Занимательная микробиология

 

Мутации

 

 

 

В биологии есть такое понятие — лабораторные животные, или животные-модели. Это те, на которых легко поставить необходимые опыты. Сами по себе такие модели не имеют никакого практического значения — какой толк, к примеру, в разведении лягушек? Но данные, полученные на них при изучении некоторых процессов жизнедеятельности, имеют применение и в медицине, и в сельском хозяйстве, и сами по себе очень важны. Дело в там, что далеко не все сведения, добытые наукой, тут же проверяются практикой. Нет, они часто ждут долгие годы, пока не будут необходимыми.

 

Для изучения генетики важно найти такую модель, которая очень быстро размножается, неприхотлива, занимает мало места, требует мало корма. Хорошо, если хромосомы в ее клетках легко изучать под микроскопом. Наконец, в последние годы стало существенным, чтобы некоторые генетические модели были как можно более просто устроенными существами, со сравнительно несложным химическим составом.

 

Для изучения мутации, ведь если нужно изучить потомство от дрозофил, облученных лучами рентгена, то через полторы недели вы сможете получить ответ. А если бы, допустим, подопытным животным была корова, то ответ пришлось бы ждать около 9 месяцев. Условия содержания этих двух видов нельзя и сравнить! Основные же закономерности наследования признаков и у мух, и у крупного рогатого скота, и у человека одинаковы. Выводы, сделанные на дрозофилах, имеют часто универсальное значение.

 

Но вернемся к микробам. Они во многих отношениях оказались еще лучшей моделью, чем дрозофила. Так, кишечная палочка делится каждые 25 минут, а фаги размножаются еще скорее. Места для микроорганизмов надо совсем мало — в пробирке с питательной средой могут расти и размножаться миллиарды. Кроме того, они просто устроены; их нуклеиновые кислоты и белки легче выделять и изучать, чем у многоклеточных. Правда, строение клеток у них другое, чем у высших животных, но и этот «недостаток» научились обходить.ДНК микробов по своему химическому составу в основном похожа на ДНК многоклеточных. Есть, конечно, и различия. Более того, у растительных вирусов и некоторых бактериофагов ДНК отсутствует, а ее роль взяла на себя рибонуклеиновая кислота — РНК. Видимо, это единственное исключение; у всех прочих организмов, состав которых изучен, обязательно есть обе нуклеиновые кислоты.

 

Зато способы «упаковки» ДНК в клетке у микробов и многоклеточных сильно различаются. Мы уже писали выше, что у высших растений и животных ДНК собрана в особые структуры — хромосомы. Во время деления клетки хромосомы очень хорошо видны под микроскопом.У бактерий микробиологи при всем старании не смогли обнаружить видимых образований, похожих на хромосомы.

 

Бактерии — объект очень мелкий; при микроскопировании часто возникают так называемые артефакты — структуры, которых на самом деле в живой клетке нет, которые образуются при ее повреждении, например при фиксации. И трудно было доказать, что именно видно под микроскопом — хромосомы или дефекты препарата. Но в последние годы, после многосторонних комплексных исследований, пришли к выводу, что у бактерий и фагов есть лишь одна хромосома — молекула ДНК, огромной, по сравнению с самим организмом, длины — примерно 50—60 микрон у бактерий. Это значит, что такая нить, допустим, у кишечной палочки, длиннее самой бактерии в 50 раз.

 

Длину молекулы ДНК и микробной клетки, в которой она заключена, можно не только сопоставить в цифрах, но и сравнить на электронно-микроскопических снимках. Есть такой способ разрушения фаговых частиц: фаги помещаются в раствор с низкой концентрацией солей; оболочка их лопается, содержимое выходит наружу, и фаги выглядят запутавшимися в петлях выпавшей из них ДНК.

 

То же можно наблюдать и у бактерий. Здесь ДНК получают разными способами: в одном из них бактериальную клетку вначале превращают в протопласт, растворяя ее клеточную оболочку лизоцимом. Затем добавляют вещества, растворяющие оболочку протопласта. То, что происходит при этом, похоже на фокус: мутная, без всякой вязкости, жидкость становится совершенно прозрачной, слегка желтоватой и вязкой, как яичный белок или клей. Это лопнули протопласты, и из них, тут же разматываясь, вышла ДНК. Если хотите, это похоже на мгновенное разматывание тугого клубка шерсти, или, еще лучше, на взрыв хлопушки с лентами серпантина.

 

Меняться могут самые различные свойства. Кроме того, одна и та же мутация может иметь несколько проявлений. Ну, например, у болезнетворной бактерии «повредился» фермент, синтезирующий полисахарид; полисахарид этот входит в состав клеточной стенки. Из-за этого клетки будут иначе располагаться по отношению друг к другу, и изменится форма крупных скоплений микробов — видных простым глазом бактериальных колоний.

 

Раз изменилась форма, значит мутация морфологическая. Вероятно, таких бактерий уже не смогут заражать многие фаги (ведь «хвостик» фага рассчитан на вполне определенный состав клеточной оболочки, к которой он прикрепляется — помните?). Таким образом, тот же мутант будет устойчив к фагам.

 

Возможно, что такая бактерия будет хуже поглощаться лейкоцитами, следовательно, изменится ее вирулентность, то есть способность вызывать заболевание у подопытных животных, да и у человека. А ведь в основе всего лежит изменение единственного фермента. Вот как все взаимосвязано в клетке, даже довольно просто устроенной, как у микроба!

Попытаемся все же провести какую-то классификацию явлений изменчивости у микробов; при этом вначале будем говорить о следствиях мутаций, а потом, если это возможно,— о механизме наступающих изменений. Это, конечно, не очень правильно — вначале говорить о следствии, а потом о причинах. Но что поделаешь; многие виды изменчивости изучены у микробов очень хорошо, а вот их биологический механизм до сих пор не раскрыт.

 

Морфологические мутации стали известны раньше прочих. Они касаются в основном формы колоний, их величины, рельефа поверхности, изрезанности краев и т. д. Самое распространенное деление колоний по морфологии — на шероховатые и гладкие. Шероховатые колонии чаще всего образуются бактериями, которые не расходятся после деления и составляют длинную цепочку. Цепочки складываются в тяжи, тяжи сплетаются в клубки, под малым увеличением микроскопа или лупы похожие на клубки переплетенных змей. Поэтому иногда говорят о скоплениях в форме головы Медузы. Помните древнегреческий миф о Медузе — женщине, на голове у которой росли не волосы, а змеи?

 

К морфологическим мутациям часто относят и изменение окраски. Ведь колонии у микробов разных оттенков: чаще беловато-желтые, а иногда — оранжевые, красные, зеленоватые, даже синие и фиолетовые. Мутация сводится к усилению и ослаблению оттенка, иногда к полной замене его другим цветом. Здесь можно встретить интересное явление: секторные, или полосатые колонии. Колония, допустим, красная, а от центра к краям идут белые полосы. Или колония поделена на правильные половины: белую и красную.

 

Тут налицо высокая частота мутирования признака, когда изменяется не одна бактерия на миллион клеток, а, скажем, одна из десяти или пяти. Если такое изменение произошло в тот момент, когда есть лишь несколько делящихся бактерий, то «белая» бактерия даст потомство, которое, размножившись, будет выделяться как белая полоса, идущая от центра скопления к краю. Конечно, мутации будут идти и тогда, когда в колонии уже не десяток, а сотни тысяч клеток. Но это не будет столь наглядно из-за огромного количества бактерий.

 

Морфологические мутации важны вот в каком отношении. По форме колоний иногда можно очень точно определить, с каким микробом имеешь дело, и не производить дальнейших исследований. Изменения формы и цвета колоний вносят путаницу. Кроме того, эти изменения означают, что изменился состав веществ, лежащих на поверхности клетки. А это необходимо знать, например, при поисках новых разновидностей микробов, из которых готовят вакцины.

 

Мутации изменения вирулентности. Состав микробной клетки небезразличен для животного-«хо- зяина», в котором микроб поселяется. Но у микробов могут меняться и такие признаки, которые обнаруживаются в первую очередь по их отравляющему действию на хозяина, например токсигенность — способность вырабатывать токсины (ядовитые белковые вещества).

Многие механизмы вирулентности еще просто не известны— микробиолог может лишь установить факт, что, скажем, для морской свинки смертельная доза микроба А — двести бактерий, а для его разновидности, микроба Б — только сто.

Очень вероятно, что во\ны эпидемий гриппа, охватывающие из года в год большую часть земного шара, вызваны каждый раз новым мутантом вируса с различной вирулентностью. Существует мнение, что одна из волн гриппа, начавшая свой путь с Японии, вскоре после очередных массовых испытаний ядерного оружия обязана своим происхождением мутации вируса именно под действием радиоактивного излучения. Опровергнуть или доказать такое утверждение, конечно, нельзя, но и такая возможность не исключена.

 

Мутации устойчивости к фагам. Здесь бактерия выступает не в роли паразита, а, напротив, в роли «хозяина», у которого фаг вызывает заболевание. Устойчивость к такому заболеванию бывает вызвана разными причинами, чаще всего фаг не может проникнуть через измененную клеточную оболочку бактерии, вернее, не может адсорбироваться на этой бактерии. Иногда случается и так, что ДНК фага проникает в клетку, но не находит там условий для размножения.

 

Мутации устойчивости к лекарственным веществам доставили врачам за последние 20 лет массу неприятностей. Именно в это время стали очень широко применяться лекарственные вещества, действующие на микробов — антибиотики, различные химиотерапевтические препараты. И очень скоро после внедрения почти каждого нового лекарства в практику стали появляться микроорганизмы, на которых это вещество переставало действовать. Иногда, впрочем, помогала быстрая смена антибиотиков или комбинированное их применение.

 

Биохимический механизм возникновения устойчивых к лекарствам форм микробов для каждого лекарства отдельный, и почти нигде до конца не изученный; а в основе его лежат мутации. Вред, наносимый устойчивыми формами, огромен: устойчивость к лекарствам обесценивает множество препаратов.

 

В качестве курьеза можно привести пример, когда устойчивость — «это хорошо». Было замечено, что коровы, которым добавляли в корм антибиотики, дают хорошие удои. Однако молоко таких коров также начинает содержать антибиотики, и из него нельзя приготовить ни простокваши, ни других молочнокислых продуктов — соответствующие бактерии не живут в нем. Пришлось менять свойства сбраживающих молоко микробов: искать устойчивые к антибиотикам. Простокваша стала получаться.

 

Мутация с измененным обменом веществ. С самого начала оговоримся — у всех видов мутаций, о которых сказано выше, обмен веществ был также изменен. Однако часто определенное изменение, скажем, синтез.

Молоко — благоприятная среда для развития микроорганизмов. Однако оказалось, что если добавить в него тысячную долю грамма пенициллина (вкус молока при этом не изменится), то оно может стоять вдвое дольше, чем обычно, не скисая в самое жаркое время.А как еще можно убивать микробов в молоке, не кипятя его? Можно обработать молоко ультразвуком: под его действием микробы погибнут.

 

В Антарктиде найден ящик с продуктами, который был оставлен экспедицией Скотта 50 лет назад. Лабораторный анализ дрожжей, извлеченных из ящика, показал, что они отнюдь не утратили жизнеспособности.

Например, в производстве антибиотиков. Ведь они синтезируются, в основном, плесневыми и иными грибками, и важно найти мутантов, которые синтезировали бы их как можно интенсивнее. Кроме того, сейчас, по всей видимости, будут переходить на микробиологическое производство многих ценных веществ, например аминокислот и витаминов, которые до сих пор получали иным путем. Микробы синтезируют их в большом количестве, и обходится это дешево. Здесь важно найти мутантов, повышающих выход продукта.Как видите, изменчивость микробов велика и многостороння, и почти в каждом случае их изменчивости заинтересован и человек. Но прежде всего «заинтересован» в этом сам микроб.

 

Ведь микроорганизму для сохранения жизни выгоден определенный «фонд изменчивости» — вдруг условия жизни переменятся, тогда-то изменившееся свойство и может пригодиться! И это обычно выгодно не одной какой-то микробной клетке, а целой совокупности микробов. Известно, что мутанты, устойчивые к антибиотикам, обычно имеют повреждение какого- либо фермента (часто того, на который и действует этот антибиотик). Такие клетки, если только в среде нет антибиотика, растут медленнее нормальных, «забиваются» ими (как сорная трава забивает посев) и в конце концов погибают.

Но вот вся совокупность, как говорят, популяция, микробов подверглась действию антибиотика. Что произойдет? Все нормальные бактерии погибнут, а немногие «неудачники» — мутанты, раньше обреченные на вымирание, в этих особых условиях выживут и дадут начало новой популяции. Таким образом, всему скоплению микроорганизмов в целом выгодно иметь какое-то количество мутантов «на черный день». Но для каждой клетки невыгодно быть мутантом — слишком малы ее шансы на «блистательную карьеру»; скорее всего, она погибнет, задавленная благополучными нормальными середняками.

«Фонд изменчивости» — очень важное качество любой популяции, будь то микробы, животные или растения. Но у высших организмов этот фонд создается и поддерживается не только с помощью мутаций, но и гибридизацией при половом размножении. Мы говорили выше о том, что при скрещивании два противоположных признака часто не «гасятся», а дают новое свойство. Две мутации могут по- разному комбинироваться, все это ведет к большей изменчивости популяции в целом.

сверхпаразиты

 

А как у микробов? Ограничивается ли их фонд изменчивости мутациями? Оказывается, нет! И у них есть нечто похожее на половое размножение, есть способы обмена генетическим материалом, ДНК. Но прежде чем рассмотреть их, нам нужно познакомиться еще с одной особенностью генетики микробов. Дело в том, что у микроорганизмов чрезвычайно распространено любопытное явление — паразитизм на хромосомном уровне, и оно довольно часто связано с обменом генетическим материалом. Сейчас мы расскажем, что это такое.

 

Когда говорят слово «паразит», то первым делом почему-то приходят на ум вошь и глисты. Но нет участка в человеческом теле (да и в теле любого млекопитающего), где не мог бы поселиться «квартирант».Среди микробов также очень много паразитов. Собственно, ими являются почти все болезнетворные микробы. Часто они бывают внутриклеточными паразитами, проникающими в клетку, размножающимися в ней и обычно убивающими ее, чтобы переселиться в новую.

 

А теперь о паразитах самих микробов, о паразитах бактерий — фагах. Так называемые вирулентные фаги вызывают у бактерий смертельное и быстро протекающее (быстро — на человеческий взгляд, конечно) заболевание. Фаг прикрепляется к бактерии, вводит в нее ДНК, и через 20—30 минут из развалившейся бактерии выходят новые фаги.

Но есть и другие взаимоотношения — взаимоотношения сосуществования. Так ведут себя так называемые умеренные фаги, о которых мы уже писали. Проникая в бактерию, они становятся как бы частью ее наследственного аппарата, теряют при этом свое «обличие» — головку, хвостик. Меняют они и свои свойства.

Есть умеренные фаги споровых бактерий. Если в процессе жизнедеятельности бактерия, несущая фаг, превращается в спору, фаг остается в ней. Споры можно кипятить; обычный фаг погибает и при более низкой температуре, а здесь, пока жива спора, живет и умеренный фаг.

 

Наконец, жизненный цикл фаговой ДНК, то есть чередование периодов размножения, начинает подчиняться тем законам, по которым живет бактерия, по которым делится ее наследственный аппарат. Если за то время, которое проходит у бактерии от деления до деления, обычный фаг успевает дать больше ста потомков, то число умеренных фагов увеличился лишь вдвое, и это увеличение произойдет как раз тогда, когда будет удваиваться ДНК бактерии.Более того, удвоение фага произойдет одновременно с удвоением вполне определенного участка бактериальной ДНК, определенного ее гена. ДНК фага как бы слипается с этим геном, сидит на нем. При этом на саму бактерию, несущую его, как говорят на лизогенную бактерию, фаг оказывает лишь незначительное влияние. Впрочем, возможно, что мы еще мало знаем о последствиях для бактерий такого сожительства.Но такое мирное сосуществование все же не вечно. Иногда равновесие нарушается, фаг приобретает обычные свойства и моментально «съедает» бактерию.

 

В каждой популяции лизогенных бактерий всегда есть клетки с нарушенным равновесием, которые разрушаются с выделением фагов, Любопытно то, что эти фаги «не трогают» бактерий, в которых «сидит» умеренный фаг, а других всех разрушают. Только таким способом — прибавляя фильтрат из лизогенной культуры к заведомо нелизоген- ным бактериям — можно узнать, что первая культура лизогенна.

 

Как видите, умеренные фаги почти полностью «исчезли» в своем хозяине. Но есть и более необычные примеры. Во -первых, бывают разновидности умеренных фагов, которые могут разрушать клетку, выходить из нее, а заражать новую клетку не могут! Во-вторых, есть и совсем уж странные существа; называются они эписомами. Живут они в бактериальных клетках, способствуют выделению бактериями некоторых веществ, убивающих других микробов (так и узнают об их существовании). Эписомы передаются от клетки к клетке лишь при соприкосновении; в фильтрате их передать нельзя. Они играют важную роль при половом размножении бактерий. Но никто еще не видел эписом под электронным микроскопом и не выделил их в чистом виде, отдельно от клетки. Что это такое? Иногда кажется — странно сказать — что это участок бактериальной ДНК, который обрел самостоятельное существование, что-то вроде ставшего независимым гена. Но вряд ли это так. Скорее всего, это особые вирусы, так изменившиеся при паразитировании или симбиозе, что кажутся частью клетки.

Сейчас выясняется, что у многих бактерий масса таких сожителей. И все это не просто паразиты — они имеют наследственный аппарат, тесно связанный с наследственным аппаратом клетки.

Нам пришлось отвлечься для описания взаимоотношений фагов и бактерий. Но без этого нельзя было бы понять некоторых особенностей обмена генетическим материалом у микробов.

 

 

 

 Смотрите также:

 

БАКТЕРИИ — широко распространенная в природе группа...

Мутации в Б. могут возникать без каких-либо внешних воздействий (спонтанная мутация) с
Изучение факторов, убивающих Б., имеет важное значение в практической микробиологии и в...

 

Получение антибиотиков. Биологический и химический синтез

Спонтанные мутации происходят очепь редко, и частота их у разных организмов по различпым признакам
Такие воздействия играют все большую роль в технической микробиологии.

 

МУТАГЕНЕЗ — процесс возникновения наследственных...

— процесс возникновения наследственных изменений организма — мутации. Редкое появление среди нормальных организмов измененных особей было известно давно.