Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

Увеличение концентрации

антибиотика

Сплошной рост

бакте

ий

Клоны, образованные клетками устойчивых мутантов, можно либо

повторно высеять штрихом по направлению к областям с более высокой

концентрацией антибиотика, либо использовать как исходный материал

для посева на другую среду с линейным градиентом концентрации анти-

биотика, причем в данном случае ингибитор берется в таком количестве,

чтобы его концентрация была в 2–5 раз

выше, чем в первой чашке.

После отбора устойчивых к антибиотику мутантов нужно проверить

уровень устойчивости, т. е. определить ту максимальную концентрацию

антибиотика, к которой клетки являются устойчивыми. Это делают сле-

дующим образом: в чашки с различными концентрациями антибиотика в

агаризованной среде засевают отобранный или выделенный мутант. По-

сле инкубации при оптимальной

для роста исследуемых бактерий темпе-

ратуре определяют концентрацию антибиотика, при которой еще наблю-

дается рост мутантных бактерий:

Контроль 10 мкг/мл 50 мкг/мл 100 мкг/мл 200 мкг/мл

и т. д

(без антибиотика)

Кроме селекции устойчивых мутантов на средах с градиентом кон-

центрации ингибитора, используют и другие методы. Например, на по-

верхность агаризованной питательной среды в чашке Петри, засеянной

исследуемыми бактериями, помещают диск фильтровальной бумаги,

пропитанной раствором антибиотика или другим каким-то бактерицид-

ным агентом. Антибиотик диффундирует в среду, в результате чего кон-

центрация

его линейно зависит от расстояния от диска. Рост бактерий

будет наблюдаться там, где концентрация антибиотика еще не ингибиру-

ет рост бактерий, вокруг диска может быть зона отсутствия роста бакте-

рий, в которой могут обнаруживаться отдельные колонии устойчивых

клеток:

188

Большинство типов мутантных клеток нельзя выявить методами пря-

мого отбора – это ауксотрофные мутанты, мутанты с измененной спо-

собностью к сбраживанию углеводов и некоторые условно-летальные

мутанты. Самым распространенным приемом непрямого выявления та-

ких мутантов являются случайный поиск соответствующих колоний и

метод перепечатывания колоний с одной чашки Петри на другую (метод

отпечатков

, или реплик). Оба приема требуют проверки свойств большо-

го числа бактериальных колоний, что утомительно и требует больших

затрат времени.

Одним из способов повышения вероятности выявления нужного му-

танта является посев бактерий на среды, содержащие индикаторы. Суще-

ствуют методы, повышающие вероятность обнаружения нужных мутан-

тов. Например, для выявления мутантов бактерий кишечной

группы с

измененной способностью к сбраживанию углеводов используют среду

ЕМВ, в состав которой входит соответствующий углевод и индикатор,

состоящий из эозина и метиленового синего. На этой среде колонии бак-

терий, сбраживающих углевод, окрашиваются в фиолетовый цвет с ме-

таллическим блеском, а колонии бактерий, не сбраживающих углевод, –

в светло-розовый цвет.

Часто

для повышения вероятности выделения нужных мутантов ис-

пользуют пенициллиновый метод обогащения популяции бактерий му-

тантами. Этот метод был предложен в 1948 г. независимо Дж. Ледербер-

гом и Б. Дэвисом для обогащения популяции бактерий ауксотрофными

мутантами. Его можно применять по отношению ко всем видам бакте-

рий, чувствительным к пенициллину. Принцип метода основывается

на

том, что пенициллин лизирует растущие бактерии, но не повреждает

бактерии, не способные к делению, например, такие, которые не раз-

множаются из-за отсутствия в среде определенного фактора роста. Если

смесь ауксотрофных и прототрофных бактерий инкубировать в мини-

мальной среде, содержащей летальную дозу пенициллина, то прото-

трофные клетки будут погибать, так

как они способны к делению, тогда

как ауксотрофные мутанты, не способные к росту в этих условиях, вы-

живут и сохраняться, несмотря на присутствие в среде пенициллина. В

189

результате такой обработки доля ауксотрофных клеток в популяции рез-

ко увеличивается относительно общего числа клеток.

После обогащения популяции бактерий мутантными клетками их не-

обходимо изолировать. Для этого суспензию бактерий освобождают от

пенициллина путем центрифугирования и отмывания свежей средой или

добавлением пенициллиназы, а затем высевают на полноценную пита-

тельную среду. Сформировавшиеся колонии

методом отпечатков прове-

ряют на способность к росту на минимальной среде. Клетки клонов, ко-

торые растут на полноценной среде, но не растут на минимальной, и яв-

ляются ауксотрофными мутантами.

Если бактерии устойчивы к пенициллину, то для обогащения можно

применить другие антибиотики (новобиоцин, циклосерин, канамицин,

налидиксовую кислоту и др.).

С помощью

подобных приемов можно обогащать популяцию бакте-

рий не только ауксотрофными мутантами, но и мутантами других типов,

например температуроустойчивыми (при этом антибиотик вызывает ги-

бель клеток дикого типа, растущих при более высокой температуре), не-

способными использовать определенный субстрат и др.

7.4. Плазмиды бактерий

Основным и обязательным генетическим элементом бактериальной

клетки является хромосома (или несколько хромосом) – структура, спо-

собная к самостоятельной репликации. Наряду с хромосомой в бактери-

альной клетке могут присутствовать плазмиды – стабильно наследуемые

внехромосомные генетические элементы.

В большинстве случаев плазмиды бактерий представляют собой

двухцепочечные суперскрученные ковалентнозамкнутые кольцевые мо-

лекулы ДНК. Благодаря такой структуре они

не подвергаются действию

клеточных нуклеаз. Существуют также линейные плазмиды, на которые

нуклеазы не действуют, поскольку их концевые участки защищены спе-

цифическими белками. У некоторых плазмид имеется теломероподобные

концы, в которых соединяются ковалентнозамкнутые двухцепочечные

ДНК. Ферменты, участвующие в замыкании таких концов плазмид, на-

зываются теломеразами.

Размеры плазмид весьма вариабельны. В качестве

примера можно

отметить, что молекулярная масса одной из самых мелких плазмид, об-

наруженных в штаммах бактерий E. coli, составляет 1,5 МД. Клетки

псевдомонад могут содержать плазмиды, молекулярная масса которых

190

близка к 500 МД, что составляет около 20 % молекулярной массы хромо-

сомы этих бактерий.

Следует отметить, что плазмиды не являются жизненно важными

(или абсолютно необходимыми) наследственными структурами бакте-

риальной клетки. Показано, что клетки бактерий можно «излечить» от

плазмид (а плазмиды элиминировать) с помощью УФ-облучения, мито-

мицина С, акридиновых красителей и других

агентов. Жизнеспособность

бактерий при этом сохраняется, но у них не проявляются признаки, ко-

торые детерминируются плазмидными генами.

Одним из основных свойств плазмид является способность к авто-

номной репликации. Молекулы плазмидной ДНК приобретают ее в том

случае, если в составе их имеется сайт начала репликации – ori и набор

генов, необходимых для ее

осуществления. Различают плазмиды со стро-

гим и ослабленным контролем репликации. Плазмиды со строгим кон-

тролем репликации удваиваются синхронно с бактериальной хромосо-

мой и, по-видимому, за счет использования одних и тех же репликатив-

ных комплексов, в которых главную роль играет ДНК-полимераза III.

Таких плазмид в бактериальной клетке может насчитываться от одной

до

трех копий в расчете на одну копию бактериальной хромосомы. Строгий

контроль репликации характерен для крупных плазмид, молекулярная

масса которых превышает 20 МД.

Репликация плазмид с ослабленным контролем происходит с уча-

стием ДНК-полимеразы I. В каждой бактериальной клетке содержится в

среднем 40–50 копий таких плазмид. В связи с этим плазмиды с ослаб-

ленным контролем репликации еще называют мультикопийными. Моле-

кулярная масса таких плазмид, как правило, не более 15–20 МД.

Среди важнейших свойств плазмид рассматривают также их способ-

ность передаваться из клетки в клетку при конъюгации, или трансмис-

сивность. В зависимости от этого плазмиды подразделяют на конъюга-

тивные (или трансмиссивные) и неконъюгативные (или нетрансмиссив-

ные

). Конъюгативные плазмиды способны передаваться из одной клетки

в другую, их молекулярная масса обычно превышает 25 МД и они имеют

гены, ответственные за перенос (tra-гены), объединенные в tra-опероны.

Гены tra-оперонов детерминируют ряд свойств: синтез половых пилей,

которые необходимы для образования конъюгативных пар; сам перенос

ДНК и постконъюгативный синтез ДНК, что

придает клетке донорные

свойства.

Подавляющее большинство конъюгативных плазмид имеет ограни-

ченный круг клеток-хозяев, в которые они могут передаваться. Плазми-

ды с широким кругом клеток-хозяев называются космополитными или

191

промискуитетными. Примером таких плазмид является плазмида RP4,

относящаяся к классу R-плазмид, выделенная из клеток псевдомонад.

Эта плазмида с высокой частотой передается в клетки других грамотри-

цательных бактерий, принадлежащих к различным родам: Agrobacterium,

Azotobacter, Escherichia, Klebsiella, Erwinia, Rhizobium, Salmonella, Shig-

ella и др.

Неконъюгативные плазмиды не содержат tra-генов, придающих бак-

териальным клеткам

свойства генетических доноров, и поэтому они не-

способны самостоятельно передаваться от одних клеток к другим. Не-

конъюгативные плазмиды – это мелкие плазмиды с молекулярной мас-

сой менее 25 МД. Однако неконъюгативные плазмиды могут быть пере-

несены в реципиентные клетки с помощью конъюгативных плазмид. Пе-

ренос неконъюгативных плазмид с помощью конъюгативных называется

мобилизацией. При

этом неконъюгативная плазмида является мобили-

зуемой, а конъюгативная – мобилизующей. Мобилизация может осуще-

ствляться из-за наличия в плазмидах IS-элементов и транспозонов, кото-

рые обеспечивают объединение двух плазмид друг с другом, т. е. образо-

вание коинтегратов. Коинтеграты передаются в реципиентную клетку за

счет функционирования tra-генов конъюгативной плазмиды. В реципи-

ентных

клетках коинтеграты распадаются на два репликона, которые

существуют автономно друг от друга.

Многие плазмиды способны к интеграции в бактериальную хромо-

сому. Интеграция осуществляется с помощью IS-элементов и транспозо-

нов, которые имеются и в хромосоме, и в плазмиде. Плазмиды, которые

могут находиться как в автономном, так и в интегрированном состоянии

по отношению

к хромосоме клетки-хозяина, т. е. вести двойной «образ

жизни», получили название эписом. При интеграции конъюгативной

плазмиды в хромосому образуются доноры типа Hfr, способные с высо-

кой частотой передавать хромосомные гены в клетки реципиента.

Нельзя не указать на такое свойство плазмид, как их несовмести-

мость. Родственные плазмиды не могут сосуществовать в

одной клетке,

поскольку они несовместимы. Несовместимость плазмид обусловливает-

ся или блокированием репликации ДНК родственной плазмиды, или

блокированием распределения дочерних молекул ДНК по клеткам. Все

известные плазмиды относятся к определенной группе несовместимости,

число которых достигает нескольких десятков, и соответственно в одну

группу входят несовместимые друг с другом плазмиды. Несовместимы-

ми могут быть

плазмиды как с одними и теми же, так и с разными фено-

типическими особенностями. Например, в группу несовместимости F1

входят плазмиды F-типа, Col-типа и R-типа.

192

Конъюгативным плазмидам присуще еще одно свойство – поверхно-

стное исключение, приводящее к тому, что при наличии в клетке плаз-

миды определенного типа, контролирующей соответствующий признак,

при конъюгации другая плазмидная ДНК с трудом преодолевает барьер

клеточной стенки. Частота переноса плазмид при этом падает в 10–100

раз по сравнению с таковой в бесплазмидные клетки. Плазмиды

, преодо-

левшие поверхностное исключение, стабильно сосуществуют с плазми-

дой реципиентной клетки, если они, конечно, совместимы.

Плазмиды придают клеткам различные фенотипические признаки:

1) устойчивость к антибиотикам, ионам тяжелых металлов, мутагенам

(R-плазмиды);

2) способность вызывать биодеградацию камфоры, ксилола, нафта-

лина, салицилата, толуола, n-алканов и других неприродных и природ-

ных соединений (ксенобиотиков

). Такие плазмиды получили название

плазмид биодеградации или D-плазмид;

3) способность синтезировать антибиотики, бактериоцины, пигмен-

ты, инсектициды, гемолизины, токсины, фибринолизины, сероводород,

поверхностные антигены;

4) способность использовать в качестве источника углерода различ-

ные углеводы и необычные аминокислоты;

5) способность вызывать образование опухолей у растений (Ti-плаз-

миды);

6) способность конъюгировать с реципиентными штаммами

бактерий

или донорные свойства;

7) способность осуществлять рестрикцию и модификацию ДНК и др.

Однако существует большое количество плазмид, фенотипические

свойства которых неизвестны, такие плазмиды получили название крип-

тических.

7.4.1. F-плазмида

F плазмида представляет собой конъюгативную эписому клеток

E. coli K-12 со строгим контролем репликации (рис. 58). Размер ее коль-

цевой ДНК составляет 94,5 т. п. н. Молекулярная масса F-фактора равна

45·10

Д. Попадая в F

–

-клетки, эта плазмида изменяет их фенотипические

свойства и клетки приобретают половые пили, а также чувствительность

к фагам MS2, f1, f2, Qβ, становятся донорами ДНК, перестают поддер-

живать развитие фагов Т3 и Т7. При конъюгации таких клеток блокиру-

ется проникновение в них донорной ДНК (проявляется свойство поверх-

ностного исключения).

193

IS3

Tn1000

IS3

IS2

tra-область

94,5 т. п. н.

pif

oriV

par-область

rер-область

Рис. 58.

F-плазмида бактерий E. coli

За конъюгативные свойства F-плазмиды отвечает tra-область, в кото-

рую входят 24 гена, сгруппированные в три оперона. Автономную реп-

ликацию F-плазмиды детерминируют rep-гены. За распределение моле-

кул плазмидной ДНК по дочерним клеткам отвечают гены области par,

вблизи которой находится ген pif, обеспечивающий исключение разви-

тия в клетке фагов Т3 и

Т7. Структурными компонентами, с помощью

которых осуществляется интеграция F-плазмиды в бактериальную хро-

мосому, являются элементы IS2, IS3 и Тn1000. Они взаимодействуют с

аналогичными элементами бактериальной ДНК в результате сайт-

специфической рекомбинации и обеспечивают встраивание в нее F-плаз-

миды в разных локусах и направлениях, в зависимости от локализации и

направления расположения бактериальных элементов

. Клетка после ин-

теграции в ее ДНК F-плазмиды приобретает свойства Hfr-клетки и спо-

собна с высокой частотой ориентированно передавать генетический ма-

териал в реципиентные клетки.

F-плазмида, интегрированная в хромосому, может из нее исключать-

ся. При неправильном исключении F-плазмиды образуется F′-плазмида,

т. е. F-плазмида, содержащая в своем составе гены бактериальной хромо-

сомы. Если при вырезании F′-плазмиды из бактериальной хромосомы

tra-оперон хотя бы частично делетируется, то образовавшаяся F′-плаз-

мида будет неконъюгативной. Для сохранения свойств

репликона

F′-плазмида обязательно должна содержать область rep.

194

7.4.2. Плазмиды бактериоциногенности

В 1925 г. А. Грация обнаружил колицины – вещества белковой при-

роды, синтезируемые бактериями E. coli и обладающие антибактериаль-

ным действием в отношении других штаммов E. coli. Они характеризо-

вались узким спектром действия и были активны только в отношении

близкородственных бактерий. Продукция подобных веществ была затем

выявлена и у других бактерий, и в 1953 г. все

они получили название

«бактериоцины». В настоящее время способность к синтезу бактериоци-

нов обнаружена у различных видов как грамотрицательных, так и грам-

положительных бактерий. В большинстве случаев Бактериоцины назы-

вают в соответствии с видовой принадлежностью бактерий-продуцентов:

колицины – Escherichia coli; марцесцины – Serratia marcescens; флюоци-

ны – Pseudomonas fluorescens и т. д. Некоторые авторы используют родо

вое название бактерий-продуцентов: стафилококкцины – Staphylococcus

epidermidis, вибриоцины – Vibrio comma и т. д.

Бактериоцины – это вещества белковой природы или представлен-

ные белком в комплексе с липополисахаридами, но в любом случае за

антибактериальную активность бактериоцина отвечает белок. Бактерио-

цины различаются не только по спектру действия, но и по физико-

химическим, морфологическим и

некоторым другим свойствам. Соглас-

но наиболее принятой классификации Д. Бредли (1967), бактериоцины

делят на три группы :

1) бактериоцины с низкой молекулярной массой, которые не осажда-

ются при ультрацентрифугировании, чувствительны к протеолитическо-

му ферменту трипсину, термостабильны и неразличимы в электронном

микроскопе;

2) бактериоцины с высокой молекулярной массой, которые легко

осаждаются при ультрацентрифугировании, резистентны

к ферменту

трипсину, термолабильны, выявляются в электронном микроскопе как

фагоподобные структуры или их компоненты;

3) бактериоцины, для которых четко показана ферментативная актив-

ность.

По механизму действия на бактериальную клетку бактериоцины под-

разделяют на четыре основные группы:

• ингибирующие окислительное фосфорилирование в цитоплазмати-

ческой мембране;

• разрушающие ДНК;

• блокирующие синтез белков;

• нарушающие полупроницаемость цитоплазматической мембраны.

195

Показано, что большинство бактериоцинов проявляет активность, не

проникая внутрь клетки. Они передают сигнал на мишень действия по-

средством цитоплазматической мембраны.

Синтез большинства бактериоцинов детерминируется особыми плаз-

мидами, названными бактериоциногенными факторами. Некоторые

плазмиды бактериоциногенности передаются при конъюгации, но боль-

шинство данных плазмид относится к разряду неконъюгативных. В каче-

стве примера одной из

плазмид бактериоциногенности рассмотрим

плазмиду СolЕ1, детерминирующую синтез колицина Е1 у бактерий

E. coli (рис. 59).

oriV

kil

bom

imm

rop

6,65 т. п. н.

cea

mob

Рис. 59. Генетическая карта плазмиды СolE1

Плазмида ColE1 относится к классу неконъюгативных плазмид с

ослабленным контролем репликации. Размер плазмиды ColE1 равен

6,65 т. п. н. В составе плазмиды содержится сайт ori, с которого начина-

ется однонаправленная репликация, гены сеа, отвечающие за синтез ко-

лицина Е1, гены imm, обеспечивающие клетке иммунитет к действию

этого колицина, а также ген kil, детерменирующий

синтез белка, который

вносит нарушения в структуру внешней мембраны, что обусловливает

освобождение колицина Е1 из бактерий в окружающую среду без разру-

шения клеток. Ген rop регулирует количество копий плазмиды в клетке.

Синтез колицина в норме репрессирован, но индуцируется агентами,

влияющими на ДНК.

Плазмида СolЕ1 при наличии в клетке конъюгативной

плазмиды

может передаваться в реципиентные клетки, т. е. происходит ее мобили-

зация. У плазмиды СolЕ1 за процесс мобилизации отвечают четыре бел-

ка, кодируемые областью mob (mobilization). Роль каждого из белков по-

196

ка не установлена. Предполагается, что один из этих белков делает раз-

рыв одной из нити ДНК плазмиды СolЕ1 в сайте bom, необходимый для

начала переноса. После этого разорванная нить переходит в реципиент-

ную клетку, начиная с 5′-конца. Перенос осуществляется за счет tra-ге-

нов конъюгативной плазмиды. Образование коинтеграта между

плазми-

дой СolЕ1 и конъюгативной плазмидой не происходит, так как плазмида

СolЕ1 не имеет в своем составе ни IS-элементов, ни транспозонов. При

такой мобилизации перенос конъюгативной плазмиды в реципиентную

клетку может и не происходить.

Следует отметить, что синтез некоторых бактериоцинов детер-

минируется генами, локализованными в хромосоме. Это характерно для

грамотрицательных бактерий Pseudomonas aeruginosa, Erwinia chrysan-

themi и др.

7.4.3. R-плазмиды или факторы резистентности

Бактерии Shigella, устойчивые сразу к нескольким антибиотикам, бы-

ли впервые выделены в 1950-е годы в Японии от больных дизентерией, в

лечении которых использовали антибиотики. Поскольку от одного и того

же больного выделялись штаммы бактерий, как чувствительные к анти-

биотикам, так и полирезистентные, объяснить возникновение множест-

венной резистентности путем мутационной изменчивости было

трудно.

К тому же оказалось, что множественная резистентность трансмисси-

бельна и может передаваться от одних клеток Shigella к другим, а также

к бактериям E. coli. Было показано, что передача признаков лекарствен-

ной устойчивости происходит при контакте клеток в результате конъю-

гации; перенос не зависит от наличия F-фактора, а лекарственная устой-

чивость

утрачивается, если проводить элиминацию акридиновыми кра-

сителями.

Только в 1963 г. японский ученый Т. Ватанабе опубликовал первый

обзор, в котором были суммированы результаты исследований по лекар-

ственной устойчивости у бактерий, свидетельствующие в пользу того,

что лекарственная устойчивость контролируется внехромосомными ге-

нетическими детерминантами, которые были названы R-плазмидами

или R-факторами.

R-плазмиды, как

и другие плазмиды, представляют собой двухцепо-

чечные кольцевые молекулы ДНК. Молекулярная масса R-плазмид раз-

лична – от 3 до 300 МД. В клетке может присутствовать до нескольких

десятков копий мелких плазмид (плазмид с ослабленным контролем реп-

197