самостоятельному существованию, но только в условиях чрезвычайного дефицита питательных веществ и крайних пределах увлажнения или высыхания формирующаяся их ассоциация приводит к взаимному выигрышу. Польза, получаемая грибом от симбиоза в таких условиях, очевидна: он использует продукты метаболизма цианобактерий как источник органических питательных веществ. Кроме того, цианобактерии способны фиксировать атмосферный азот, который используется и грибом. Вклад гриба в ассоциацию состоит в том, что он облегчает поглощение воды и минеральных веществ, а также защищает фотосинтезирующего партнера от высыхания и избыточной интенсивности света.

Метабиоз – тип взаимоотношений, при котором пользу из них извлекает только один партнер, не причиняя вреда другому; чаще всего один организм развивается за счет продуктов жизнедеятельности другого, как бы продолжая начатый им процесс. Например, аммонифицирующие бактерии разлагают органические азотсодержащие соединения с образованием аммиака, который является субстратом для развития нитрификатов. Последние окисляют аммиак до нитритов и нитратов, выступающих ак-

262

цепторами электронов при нитратном дыхании денитрифицирующих бактерий. Аналогичные взаимоотношения возникают между группой целлюлозоразрушающих бактерий и азотобактером, который не обладает способностью использовать клетчатку, но прекрасно развивается за счет глюкозы и органических кислот, образующихся при ее разложении целлюлозоразрушающими бактериями. Таким образом, часто метабиотические отношения микроорганизмов лежат в основе круговорота биогенных элементов в природе.

Сателлитизм является разновидностью метабиоза, при которой развитие одного микроорганизма стимулируется другим за счет выделения последним факторов роста (витамины, аминокислоты, азотистые вещества). Так, сарцины, продуцирующие различные витамины и аминокислоты, способствуют росту и размножению уксуснокислых бактерий, которые более требовательны к содержанию и составу субстрата.

При синергизме члены ассоциации стимулируют развитие друг друга за счет выделения продуктов жизнедеятельности. Примером синергизма могут служить взаимоотношения между молочнокислыми бактериями и дрожжами в кумысе, хлебном квасе, кислом ржаном тесте. Бактерии образуют молочную кислоту, которая создает кислую среду, благоприятную для развития дрожжей. Кроме того, молочная кислота служит хорошим источником углеродного питания. В свою очередь дрожжи стимулируют развитие молочнокислых бактерий, устраняя избыток молочной кислоты и обогащая субстрат витаминами. Отмирающие клетки дрожжей содержат много белков, являющихся хорошим источником азота для бактерий. Сходные взаимоотношения можно наблюдать в чайном грибе, состоящем из уксуснокислых бактерий и дрожжей: образуемый дрожжами спирт бактерии используют в качестве энергетического субстрата, окисляя его до уксусной кислоты и создавая тем самым благоприятную для дрожжей кислую среду.

Конкурентные взаимоотношения предполагают невозможность сосуществования двух видов микроорганизмов, обусловленную борьбой за источники питания или другие факторы среды. Если организмам необходимы одинаковые ресурсы или другие факторы среды, их конкуренция называется пассивной. В том случае, когда один из микроорганизмов подавляет развитие другого за счет образования продуктов обмена, говорят об активной конкуренции. Среди конкурентных взаимоотношений выделяют антагонизм, хищничество и паразитизм.

Антагонизм как форма конкурентных взаимоотношений может возникать:

263

•при совместном развитии микроорганизмов разных видов, нуждающихся в одних и тех же питательных веществах. Активно размножающиеся клетки первыми поглощают питательные вещества и занимают пространство. Например, флуоресцирующие псевдомонады за счет синтеза сидерофоров поглощают ионы железа, тем самым ограничивая рост других бактерий;

•образовании микроорганизмами веществ (органические кислоты, спирты и др.), которые изменяют среду, делая ее непригодной для развития других микроорганизмов. Характерным примером являются взаимоотношения между молочнокислыми и гнилостными бактериями в молоке. Парное молоко содержит 94–96 % гнилостных бактерий и только 4–6 % молочнокислых. Однако через 24–26 ч картина изменяется. Молочнокислые бактерии, продуцирующие молочную кислоту, подавляют развитие гнилостной микрофлоры и сводят ее содержание до минимума;

•продуцировании веществ, обладающих бактерицидным или бактериостатическим действием по отношению к другим микроорганизмам (антибиотики, бактериоцины).

Хищничество – форма взаимоотношений, при которых одна группа микроорганизмов использует клетки других в качестве питательного субстрата. Это редко встречающийся тип взаимоотношений у микроорганизмов. Между хищником и жертвой существуют только пищевые, но не пространственные отношения. Примером могут служить миксобактерии, лизирующие с помощью выделяемых ими экзоферментов бактерии других видов. Образующиеся при этом питательные вещества используются ими для жизнедеятельности. Примеры хищничества наиболее часто наблюдаются между протистами и бактериями, например амебы поедают бактерии E. coli.

Паразитизм как форма взаимоотношений предполагает существование одного вида (паразита) в клетках другого (хозяина) и использование его как источника питания и среды обитания. Хозяин для паразита является средой обитания первого порядка, именно через хозяина происходит регуляция взаимоотношений паразита с внешней средой. Отсюда следует основное отличие паразитизма от других типов биотических связей: опосредованное влияние на состояние экосистем не за счет трофических, а за счет патогенных их воздействий на популяции хозяина. Примером таких взаимоотношений в мире микроорганизмов могут служить бактериофаги, не способные к активному существованию вне бактерии-хозяина. В 1963 г. Г. Стольп и М. Старр описали бактерий-паразитов Bdellovibrio bacteriovorus (впоследствии были описаны и бактерии-паразиты других родов: Micаvibrio, Vampirovibrio). Это очень мелкие грамотрицательные

264

бактерии с одним полярным жгутиком, покрытым чехлом. Они являются облигатными аэробами и облигатными паразитами, живущими в периплазматическом пространстве других грамотрицательных бактерий (хотя в качестве редких вариантов могут возникать и независимые от хозяина штаммы).

Жизненный цикл бактерий рода Bdellovibrio необычен. Он начинается с энергичного столкновения паразита с клеткой хозяина: скорость движения клеток бделловибрионов так велика, что во много раз превышающая по размерам клетка хозяина по инерции проходит после толчка значительное расстояние. Паразит сразу же прикрепляется к клеточной стенке хозяина безжгутиковым концом и начинает вращаться вокруг своей длинной оси со скоростью, превышающей 100 об/с. Вскоре после этого клетка хозяина округляется. В клеточной стенке в месте прикрепления паразита появляется отверстие, и клетка бактерий рода Bdellovibrio проникает в периплазматическое пространство. Проникновение происходит за счет того, что клетка паразита синтезирует ферменты протеазы, липазы и лизоцимоподобную мурамидазу. Кроме того, активное вращение клетки бделловибриона вносит вклад в общий процесс проникновения паразита в клетку хозяина в результате эффекта механического сверления. Бделловибрион, потерявший жгутик в процессе проникновения в клетку хозяина, начинает цикл развития в периплазматическом пространстве. Цитоплазматическая мембрана становится пористой и пропускает клеточные компоненты, служащие питательными веществами для паразита. Бделловибрион превращается в нить, длина которой в несколько раз превышает первоначальную клетку. На завершающей стадии эта нить фрагментируется на клетки, имеющие жгутики. Весь процесс размножения занимает около 4 ч. К этому времени клетка хозяина подвергается дальнейшему разрушению, и потомство бделловибриона легко освобождается. На поверхности твердой среды, покрытой газоном кле- ток-хозяев, клетки бделловибриона дают пятна лизиса, внешне сходные со стерильными пятнами или бляшками, которые образуются при фаговой инфекции. Бделолвибрионов можно выявить в самых разных природных материалах. Они найдены в образцах почвы из многих географических частей света, в сточных водах, в пресноводных водоемах и морях. С этими микроорганизмами связывают самоочищение вод.

8.2. Взаимоотношения микроорганизмов с макроорганизмами

Характер взаимоотношений микроорганизмов с различными макроорганизмами определяется посредством формирования соответствующих

265

биотических связей, причем один многоклеточный организм вступает в связь с несколькими микроорганизмами одновременно.

Тесное сожительство микроорганизмов с растениями и животными в широком смысле называется симбиозом (от греч. symbiosis – совместная жизнь). При длительном сосуществовании между микро- и макроорганизмом происходит процесс их совместной коэволюции. Это приводит к увеличению генетической пластичности популяции, переносу генов и т. п. На примере энтеробактерий показано, что в симбиотических популяциях их клетки более разнообразны, чем в свободноживущих. Также показано, что хозяин обычно оказывает более сильное влияние на структуру популяций микросимбионта, чем условия внешней среды.

Впопуляциях микросимбионтов наблюдается одновременное присутствие клеток как симбиотически активных, так и асимбиотических. Такое явление получило название экотипического полиморфизма и связано

сналичием или отсутствием «симбиотических генов», которые могут быть компактно локализованы на хромосомах, образуя «островки патогенности», или находиться на специальных плазмидах.

Вряде случаев симбиоза микробные клетки дифференцированы на две формы: участвующие в образовании симбиоза и ответственные за размножение популяции. Кроме того, в симбиозах у микроорганизмов проявляются свойства и признаки, не нужные для них самих, но повышающие жизнеспособность хозяина. В силу совместной коэволюции облигатные симбионты не способны развиваться вне организма-хозяина. Особенностью симбиозов между микро- и макроорганизмами следует считать также общий поток энергии, совместную регуляцию экспрессии генов и наличие взаимной передачи физиологической, клеточной, организменной информации через различные регуляторные системы.

Если говорить об относительной пользе, извлекаемой партнерами из симбиоза, то можно выделить несколько его видов:

• мутуализм или взаимовыгодный симбиоз;

• паразитизм – один из партнеров по симбиозу испытывает вредное

воздействие другого;

• комменсализм – микроорганизмы питаются за счет своего хозяина, не нанося ему особого ущерба.

Между видами симбиоза существуют переходные формы взаимоотношений. Иногда трудно определить, является ли данный тип взаимоотношений мутуалистическим или паразитическим. Степень пользы или вреда, получаемого каждым из партнеров можно оценить, сравнив состояние двух партнеров при независимом существовании с их состоянием при жизни в ассоциации. Кроме того, природа взаимоотношений мо-

266

жет изменяться при смене условий окружающей среды, так что взаимоотношения, начавшиеся как взаимовыгодные, могут стать паразитическими, и наоборот.

При тесном сожительстве микроорганизмов с макроорганизмами могут складываться также различные пространственные отношения. Если микроорганизм находится вне клеток макроорганизма, то говорят об эк- зосимбиозе, а если внутри клеток и тканей – об эндосимбиозе. Макроорганизм обычно называют хозяином.

Рассмотрим примеры взаимовыгодных, или мутуалистических, взаимоотношений, относящихся к типу эндосимбиозов, при которых клетки микроорганизмов находятся в клетках и тканях макроорганизма.

Одним из них является симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями. Давно известно, что плодородие сельскохозяйственных земель можно поддерживать путем севооборота. Если определенный участок почвы из года в год засевать злаками, такими, как пшеница или ячмень, его продуктивность начинает снижаться. Однако ее можно восстановить, посеяв на данном участке какое-либо бобовое растение, например клевер или люцерну. Известно также, что на корнях бобовых растений образуются особые клубеньковые структуры, или наросты (рис. 82).

Рис. 82. Клубеньки на корнях бобовых растений (симбиоз с Rhizobium sp.)

Эти клубеньки напоминают галлы, образующиеся на побегах некоторых растений в результате их повреждения насекомыми. Однако насекомых в

267