Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

ром и активирует его. Активированный апорепрессор (апорепрессор +

корепрессор) присоединяется к оператору и подавляет транскрипцию

структурных генов триптофанового оперона. Синтез триптофана пре-

кращается.

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 присутст-

вии триптофана в еще большей степени, в клетках бактерий E. coli име-

ется дополнительный механизм регуляции транскрипции, который назы-

вается аттенуацией, в осуществлении его принимает участие продукт

гена trpL. В условиях избытка триптофана только одна из десяти молекул

РНК-полимеразы, начавшая транскрибирование с промотора, взаимодей-

ствует со структурными генами

и продолжает транскрипцию. Таким об-

разом, действие аттенуатора проявляется в терминации транскрипции, а

сам процесс аттенуации классифицируется как регулируемая терминация

транскрипции.

trpR

Структурные гены

Р O tr

L tr

E tr

D tr

C tr

B tr

Апорепрессор

(

неактивный

еп

ессо

р)

Структурные гены

Р O tr

L tr

E tr

D tr

C tr

B tr

trpR

иРНК

Корепрессор

Апореп-

рессор

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. активи-

рованной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК.

258

При уменьшении внутриклеточной концентрации триптофана снача-

ла осуществляется дерепрессия. Это значит, что образуется возможность

связывания молекул РНК-полимеразы с промотором Trp-оперона. При

более глубоком голодании снижается уровень триптофанил-тРНК и воз-

никают 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 транс-

крипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в

том, что при индукции путем негативной регуляции эффектор (индук-

тор), 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

В природных условиях микроорганизмы образуют сложно взаимодей-

ствующие между собой популяции, среди которых еще С. Н. Виноград-

ский выделил два типа: автохтонные (местные) и аллохтонные (зимоген-

ные). Автохтонные микроорганизмы обычно встречаются в данной

экосистеме в значительных количествах, которые относительно постоян-

ны во времени. Аллохтонные микроорганизмы – нетипичные предста-

вители данной экосистемы. Их

численность подвержена значительным

колебаниям, зависящим от наличия источников питания, или ограничена

действием других лимитирующих факторов. Биоценозы, в состав кото-

рых входят только представители микрофлоры, называются микробоце-

нозами.

При исследовании микробоценозов существуют специфические мето-

ды определения как минимум двух их особенностей, позволяющие про-

водить количественный анализ и определять видовое разнообразие.

Для

количественной оценки прежде всего используются методы пря-

мого подсчета клеток микроорганизмов под микроскопом. Основное дос-

тоинство метода – простота выполнения, однако во многих природных

материалах (вода, почва) клетки микроорганизмов прикреплены к части-

цам детрита и плохо различимы при микроскопии. В последнее время

для окрашивания используют флуоресцирующие красители, специфиче-

ски связывающиеся с биополимерами

клетки, обычно белками или нук-

леиновыми кислотами, и обеспечивающие свечение клеток. Красители

другого типа начинают флуоресцировать только в том случае, если пре-

терпевают метаболическую модификацию внутри клетки, т. е. они по-

зволяют выявить только физиологически активные клетки, которые мо-

гут быть обнаружены также с помощью радиоизотопных методов, мето-

дов 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 характе-

ристику. 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 соста-

ва. Клетки жизнеспособных микроорганизмов можно также определить

количественно методом предельных разведений. В настоящее время раз-

работано более тысячи питательных сред для выявления бактерий, гри-

бов, 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 сообщест-

ва могут формировать колонии даже на средах, максимально соответст-

вующих природным условиям. Кроме того, в микробиологию была вве-

дена 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 поги-

бают и могут быть выделены и учтены только после специальных воз-

действий. В природе они ведут активный образ жизни, патогенные фор-

мы сохраняют вирулентность по отношению к животным и человеку.

При изучении особенностей поведения микроорганизмов в природ-

ных популяциях существенное значение имеет определение связей меж-

ду

отдельными членами сообщества и взаимодействия сообщества с ок-

ружающей средой. Современным подходом для этого являются методы,

основанные на достижениях молекулярной биологии, которые в приме-

нении к микробоценозам позволили сформировать новое направление –

молекулярную экологию, изучающую генотипическое разнообразие всех

представителей определенного природного сообщества. Принцип моле-

кулярной экологии – изучение биоразнообразия без выделения микроор-

ганизмов

, а только на основании анализа отдельных элементов их гене-

тического 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 вы-

игрыша в борьбе за существование у одного или всех его членов. Осно-

вой для возникновения симбиозов могут быть трофические, пространст-

венные, защитные или другие типы связей. Границы между различными

типами симбиозов часто трудно различимы

, а разные формы симбиоти-

ческих 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 разви-

ваться отдельно);

• по расположению партнеров различают экзосимбиозы и эндосим-

биозы;

• по характеру образующихся взаимоотношений выделяют собствен-

но симбиоз, метабиоз, сателлитизм и синергизм.

Собственно симбиоз – такой тип взаимоотношений между микроор-

ганизмами, когда два или более их вида при совместном развитии созда-

ют взаимовыгодные условия для развития друг друга. Примером собст-

венно симбиоза являются взаимоотношения цианобактерий и микроско-

пических грибов, наблюдающиеся в лишайнике

. Оба организма – и циа-

нобактерии, и грибы – способны к самостоятельному существованию, но

только в условиях чрезвычайного дефицита питательных веществ и

крайних пределах увлажнения или высыхания формирующаяся их ассо-

циация приводит к взаимному выигрышу. Польза, получаемая грибом от

симбиоза в таких условиях, очевидна: он использует продукты метабо-

лизма 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 извле-

кает 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 бак-

терии разлагают органические азотсодержащие соединения с образова-

нием 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 цел-

люлозоразрушающими бактериями. Таким образом, часто метабиотиче-

ские отношения микроорганизмов лежат в основе круговорота биоген-

ных

элементов в природе.

Сателлитизм является разновидностью метабиоза, при которой раз-

витие одного микроорганизма стимулируется другим за счет выделения

последним факторов роста (витамины, аминокислоты, азотистые вещест-

ва). Так, сарцины, продуцирующие различные витамины и аминокисло-

ты, способствуют росту и размножению уксуснокислых бактерий, кото-

рые 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 об-

разуют молочную кислоту, которая создает кислую среду, благоприят-

ную для развития дрожжей. Кроме того, молочная кислота служит хоро-

шим источником

углеродного питания. В свою очередь дрожжи стиму-

лируют 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 дрожжа-

ми 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 сосу-

ществования двух видов микроорганизмов, обусловленную борьбой за

источники питания или другие факторы среды. Если организмам необхо-

димы одинаковые ресурсы или другие факторы среды, их конкуренция

называется пассивной. В

том случае, когда один из микроорганизмов по-

давляет развитие другого за счет образования продуктов обмена, говорят

об активной конкуренции. Среди конкурентных взаимоотношений выде-

ляют антагонизм, хищничество и паразитизм.

Антагонизм как форма конкурентных взаимоотношений может воз-

никать:

263

• при совместном развитии микроорганизмов разных видов, нуж-

дающихся в одних и тех же питательных веществах. Активно размно-

жающиеся клетки первыми поглощают питательные вещества и занима-

ют 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 разви-

тия других микроорганизмов. Характерным примером являются взаимо-

отношения между молочнокислыми и гнилостными бактериями в моло-

ке. Парное молоко содержит 94–96 % гнилостных бактерий и только

4–6 % молочнокислых. Однако через 24–26 ч картина изменяется. Мо-

лочнокислые бактерии, продуцирующие молочную

кислоту, подавляют

развитие гнилостной микрофлоры и сводят ее содержание до минимума;

• продуцировании веществ, обладающих бактерицидным или бакте-

риостатическим 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 микроор-

ганизмов. Между хищником и жертвой существуют только пищевые, но

не пространственные отношения. Примером

могут служить миксобакте-

рии, лизирующие с помощью выделяемых ими экзоферментов бактерии

других видов. Образующиеся при этом питательные вещества использу-

ются ими для жизнедеятельности. Примеры хищничества наиболее часто

наблюдаются между протистами и бактериями, например амебы поедают

бактерии E. coli.

Паразитизм как форма взаимоотношений предполагает существова-

ние одного вида (паразита) в клетках другого (хозяина

) и использование

его как источника питания и среды обитания. Хозяин для паразита явля-

ется средой обитания первого порядка, именно через хозяина происходит

регуляция взаимоотношений паразита с внешней средой. Отсюда следует

основное отличие паразитизма от других типов биотических связей: опо-

средованное влияние на состояние экосистем не за счет трофических, а

за

счет патогенных их воздействий на популяции хозяина. Примером та-

ких взаимоотношений в мире микроорганизмов могут служить бактерио-

фаги, 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 пери-

плазматическом 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 дви

жения клеток бделловибрионов так велика, что во много раз превышаю-

щая по размерам клетка хозяина по инерции проходит после толчка зна-

чительное расстояние. Паразит сразу же прикрепляется к клеточной

стенке хозяина безжгутиковым концом и начинает вращаться вокруг сво-

ей длинной оси со скоростью, превышающей 100 об/с. Вскоре после

этого клетка

хозяина округляется. В клеточной стенке в месте прикреп-

ления паразита появляется отверстие, и клетка бактерий рода Bdellovibrio

проникает в периплазматическое пространство. Проникновение проис-

ходит за счет того, что клетка паразита синтезирует ферменты протеазы,

липазы и лизоцимоподобную мурамидазу. Кроме того, активное враще-

ние клетки бделловибриона вносит вклад в общий процесс проникнове-

ния

паразита в клетку хозяина в результате эффекта механического свер-

ления. Бделловибрион, потерявший жгутик в процессе проникновения в

клетку хозяина, начинает цикл развития в периплазматическом про-

странстве. Цитоплазматическая мембрана становится пористой и про-

пускает клеточные компоненты, служащие питательными веществами

для паразита. Бделловибрион превращается в нить, длина которой в не-

сколько 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 под-

вергается 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 фаго-

вой инфекции. Бделолвибрионов можно выявить в самых разных при-

родных материалах. Они найдены в образцах почвы из многих географи-

ческих 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 макроор-

ганизмами 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 макроорга-

низмом происходит процесс их совместной коэволюции. Это приводит к

увеличению генетической пластичности популяции, переносу

генов и

т. п. На примере энтеробактерий показано, что в симбиотических попу-

ляциях их клетки более разнообразны, чем в свободноживущих. Также

показано, что хозяин обычно оказывает более сильное влияние на струк-

туру популяций микросимбионта, чем условия внешней среды.

В популяциях микросимбионтов наблюдается одновременное присут-

ствие клеток как симбиотически активных, так

и асимбиотических. Та-

кое явление получило название экотипического полиморфизма и связано

с наличием или отсутствием «симбиотических генов», которые могут

быть компактно локализованы на хромосомах, образуя «островки пато-

генности», или находиться на специальных плазмидах.

В ряде 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 повы-

шающие жизнеспособность хозяина. В силу совместной коэволюции об-

лигатные 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, орга-

низменной 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 взаимоот-

ношений. Иногда трудно определить, является ли данный тип взаимоот-

ношений мутуалистическим или паразитическим. Степень пользы или

вреда, получаемого каждым из партнеров можно оценить, сравнив со-

стояние двух партнеров при независимом существовании

с их состояни-

ем при жизни в ассоциации. Кроме того, природа взаимоотношений мо-

266

жет изменяться при смене условий окружающей среды, так что взаимо-

отношения, начавшиеся как взаимовыгодные, могут стать паразитиче-

скими, и наоборот.

При тесном сожительстве микроорганизмов с макроорганизмами мо-

гут складываться также различные пространственные отношения. Если

микроорганизм находится вне клеток макроорганизма, то говорят об эк-

зосимбиозе, а если внутри клеток и тканей –

об эндосимбиозе. Макроор-

ганизм 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 зе-

мель можно поддерживать путем севооборота. Если определенный уча

сток почвы из года в год засевать злаками, такими, как пшеница или яч-

мень, его продуктивность начинает снижаться. Однако ее можно восста-

новить, посеяв на данном участке какое-либо бобовое растение, напри-

мер клевер или люцерну. Известно также, что на корнях бобовых расте-

ний 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