Многие наслышаны о микроскопических беспозвоночных тихоходках (близкий к членистоногим тип Tardigrada ), внешне напоминающих нечто среднее между надувным матрасом и плюшевым мишкой, которые и в воде не тонут, и космического излучения не боятся, и после криозаморозки оживают. Deinococcus radiodurans — «тихоходки» среди бактерий.

Хотя одноклеточные дейнококки сильно отличаются от своего эукариотического (имеющего ядра в клетках) многоклеточного собрата, они вовсе не уступают ему в живучести и могут выдерживать

Дозу радиации до 10 тыс. Грей (для человека доза 5 Грей смертельна), высушивание и химическое воздействие.

«О молекулярных механизмах регуляции экспрессии генов у этой бактерии известно относительно мало, — рассказывает Андрей Кульбачинский, профессор РАН, заведующий лабораторией в Институте молекулярной генетики РАН. — Мы исследовали уникальные белки этой бактерии, которые регулируют активность РНК-полимеразы — главного фермента, ответственного за считывание генетической информации с матрицы ДНК. Было показано, что эти белки (Gfh-факторы) способны останавливать РНК-полимеразу в определенных участках генома, что может играть важную роль в изменении активности генов и «починке» ДНК, поврежденной радиацией. Похожие механизмы регуляции активности РНК-полимеразы могут действовать и у многоклеточных организмов». Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и была опубликована в журнале PNAS .

Как радиация вредит клетке

Открыты Deinococcus radiodurans были случайно: в 1956 году их нашли «в добром здравии» в банке с мясными консервами, которые пытались простерилизовать с помощью радиации.

В норме любое ионизирующее излучение — поток заряженных или нейтральных частиц или квантов, который способен превращать нейтральные атомы в заряженные ионы, возбуждая их, — разрушает гармонию слаженного механизма химических превращений, которые происходят в живой клетке.

Непреодолимые химические силы начинают тянуть ионизированные атомы к «соседям», к которым в невозбужденном состоянии они были абсолютно «равнодушны». Даже безопасные и вездесущие нейтральные молекулы воды могут превратиться в пероксид и затем в супероксид — опасные свободные радикалы, один из основных источников повреждений биологических молекул в клетке. Действие свободных радикалов называют оксидативным стрессом, так как оно связано с окислением биомолекул.

Результат — случайные химические связи, молекулярная неразбериха и «разрушение традиционных ценностей». Внутри живой клетки главным «хранителем традиций» является ДНК, в которой в закодированном виде содержится инструкция по сборке всех ее белков, важнейших участников основных клеточных процессов. Поэтому радиация (как и многие токсичные вещества), нарушающая последовательность ДНК, несет для клеток смертельную опасность: некоторые мутации могут случайно оказаться полезными, но, если не глядя переставлять детали в исправно работающем сложном механизме, вероятность сломать его несоизмеримо выше, чем вероятность изобрести что-то хорошее.

Кроме того, в ДНК могут образовываться разрывы, мешающие считыванию кода. «Ломаются» и сами белки — особенно часто повреждается SH-группы в цистеине (одной из аминокислот — «кирпичиков», из которых строится молекула белка), что нарушает их функции.

Восстать из радиоактивного пепла

Как же бактерии выживают в таких условиях? Повреждения ДНК живых организмов не всегда приводят к плачевным последствиям. В клетках есть специальные механизмы репарации — «ремонта» драгоценной молекулы, например одну из ее цепей можно достроить, «подглядывая» во вторую на том же участке и подбирая нуклеотиды («буквы» генетического кода) по принципу комплементарности, то есть подставляя на место отсутствующего фрагмента парные ему «буквы».

ДНК Deinococcus radiodurans упакована в две кольцевые хромосомы и две плазмиды — сравнительно маленькие дополнительные кольцевые молекулы ДНК. Каждая такая молекула представлена в количестве от четырех до десяти копий в любой момент жизни клетки, поэтому запасных вариантов для «сверки» у нее всегда много (а не всего две, как у нас в соматических клетках). Более того, оказалось, что основная опасность для жизни дейнококка — это не повреждение ДНК (которую можно починить, используя дополнительные копии), а как раз разрушение структуры белков, занимающихся ее ремонтом.

Для «починки» разрывов в ДНК бактерия имеет дополнительные белки: одни связываются с одиночной цепью ДНК при разрыве, чтобы защитить ее от дальнейших повреждений, другие, работая как «клеточная полиция», ловят «возмутителей спокойствия», свободные радикалы, и расщепляют их.

Кроме того, у всех бактерий есть дополнительные «хитрости», позволяющие вносить корректуры прямо в ходе транскрипции — считывания «ДНК-текстов». Однако есть ли какие-то особенности этого процесса у Deinococcus radiodurans, до последнего времени было неизвестно.

Один из механизмов, который основан на работе белков Gfh и может играть роль в процессах «ремонта» ДНК и защите клеток от радиации, и был исследован российскими учеными из . «Двое из трех соавторов, включая меня самого, работают также на кафедре молекулярной биологии Биологического факультета , — сообщает Андрей Кульбачинский. — Исследования были выполнены исключительно за счет гранта РНФ, темой которого является изучение механизмов регуляции транскрипции и их возможной роли в радиоустойчивости Deinococcus radiodurans».

Хитрости редактуры

РНК-полимераза считывает информацию с ДНК, переводя ее в РНК — более короткую молекулу, которая в зависимости от последовательности будет служить матрицей для синтеза белка или выполнять еще множество функций в клетке. РНК-полимераза является также корректором или даже «главным редактором», исправляющим ошибки этого «перевода» (транскрипции).

Ведущий автор работы рассказал, какую роль в этом процессе могут играть изученные командой российских исследователей белки Gfh-факторы. Эти белки были обнаружены только у экстремофильных (живущих в неблагоприятных, с нашей точки зрения, условиях — при высоких температурах, давлении и др.) бактерий из группы Deinococcus-Thermus, которые очень устойчивы к нагреванию и другим стрессовым воздействиям.

«РНК-полимераза — один из самых консервативных ферментов в эволюции, и структура его во многом похожа и у бактерий, и у человека. В то же время различные организмы используют самые разнообразные способы регуляции работы этого фермента.

Одной из наиболее интересных групп регуляторных факторов являются белки, которые способны напрямую воздействовать на активный центр РНК-полимеразы. Для этого они связываются в специальном канале, который соединяет поверхность РНК-полимеразы с активным центром (так называемый вторичный канал — в отличие от первичного, в котором происходит связывание ДНК и РНК)», — рассказывает Андрей Кульбачинский.

По словам ученого, у большинства бактерий встречаются Gre-белки, относящиеся к этой группе. Они могут переключать активность РНК-полимеразы, в результате чего уже «прочитанный» фрагмент (транскрипт) расщепляется. Это свойство позволяет исправлять уже сделанные в ходе транскрипции ошибки. После такой «редактуры» РНК может синтезироваться дальше. У эукариот (в том числе у человека) тоже существуют аналоги таких белков, только эволюционное происхождение они имеют иное. Это говорит об исключительной важности такого процесса.

«Исследованные нами факторы — Gfh-белки — являются родственниками (гомологами) Gre-факторов. Однако вместо того, чтобы переключать активности РНК-полимеразы, они ее ингибируют! Причем у той бактерии, которую мы исследуем (Deinococcus radiodurans), это происходит только в определенных участках генома и только в присутствии ионов марганца, которые, как уже довольно давно известно, играют роль в защите клеток дейнококка от окислительного стресса», — сообщает ученый.

Перспективы: помогут ли Gfh-факторы «бороться с бактериями их же оружием»?

Исследователи сделали предположение, что Gfh-белки могут «фиксировать» РНК-полимеразу в определенном структурном состоянии, останавливая ее ход по молекуле ДНК. Такую «замершую над ошибкой» РНК-полимеразу узнают другие белки — факторы репарации («починки») и репликации (воспроизведения) ДНК. Дальнейшей задачей ученых станет исследование роли Gfh-белков в защите дейнококков от радиации.

«Наша работа носит прежде всего фундаментальный характер: впервые обнаружено, что регуляторные факторы способны значительно усиливать паузы и терминацию (остановку. — «Газета.Ru») транскрипции, связываясь во вторичном канале РНК-полимеразы. Так как строение РНК-полимеразы очень консервативно, весьма вероятно, что данный способ регуляции может действовать у самых разных организмов (например, и у нас с вами), только с участием других регуляторных факторов», — комментирует Андрей Кульбачинский.

Автор добавляет, что возможно и практическое применение результатов исследования. Так как Gfh-факторы фиксируют РНК-полимеразу и останавливают транскрипцию, то, изучив их, можно создать или найти другие молекулы, способные помешать бактериям переписывать информацию с ДНК на РНК и синтезировать белки. РНК-полимераза медленно изменяется с течением времени, поэтому у бактерий она очень похожа и ее удобно использовать как мишень для антибактериальных препаратов. Так, антибиотик рифампицин , используемый в борьбе с палочкой Коха, вызывающей туберкулез, подавляет именно РНК-полимеразу бактерий (правда, со временем они вырабатывают к нему устойчивость, что делает получение новых антибиотиков важнейшей проблемой ближайшего будущего).

Влияние физических факторов

Влияние температуры. Различные группы микроорганизмов развиваются при определенных диапазонах температур. Бактерии, растущие при низкой температуре, называют психрофилами, при средней (около 37 °С) - мезофилами, при высокой - термофилами.

К психрофильным микроорганизмам относится большая группа сапрофитов - обитателей почвы, морей, пресных водоемов и сточных вод (железобактерии, псевдомонады, светящиеся бактерии, бациллы). Некоторые из них могут вызывать порчу продуктов питания на холоде. Способностью расти при низких температурах обладают и некоторые патогенные бактерии (возбудитель псевдотуберкулеза размножается при температуре 4 °С). В зависимости от температуры культивирования свойства бактерий меняются. Интервал температур, при котором возможен рост психрофильных бактерий, колеблется от -10 до 40 °С, а температурный оптимум - от 15 до 40 °С, приближаясь к температурному оптимуму мезофильных бактерий.

Мезофилы включают основную группу патогенных и условно-патогенных бактерий. Они растут в диапазоне температур 10- 47 °С; оптимум роста для большинства из них 37 °С.

При более высоких температурах (от 40 до 90 °С) развиваются термофильные бактерии. На дне океана в горячих сульфидных водах живут бактерии, развивающиеся при температуре 250-300 °С и давлении 262 атм.

Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена. Наличие большого количества термофилов в почве свидетельствует о ее загрязненности навозом и компостом. Поскольку навоз наиболее богат термофилами, их рассматривают как показатель загрязненности почвы.

Хорошо выдерживают микроорганизмы действие низких температур. Поэтому их можно долго хранить в замороженном состоянии, в том числе при температуре жидкого газа (-173 °С).

Высушивание. Обезвоживание вызывает нарушение функций большинства микроорганизмов. Наиболее чувствительны к высушиванию патогенные микроорганизмы (возбудители гонореи, менингита, холеры, брюшного тифа, дизентерии и др.). Более устойчивыми являются микроорганизмы, защищенные слизью мокроты.

Высушивание под вакуумом из замороженного состояния - лиофилизацию - используют для продления жизнеспособности, консервирования микроорганизмов. Лиофилизированные культуры микроорганизмов и иммунобиологические препараты длительно (в течение нескольких лет) сохраняются, не изменяя своих первоначальных свойств.

Действие излучения

Неионизирующее излучение - ультрафиолетовые и инфракрасные лучи солнечного света, а также ионизирующее излучение - гамма-излучение радиоактивных веществ и электроны высоких энергий губительно действуют на микроорганизмы через короткий промежуток времени. УФ-лучи применяют для обеззараживания воздуха и различных предметов в больницах, родильных домах, микробиологических лабораториях. С этой целью используют бактерицидные лампы УФ-излучения с длиной волны 200-450 нм.

Ионизирующее излучение применяют для стерилизации одноразовой пластиковой микробиологической посуды, питательных сред, перевязочных материалов, лекарственных препаратов и др. Однако имеются бактерии, устойчивые к действию ионизирующих излучений, например Micrococcus radiodurans была выделена из ядерного реактора.

Действие химических веществ

Химические вещества могут оказывать различное действие на микроорганизмы: служить источниками питания; не оказывать какого-либо влияния; стимулировать или подавлять рост. Химические вещества, уничтожающие микроорганизмы в окружающей среде, называются дезинфицирующими. Антимикробные химические вещества могут обладать бактерицидным, вирулицидным, фунгицидным действием и т.д.

Химические вещества, используемые для дезинфекции, относятся к различным группам, среди которых наиболее широко представлены вещества, относящиеся к хлор-, йод- и бромсодержащим соединениям и окислителям.

Антимикробным действием обладают также кислоты и их соли (оксолиновая, салициловая, борная); щелочи (аммиак и его соли).

Стерилизация – предполагает полную инактивацию микробов в объектах, подвергшихся обработке.

Дезинфекция - процедура, предусматривающая обработку загрязненного микробами предмета с целью их уничтожения до такой степени, чтобы они не смогли вызвать инфекцию при использовании данного предмета. Как правило, при дезинфекции погибает большая часть микробов (в том числе все патогенные), однако споры и некоторые резистентные вирусы могут остаться в жизнеспособном состоянии.

Асептика – комплекс мер, направленных на предупреждение попадания возбудителя инфекции в рану, органы больного при операциях, лечебных и диагностических процедурах. Методы асептики применяют для борьбы с экзогенной инфекцией, источниками которой являются больные и бактерионосители.

Антисептика – совокупность мер, направленных на уничтожение микробов в ране, патологическом очаге или организме в целом, на предупреждение или ликвидацию воспалительного процесса.



Ближний ультрафиолет (УФ) - излучение с длиной волны 400 - 320 нм - даже в невысоких дозах оказывает на бактерий определенное действие. Так, при освещении ближним УФ подвижных клеток Е. coli или Salmonella typhimurium сначала наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т.е. репеллентный эффект, затем кувыркания полностью прекращаются и наступает паралич жгутиков, т.е. свет нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальных дозах ближний УФ вызывает замедление роста культур, главным образом за счет удлинения лаг-фазы. Скорость деления клеток также несколько снижается, подавляется способность бактерий поддерживать развитие фага и угнетается индукция ферментов. Эти эффекты определяются в основном поглощением УФ-лучей 4-тиоуридином - необычным основанием, присутствующим в 8-й позиции у многих тРНК прокариот (но не у эукариот). Наибольший эффект оказывает свет длиной волны около 340 нм. Возбужденный светом 4-гиоуредин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м положении в тРНК, что препятствует связыванию тРНК с аминокислотами и приводит к увеличению образования гуанозинтрифосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК и белка соответственно. У Bacillus subtillis обнаружена и другая чувствительная к ближнему УФ-система, у которой воспринимающим свет хромофором является менахинон.

При относительно высоких дозах облучения ближним УФ наблюдаются мутагенные и летальные эффекты. Нарушение ДНК вызывают не столько сами УФ-лучи, сколько различные другие возбужденные светом молекулы. И в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4- тиоуредином. Мутагенное и летальное действие ближнего УФ в значительной степени зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект при облучении ближним УФ может быть связан с повреждением не только ДНК, но и мембран, в частности их транспортных систем. Чувствительность к ближнему УФ бактерии может сильно зависеть от стадии роста культуры, что не наблюдается при действии дальнего УФ.

Эффект действия ближнего УФ может быть опосредован фотосенсибилизатором. Так, в присутствии акридина у E.coli ближний УФ вызывает нарушение как ДНК, так и внешней цитоплазматической мембран, в результате чего клетки становятся чувствительными к лизоциму, детергентам, осмотическому шоку.

Ближний УФ может при невысоких дозах облучения вызывать фотопроекцию, т.е. снижать биологический эффект последующего облучения дальним УФ. Представление о механизме этого эффекта противоречивы. При относительно высоких дозах облучения ближним УФ может наблюдаться и противоположный эффект, т.е. усиление действия последующего облучения дальним УФ.

Средний УФ - это излучение с длиной волны 320 - 290 нм, и дальний УФ - с длиной волны 290 - 200 нм. Биологические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны. Как уже упоминалось, при облучении солнечным светом гибель бактерий связана в основном с действием УФ. Нижний предел длины волны света, попадающего на земную поверхность, составляет около 290 нм, в исследованиях же используют источники света с меньшей длиной волны. Считают, что резистентность организма к солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчивости к неионизирующему излучению от искусственных источников.

ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 - 300 нм, т.е. в области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и летальная эффективность облучения средним и дальним УФ. Образование пиримидиновых димеров в ДНК является основным механизмом, обусловливающим летальный и мутагенный эффекты. В состав димеров могут входить 2 соседних тиминовых или цитозиновых остатка либо 1 тиминовый и 1 цитозиновый остатки. Под влиянием УФ-облучения происходит также гидроксилирование цитозина и урацила, образование цитозин-тиминовых аддуктов, сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК. Такие повреждения возрастают при повышении интенсивности облучения.

Ионизирующее излучение составляет определенный компонент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве и атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облучению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые элементы в очень больших количествах.

Ионизирующее излучение возникает также под влиянием космических лучей. Космическое пространство служит источником первичных космических лучей, которые дают начало вторичным, воздействующим на живые организмы. Интенсивность такого излучения зависит от географической широты, особенно от высоты над уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м. В период солнечных вспышек фон космической радиации повышен. Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицинских, научных и других целях. Наличие таких источников - причина того, что микроорганизмы в наши дни подвергаются высоким дозам облучения.

Ионизирующие излучения также вызывают повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредованные, возникающие в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой одноцепочечные или двухцепочечные разрывы молекулы ДНК.

Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень широких пределах и контролируется многими генами. Сравнительно легко могут быть получены мутанты, более радиорезистентные или радиочувствительные. Радиорезистентность зависит прежде всего от работы различных систем репарации и регуляции. При этом степени устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям, могут не совпадать. Различные репарационные системы бактерий будут рассмотрены ниже.

Установлена связь радиоустойчивости бактерий с особенностями ее местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из радоновых минеральных источников, оказываются в 3 - 10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной воды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средняя доза излучения превышает 10 6 ФЭР (физический эквивалент рентгена), обитают разные бактерии, в частности представители рода Pseudomonas. Однако в основном трудно найти разумное объяснение адаптационного значения высокой радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высока радиоустойчивость некоторых кокков, выделенных из облученных продуктов. В данном случае очевидно, что облучение могло служить фактором отбора, но не фактором, вызвавшим адаптацию. Так, доза УФ, необходимая для инактивации 90% клеток УФ-резистентного штамма Е. coli, составляет около 1000 эрг/мм “ 2 , в то время как для достижения такого же эффекта у Deinococcus radiodurans требуется доза в 10000 - 15000 эрг/мм" 2 или 5 х 10 5 рад в случае радиоактивного облучения. Еще большей устойчивостью к УФ- и у-излучению обладает кокк Deinococcus radiophilus. Как уже упоминалось, уровень радиорезистентности определяется главным образом степенью развитости репарационных систем. Deinococcus radiodurans, видимо, способен репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.

Степень радиоустойчивости некоторых бактерий значительно превышает предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в природе. Наиболее вероятным объяснением этого несоответствия может быть предположение о том, что радиоустойчивость - лишь одно из многообразных проявлений действия систем широкого назначения. Правильнее было бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воздействию определенных факторов среды, поскольку одинаковые нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это относится прежде всего к системам репарации повреждений ДНК.

Солнечное излучение, проходящее через верхние слои атмосферы и достигающее поверхности Земли состоит из электромагнитных волн с длиной 300-10.000 нм.

75 % падающего на Землю света - это видимая часть спектра – охватывает диапазон 390-760 нм . Эта часть воспринимается человеческим взглядом.

20 % - инфракрасное излучение (ближнее) с λ волн от 790 нм и далее (790-1100).

5 % - УФ с λ волн 300-380 нм.

Озоновый слой поглощает волны с длиной 220-300 нм .

Влияние видимого света на микроорганизмы

Видимый свет используется фотосинтезирующими микроорганизмами. Спектральный состав ФАР различен для разных групп микроорганизмов и зависит от набора пигментов. Оксигенный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты) возможен в диапазоне от 300 до 750 нм. У этих бактерий хлорофилл а и b , с максимумом поглощения 680-685 и 650-660 нм, соответственно. У цианобактерий фикобилипротеиды (красные и синие пигменты) поглощают свет с длиной 450-700 нм.

Аноксигенный фотосинтез (пурпурные, зеленые бактерии) – в диапазоне от 300 до 1100 нм. Бактериохлорофилл b поглощает свет с длиной волны 1020-1040 вплоть до 1100 нм.

У всех фотосинтезирующих прокариот дополнительные светособирающие пигменты – каротиноиды, поглощающие свет в синей и сине-зеленой части спектра (450-550 нм).

Фототрофные бактерии обитают в анаэробной зоне водоемов, где есть H 2 S. На глубину 10-30 м инфракрасное излучение не проникает, максимум энергии приходится на свет λ волн 450-500 нм.

Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. Наблюдается явление фототаксиса . Ф. – это реакция бактерий на изменение спектрального состава света или освещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактериохлорофиллы и каротиноиды. У архей обнаружены специальные сенсорные пигменты (у галобактерий сенсорные родопсины). Положительный фототаксис – движение бактерий к свету, отрицательный – движение клеток в сторону уменьшения освещенности.

Для некоторых бактерий, не использующих энергию света, он служит в качестве регулятора определенных процессов обмена. Так, у водной бактерии P. putida наблюдали активацию светом некоторых ферментов, что можно рассматривать как адаптацию, поскольку именно при освещении начинается синтез фитопланктона, продукты, которого используются этой гетеротрофной бактерией.

Для некоторых нефотосинтезирующих бактерий характерна фотохромность. Фотохромность – это зависимость образования пигментов от освещения. Характерна для миксобактерий, многих актиномицетов и близких им микроорганизмам. Например, синтез каротиноидов некоторыми микобактериями стимулируется синим цветом. Фотохромность может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами. Пигменты способны защищать эти микроорганизмы от действия видимого цвета.

Солнечный свет обладает сильным антимикробным действием. Действие видимого света ответственно менее, чем за 1 % летальный повреждений (80 % летальных повреждений связано с действием света длиной волны менее 312 нм). Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у E. coli . Световые волны длиной 550 нм, и особенно 410 нм вызывают фотолизис Myxococcus xanthus . Эффект определяется поглощением света железопорфиринами.

Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий. Но если ввести в такую клетку фотосенсибилизатор, она повреждается. Природные фотосенсибилизаторы – хлорофилл, фикобилины, порфирины и др.

Влияние инфракрасного излучения на микроорганизмы

Для излучения с длиной волны более 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие инфракрасного излучения – нагревание.

Влияние ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы

Для микроорганизмов наиболее опасно УФ-излучение. Различают ближний, средний и дальний УФ.

Ближний УФ – это излучение с длиной волны 400-320 нм .

Средний УФ – λ=320-290 нм .

Дальний УФ – λ=290-200 нм .

Ближний УФ в небольших дозах нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальных дозах вызывает замедление роста, скорость деления клеток, угнетается индукция ферментов, способность бактерий поддерживать развитие фага.

Эти эффекты определяются тем, что у бактерий в т-РНК в 8-й позиции присутствует необычное основание 4-тиоуридин (отсутствует у эукариот). Это основание интенсивно поглощает УФ, наибольший эффект оказывает свет с длиной волны 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоуридин связывается с цитозином, находящемся в 13-м положении в т-РНК, что препятствует связыванию т-РНК с аминокислотами, и, следовательно, ведет к приостановке синтеза белка.

При относительно высоких дозах ближнего УФ – мутагенный и летальный эффекты. Нарушения ДНК при этом не столько сами УФ-лучи, сколько другие возбужденные светом молекулы. Также в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоуридином. Мутагенное и летальное действие зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект связан не только с повреждениями ДНК, но и мембран (их транспортных систем).

Биологические эффекты среднего и дальнего УФ сходны. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240-300 нм., т.е. в области среднего и дальнего УФ с пиком поглощения в области 254 нм В лаб. УФ-лампах преобладает излучение в области 260 нм (нижний предел длины волны света, падающего на земную поверхность, около 290 нм).

Средний и дальний УФ вызывает мутагенный и летальный эффекты. Основной механизм повреждающего действия – образования пиримидиновых димеров . В состав димеров могут входить два соседних тиминовых (Т-Т) или цитозиновых (С-С) или тиминовый и цитозиновый (Т-С). Образование димеров происходит за счет ковалентных взаимодействий между основаниями ДНК. Кроме этого, происходит разрыв водородных связей в ДНК. Это (и 1, и 2) ведет к появлению нежизнеспособных мутантов. Также под действием УФ происходит гидроксилирование цитозина и урацила, образование сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, денатурация ДНК.

В связи с повреждающим и летальным действием УФ-лучи, несмотря на то, что это наиболее богатые энергией лучи, в процессе фотосинтеза не используются. Нижний предел фотосинтеза – это использование волн с длиной 450 нм.

Влияние ионизирующего излучения на микроорганизмы

Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием положительных и отрицательных ионов. Полагают, что ионизация – основная причина радиационного повреждения цитоплазмы, и степень повреждения пропорциональна числу пар ионов.

Свет и большая часть солнечного излучения не обладают такой способностью.

Источником ионизирующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах. Также поступает из космоса. В период солнечных вспышек повышается радиационный фон.

Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицине, науке и т.д.

Важное экологическое значение имеют следующие виды ионизирующего излучения :

1. α-излучение – корпускулярное излучение – это ядра атомов гелия. Длина пробега в воздухе несколько см. Их останавливает лист бумаги или роговой слой кожи человека. Однако, будучи остановленными вызывают сильную локальную ионизацию.

2. β-излучение - корпускулярное излучение – это быстрые электроны. Длина пробега в воздухе несколько метров, а в ткани несколько см.

α-излучение и β-излучение обладают наибольшим эффектом, будучи поглощены живой тканью.

3. γ-излучение – ионизирующее электромагнитное излучение. Обладает высокой проникающей способностью. Легко проникает в живые ткани. Может оказывать действие, когда источник излучения находится вне организма.

4. Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, очень близко к γ-излучению.

К ионизирующему излучению наиболее устойчивы микроорганизмы (более 10 6 Рад). 1 Рад – это такая доза излучения, при которой на 1 г ткани приходится 100 эрг энергии. 1 Рентген=1 Рад. Млекопитающие чувствительны к дозе 100 Рад.

Механизм повреждающего действия

Основная мишень для ионизирующего излучения – ДНК. Повреждения ДНК бывают прямыми и опосредованными. Прямые – это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы ДНК. Бывают редко.

Более часты опосредованные повреждения. Возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые вызывают одно- и двухцепочечные разрывы (модифицируют пиримидиновые основания), что ведет к денатурации ДНК. Кроме того, возникающие свободные радикалы вызывают денатурацию белка. Все это приводит к гибели микроорганизмов, в т.ч. вирусов.

Механизмы радиоустойчивости

1. Основным механизмом радиорезистентности (как к УФ, так и ионизирующему облучению) является хорошо отлаженная система репарации ДНК.

2. Пигменты (каротиноиды) обладают радиопротекторными свойствами, но обеспечивают эффективную защиту от действия УФ.

3. Наличие в клетках веществ-радиопротекторов (например, серусодержащие аминокислоты у D. radiophilus ), защищает клетку от излучения, но этот механизм недостаточен.

4. Клеточная стенка может играть роль в системах репарации ДНК. У D. radiophilus под действием радиации высвобождается фермент экзонуклеаза, участвующий в репарации ДНК.

5. Увеличенное содержание ДНК.

Радиорезистентность микроорганизмов варьирует в широких пределах. Степень устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям могут не совпадать.

Одним из наиболее резистентных к УФ-излучению считается морской жгутиконосец Bodo marina . Устойчивость может быть связана с особенностями места обитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых источников, оказываются в 3-10 раз более резистентными к радиации, чем их сородичи из обычных мест обитания.

В охладительных системах ядерных реакторах, где доза излучения превышает 10 6 ФЭР (физический эквивалент рентгена) обитают разные бактерии, в т.ч. рода Рseudomonas .

Одна из наиболее устойчивых бактерий как к УФ, так и γ-излучению относится к дейнококкам (р. Deinococcus ) – D. radiophilus . Эта бактерия, видимо, способна репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.

Изменение условий внешней среды оказывает воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Физические, химические, биологические факторы среды могут ускорять или подавлять развитие микробов, могут изменять их свойства или даже вызывать гибель.

К факторам среды, оказывающим наиболее заметное действие на , относятся влажность, температура, кислотность и химический состав среды, действие света и других физических факторов.

Влажность

Микроорганизмы могут жить и развиваться только в среде с определенным содержанием влаги. Вода необходима для всех процессов обмена веществ микроорганизмов, для нормального осмотического давления в микробной клетке, для сохранения ее жизнеспособности. У различных микроорганизмов потребность в воде не одинакова. Бактерии относятся в основном к влаголюбивым, при влажности среды ниже 20 % их рост прекращается. Для плесеней нижний предел влажности среды составляет 15%, а при значительной влажности воздуха и ниже. Оседание водяных паров из воздуха на поверхность продукта способствует размножению микроорганизмов.

При снижении содержания воды в среде рост микроорганизмов замедляется и может совсем прекращаться. Поэтому сухие продукты могут храниться значительно дольше продуктов с высокой влажностью. Сушка продуктов позволяет сохранять продукты при комнатной температуре без охлаждения.

Некоторые микробы очень устойчивы к высушиванию, некоторые бактерии и дрожжи в высушенном состоянии могут сохраняться до месяца и более. Споры бактерий и плесневых грибов сохраняют жизнеспособность при отсутствии влаги десятки, а иногда и сотни лет.

Температура

Температура — важнейший фактор для развития микроорганизмов. Для каждого из микроорганизмов существует минимум, оптимум и максимум температурного режима для роста. По этому свойству микробы подразделяются на три группы:

• психрофилы - микроорганизмы, хорошо растущие при низких температурах с минимумом при -10-0 °С, оптимумом при 10-15 °С;
• мезофилы - микроорганизмы, для которых оптимум роста наблюдается при 25-35 °С, минимум — при 5-10 °С, максимум — при 50-60 °С;
• термофилы - микроорганизмы, хорошо растущие при относительно высоких температурах с оптимумом роста при 50-65 °С, максимумом — при температуре более 70 °С.

Большинство микроорганизмов относится к мезофилам, для развития которых оптимальной является температура 25-35 °С. Поэтому хранение пищевых продуктов при такой температуре приводит к быстрому размножению в них микроорганизмов и порче продуктов. Некоторые микробы при значительном накоплении в продуктах способны привести к пищевым отравлениям человека. Патогенные микроорганизмы, т.е. вызывающие инфекционные заболевания человека, также относятся к мезофилам.

Низкие температуры замедляют рост микроорганизмов, но не убивают их. В охлажденных пищевых продуктах рост микроорганизмов замедленно, но продолжается. При температуре ниже О °С большинство микробов прекращают размножаться, т.е. при замораживании продуктов рост микробов останавливается, некоторые из них постепенно отмирают. Установлено, что при температуре ниже О °С большинство микроорганизмов впадают в состояние, похожее на анабиоз, сохраняют свою жизнеспособность и при повышении температуры продолжают свое развитие. Это свойство микроорганизмов следует учитывать при хранении и дальнейшей кулинарной обработке пищевых продуктов. Например, в замороженном мясе могут длительно сохраняться сальмонеллы, а после размораживания мяса они в благоприятных условиях быстро накапливаются до опасного для человека количества.

При воздействии высокой температуры, превышающей максимум выносливости микроорганизмов, происходит их отмирание. Бактерии, не обладающие способностью образовывать споры, погибают при нагревании во влажной среде до 60-70 °С через 15-30 мин, до 80-100 °С — через несколько секунд или минут. У спор бактерий термоустойчивость значительно выше. Они способны выдерживать 100 °С в течение 1-6 ч, при температуре 120-130 °С споры бактерий во влажной среде погибают через 20-30 мин. Споры плесеней менее термостойки.

Тепловая кулинарная обработка пищевых продуктов в общественном питании, пастеризация и стерилизация продуктов в пищевой промышленности приводят к частичной или полной (стерилизация) гибели вегетативных клеток микроорганизмов.

При пастеризации пищевой продукт подвергается минимальному температурному воздействию. В зависимости от температурного режима различают низкую и высокую пастеризацию.

Низкая пастеризация проводится при температуре, не превышающей 65-80 °С, не менее 20 мин для большей гарантии безопасности продукта.

Высокая пастеризация представляет собой кратковременное (не более 1 мин) воздействие на пастеризуемый продукт температуры выше 90 °С, которая приводит к гибели патогенной неспороносной микрофлоры и в то же время не влечет за собой существенных изменений природных свойств пастеризуемых продуктов. Пастеризованные продукты не могут храниться без холода.

Стерилизация предусматривает освобождение продукта от всех форм микроорганизмов, в том числе и спор. Стерилизация баночных консервов проводится в специальных устройствах — автоклавах (под давлением пара) при температуре 110-125°С в течение 20-60 мин. Стерилизация обеспечивает возможность длительного хранения консервов. Молоко стерилизуется метолом ультравысокотемпературной обработки (при температуре выше 130 °С) в течение нескольких секунд, что позволяет сохранить все полезные свойства молока.

Реакция среды

Жизнедеятельность микроорганизмов зависит от концентрации водородных (Н +) или гидроксильных (ОН -) ионов в субстрате, на котором они развиваются. Для большинства бактерий наиболее благоприятна нейтральная (рН около 7) или слабощелочная среда. Плесневые грибы и дрожжи хорошо растут при слабокислой реакции среды. Высокая кислотность среды (рН ниже 4,0) препятствует развитию бактерий, однако плесени могут продолжать расти и в более кислой среде. Подавление роста гнилостных микроорганизмов при подкислении среды имеет практическое применение. Добавление уксусной кислоты используется при мариновании продуктов, что препятствует процессам гниения и позволяет сохранить продукты. Образующаяся при квашении молочная кислота также подавляет рост гнилостных бактерий.

Концентрация соли и сахара

Поваренная соль и сахар издавна используются для повышения стойкости продуктов к микробной порче и лучшей сохранности пищевых продуктов.

Некоторые микроорганизмы нуждаются для своего развития в высоких концентрациях соли (20 % и выше). Их называют солелюбивыми, или галофилами. Они могут вызывать порчу соленых продуктов.

Высокие концентрации сахара (выше 55-65 %) прекращают размножение большинства микроорганизмов, это используется при приготовлении из плодов и ягод варенья, джема или повидла. Однако эти продукты тоже могут подвергаться порче в результате размножения осмофильных плесеней или дрожжей.

Свет

Некоторым микроорганизмам свет необходим для нормального развития, но для большинства из них он губителен. Ультрафиолетовые лучи солнца обладают бактерицидным действием, т. е. при определенных дозах облучения приводят к гибели микроорганизмов. Бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей ртутно-кварцевых ламп используют для дезинфекции воздуха, воды, некоторых пищевых продуктов. Инфракрасные лучи тоже могут вызвать гибель микробов за счет теплового воздействия. Воздействие этих лучей применяют при тепловой обработке продуктов. Негативное воздействие на микроорганизмы могут оказывать электромагнитные поля, ионизирующие излучения и другие физические факторы среды.

Химические факторы

Некоторые химические вещества способны оказывать на микроорганизмы губительное действие. Химические вещества, обладающие бактерицидным действием, называют антисептиками. К ним относятся дезинфицирующие средства (хлорная известь, гипохлориты и др.), используемые в медицине, на предприятиях пищевой промышленности и общественного питания.

Некоторые антисептики применяются в качестве пищевых добавок (сорбиновая и бензойная кислоты и др.) при изготовлении соков, икры, кремов, салатов и других продуктов.

Биологические факторы

Антагонистические свойства некоторых объясняются способностью их выделять в окружающую среду вещества, обладающие антимикробным (бактериостатическим, бактерицидным или фунгицидным) действием, - антибиотики. Антибиотики продуцируются в основном грибами, реже бактериями, они оказывают свое специфическое действие на определенные виды бактерий или грибов (фунгицидное действие). Антибиотики применяются в медицине (пенициллин, левомицетин, стрептомицин и др.), в животноводстве в качестве кормовой добавки, в пищевой промышленности для консервирования пищевых продуктов (низин).

Антибиотическими свойствами обладают фитонциды — вещества, обнаруженные во многих растениях и пищевых продуктах (лук, чеснок, редька, хрен, пряности и др.). К фитонцидам относятся эфирные масла, антоцианы и другие вещества. Они способны вызывать гибель патогенных микроорганизмов и гнилостных бактерий.

В яичном белке, рыбной икре, слезах, слюне содержится лизоцим — антибиотическое вещество животного происхождения.