ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 40, № 4, с. 387-397
УДК: 576.8.098/577.1
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ФАКТОРЫ АДАПТАЦИИ БАКТЕРИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ УСЛОВИЯМ СРЕДЫ
© 2004 г. Ю. А. Николаев
Институт микробиологии РАН, 117811, Москва, e-mail: nikolaevya@mail.ru Поступила в редакцию 17.11.2003 г.
Рассмотрены сведения о внеклеточных соединениях бактерий, участвующих в их адаптации к неблагоприятным условиям среды: высоким и низким температурам, рост-ингибирующим и бактерицидным концентрациям токсичных веществ (окислители, фенолы, тяжелые металлы), антибиотиков, неблагоприятным значениям рН и солености. Идентифицированные соединения по химической природе относятся к разным типам, они представлены белками, углеводородами, органическими кислотами, нуклеотидами, аминокислотами, липопептидами, летучими соединениями. Большая часть таких соединений в настоящее время не идентифицирована, а свойства их изучены при использовании биотестов. Предлагается рассматривать внеклеточные факторы адаптации (ВФА), как новую группу биологически активных веществ. По механизму действия внеклеточные факторы адаптации можно разделить на несколько групп; протекторы (стабилизаторы); вещества сигнальной природы, являющиеся индукторами защитных механизмов клетки; регуляторы - не индукторы, (например, регуляторы адгезии); "противоядия" и нейтрализующего действия. Основными направлениями изучения ВФА являются поиск новых соединений (на основе биотестов), их идентификация и исследование механизмов действия. Внеклеточные факторы адаптации могут найти широкое практическое применение в биотехнологии, медицине, сельском хозяйстве и охране окружающей среды.
Адаптация бактерий к неблагоприятным условиям среды является традиционным и хорошо изученным разделом биохимии и микробиологии. Под адаптацией (лат. айаргагю - приспособление) понимают сумму физиологических, биохимических, морфологических и поведенческих реакций организма, направленных на изменение скорости роста, метаболизма, жизнеспособности (выживаемости) и генетически присущих организму. Адаптация направлена на выживание конкретной популяции и всего вида в целом. В учебниках по микробиологии, биохимии и теоретической биологии адаптация к неблагоприятным условиям среды рассматривается в разделах "фенотипичес-кая и генетическая адаптации" и "регуляция активности ферментов и их синтеза". Конкретные примеры адаптации многообразны и описаны в ряде обзоров и монографий, в основном с позиций биохимии и генетического контроля развития адаптивного ответа [1-6].
Кратко остановимся на терминологии, т.к. даже среди специалистов, работающих в этой области, отсутствует единство в употреблении конкретных терминов. В англоязычной литературе обычно говорят об адаптации как о развитии устойчивости к стрессам или шокам (кислотному, температурному, солевому и др.), понимая под стрессом давление, напряжение, нажим, другими словами - существенное изменение какого-то фактора - температуры, давления и т.п. "Шок"
означает удар, потрясение, толчок, т.е. резкое воздействие на организм, кратковременное по сравнению с длиной клеточного цикла и скоростью обычных адаптивных реакций, и значительное по интенсивности воздействия фактора.
В отечественной биологии существует иная терминология. Согласно Большому толковому словарю русского языка [7] "стресс - это состояние напряжения организма, защитная реакция, вызванная действием неблагоприятного фактора". Такое понимание согласуется с определением основоположника стрессологии Г. Селье, который трактовал стресс как неспецифический ответ организма на предъявленное ему требование [8]. В таком же значении стресс рассматривается в ряде обзоров [9-11]. Шок - это "реакция организма на сильное внешнее воздействие (а также его состояние после такого воздействия), характеризующаяся резким нарушением регуляции жизненных процессов" [7]. Таким образом, и стресс и шок - это состояние организма, характерная адаптивная реакция на воздействия, различающиеся дозой, интенсивностью и временем.
Правомочно коснуться вопроса о том, насколько состояние стресса является естественным, распространенным или анормальным. В таком случае следует обозначить, что принимается за норму. Постоянное изменение, развитие - неотъемлемые свойства биологических систем [12].
Изменения носят как векторный, однонаправленный характер, так и циклический. Соответственно, в развитии любой живой системы должны чередоваться фазы быстрого, оптимального развития и фазы подавленного, неоптимального. Исходя из этого, подавленные, лимитированные состояния следует считать естественным и даже неотъемлемым свойством жизни [8]. В таком случае, если принять за "норму" размножение микроорганизмов, увеличение их численности в фазе роста микробной культуры, то состояние клеток в лаг-фазе рассматривается как "стресс новой среды", требующий адаптивных приспособительных реакций. С другой стороны, истощение источников питания или критическое повышение плотности клеток в развивающейся культуре обусловливают "стресс голода", а стационарные клетки демонстрируют физиологическое приспособление культуры к неоптимальным для роста условиям. Такое рассмотрение стресса как нормального и даже способствующего развитию состояния культуры (организма) обусловлено и сочетается с циклическим характером того конкретного физического мира, в котором существуют земные организмы, где циклически изменяются температура, освещенность, влажность, давление, концентрации органических и неорганических соединений, напряженность физических полей, действие биотических факторов.
Принимая во внимание цикличность изменений окружающих условий, следует выделять в них: а) изменения, новые для конкретного этапа развития, но повторяющиеся в цикле развития и входящие в зону толерантности данного вида; б) выходящие за пределы такой зоны толерантности воздействия, неблагоприятные для роста и развития организма, часто биоцидные. Тогда, под адаптацией к каким-либо условиям будем понимать совокупность специфических морфологических, биохимических, физиологических и поведенческих реакций организма, развивающихся в ответ на данные условия и способствующих продолжению функционирования организма или направленные на повышение жизнеспособности (снижение смертности) в экстремальных условиях. В последнем случае речь идет не о продолжении метаболизма (микробной культуры) в конкретных неблагоприятных условиях (адаптации организма), а о сохранении популяции для следующего жизненного цикла в отдаленном будущем, при гибели части популяции (как правило, большей) и временной остановке в функционировании переживающих клеток.
В контексте обсуждаемой проблемы кратко остановимся на признаках стресса у микроорганизмов. При его констатации обязательно сравнение показателей состояния организма, которые наблюдаются в обычном, принимаемом за оптимальное (гомеостаз), и в стрессовом состоя-
нии. Значительное нарушение любого измеряемого показателя гомеостаза является показателем и признаком стресса. У микроорганизмов к показателям угнетенного, стрессового состояния относят: выход белка во внеклеточное пространство [13], потерю низкомолекулярных соединений клеткой вследствие повышения проницаемости цитоплазматической мембраны, повреждение рибосом, нуклеиновых кислот, уменьшение скорости потребления кислорода, снижение активности ферментов [10], накопление активных форм кислорода [14] и продуктов перекисного окисления липидов [13, 15], потерю частью клеток популяции способности образовывать колонии при росте на плотных питательных минимальных средах (т.е. снижение концентрации ко-лониеобразующих единиц, КОЕ) [10], замедление роста [16], торможение жизненной активности [17], агрегацию и адгезию. Обязательным признаком стрессового состояния является его обратимость, возможность возврата к нормальному функционированию при соответствующих изменениях среды.
Среди перечисленных признаков наиболее характерные и чаще всего используемые на практике два - снижение скорости роста и жизнеспособности клеток. Они представляются наиболее прямыми и адекватными показателями состояния стресса. Скорость роста - это интегральный показатель состояния микроорганизмов. Для клеток, растущих с определенной, максимальной для данных условий скоростью (ц.макс), ее снижение до какой-то более низкой величины цмин будет свидетельствовать о стрессовом состоянии микробов. Однако впоследствии рост с этой новой низкой скоростью может стать нормой в новых условиях. Дальнейшее ухудшение условий может привести к снижению ц до 0 или даже к гибели клеток. Начало гибели клеток свидетельствует об исчерпании адаптивных ресурсов отдельных клеток. Однако для популяции уменьшение количества клеток - процесс обратимый и гибель определенного количества отдельных клеток -вполне нормальное явление при том, что другая часть клеток сохраняет жизнеспособность, переходя в покоящееся состояние. Таким образом, снижение скорости роста и концентрации жизнеспособных клеток являются признаками стресса, но первый более характеризует состояние клеток, а второй - популяции. Большинство работ, посвященных адаптации бактерий к неблагоприятным воздействиям, оперирует именно этими двумя показателями.
Обзор ограничен, в основном, адаптацией активно растущих культур к неблагоприятным физико-химическим условиям среды, направленной как на поддержание активного состояния клеток, когда стратегия роста сохраняется, так и на сохранение популяции при смене стратегии роста
стратегией переживания. Адаптации микробных культур к таким условиям, как истощение питательных веществ, новые благоприятные условия, смена источников питания, часто сопряженным с онтогенезом культур (т.е. образованием и прорастанием покоящихся форм) не будут рассмотрены.
В настоящее время достаточно хорошо исследованы механизмы адаптации бактерий к высокой и низкой температурам, высоким концентрациям активных форм кислорода, солей, неионных веществ, высокой радиации, гидростатическому давлению [1-5], исчерпанию источников углерода, энергии и других ресурсов [6]. Основное внимание уделяется внутриклеточным из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.