Бактерии устойчивые к ионизирующему излучению. Влияние физических и химических факторов на микроорганизмы

Физические, химические и биологические факторы окружающей среды оказывают раз­личное воздействие на микроорганизмы: бак­терицидное - приводящее к гибели клетки; бактериостатическое - подавляющее размно­жение микроорганизмов; мутагенное - изме­няющее наследственные свойства микробов.

4.3.1. Влияние физических факторов

Влияние температуры. Представители различ­ных групп микроорганизмов развиваются при определенных диапазонах температур. Бактерии,

растущие при низкой температуре, называют психрофилами; при средней (около 37 °С) - ме­зофитами; при высокой - термофилами.

Психрофильные микроорганизмы растут при температуре от -10 до 40 "С; температурный оп­тимум колеблется от 15 до 40 °С, приближаясь к температурному оптимуму мезофильных бакте­рий. К психрофилам относится большая группа сапрофитов - обитателей почвы, морей, пре­сных водоемов и сточных вод (железобактерии, псевдомонады, светящиеся бактерии, бациллы). Некоторые психрофилы могут вызывать порчу продуктов питания на холоде. Способностью расти при низких температурах обладают и некоторые патогенные бактерии (возбудитель псевдотуберкулеза размножается при темпера­туре 4 "С, а возбудитель чумы - в диапазоне от 0 до 40 °С при оптимуме роста 25 °С). В зависи­мости от температуры культивирования свойс­тва бактерий меняются. Так, Serratia marcescens образует при температуре 20-25 °С большее ко­личество красного пигмента (продигиозана), чем при температуре 37 °С. Возбудитель чумы, выращенный при 25 °С, вирулентнее, чем при 37 "С. Синтез полисахаридов, в том числе кап-сульных, активизируется при более низких тем­пературах культивирования.

Мезофилы растут в диапазоне температур от 10 до 47 °С, оптимум роста около 37 "С. Они включают в себя основную группу патоген­ных и условно-патогенных бактерий.

Термофильные бактерии развиваются при бо­лее высоких температурах (от 40 до 90 °С). На дне океана в горячих сульфидных водах жи­вут бактерии, развивающиеся при температуре 250-300 °С и давлении 265 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.

Температурный фактор учитывается при осу­ществлении стерилизации. Вегетативные фор­мы бактерий погибают при температуре 60 °С в течение 20-30 мин., споры - в автоклаве при 120 °С в условиях пара под давлением.

Микроорганизмы хорошо переносят дейс­твие низких температур. Поэтому их можно

долго хранить в замороженном состоянии, в том числе при температуре жидкого азота (-173 °С).

Высушивание. Обезвоживание вызывает на­рушение функций большинства микроорга­низмов. Наиболее чувствительны к высушива­нию возбудители гонореи, менингита, холеры, брюшного тифа, дизентерии и другие пато­генные микроорганизмы. Более устойчивыми являются микроорганизмы, защищенные сли­зью мокроты. Так, бактерии туберкулеза в мок­роте выдерживают высушивание до 90 дней. Устойчивы к высушиванию некоторые кап-суло- и слизеобразующие бактерии. Особой устойчивостью обладают споры бактерий. Например, споры возбудителя сибирской язвы могут сохраняться в почве столетиями.

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

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

Неионизирующее излучение - ультрафи­олетовые и инфракрасные лучи солнечного света, а также ионизирующее излучение - гамма-излучение радиоактивных веществ и электроны высоких энергий губительно дейс­твуют на микроорганизмы уже через корот­кий промежуток времени.

Ультрафиолетовые лучи, достигающие по­верхности земли, имеют длину волны 290 нм. УФ-лучи применяют для обеззараживания воздуха и различных предметов в больницах, родильных домах, микробиологических лабо­раториях. С этой целью используют бактери­цидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.

4.3.2. Влияние химических веществ

Химические вещества могут оказывать раз­личное действие на микроорганизмы: служить источниками питания; не оказывать какого-либо влияния; стимулировать или подавлять рост, вызывать гибель. Антимикробные хими­ческие вещества используются в качестве ан­тисептических и дезинфицирующих средств, так как обладают бактерицидным, вирули-цидным, фунгицидным действием и т. д.

Химические вещества, используемые для дезинфекции, относятся к различным груп­пам, среди которых наиболее широко пред­ставлены хлор-, йод- и бромсодержащие со­единения и окислители (см. разд. 7.7).

4.3.3. Влияние биологических факторов
Микроорганизмы находятся в различ­
ных взаимоотношениях друг с другом.
Совместное существование двух различных
организмов называется симбиозом (от греч.
simbiosis - совместная жизнь). Различают
несколько вариантов полезных взаимоотно­
шений: метабиоз, мутуализм, комменсализм,
сателлизм.

Метабиоз - взаимоотношение микроор­ганизмов, при котором один из них исполь­зует для своей жизнедеятельности продукты жизнедеятельности другого. Метабиоз ха­рактерен для почвенных нитрифицирую­щих бактерий, использующих для своего метаболизма аммиак - продукт жизнеде­ятельности аммонифицирующих почвен­ных бактерий.

Мутуализм - взаимовыгодные взаимо­отношения разных организмов. Примером мутуалистического симбиоза являются ли­шайники - симбиоз гриба и сине-зеленой водоросли. Получая от клеток водоросли ор­ганические вещества, гриб, в свою очередь, поставляет им минеральные соли и защищает от высыхания.

Комменсализм (от лат. commensalis - со­трапезник) - сожительство особей разных видов, при котором выгоду из симбиоза извлекает один вид, не причиняя другому вреда. Комменсалами являются бактерии - представители нормальной микрофлоры че­ловека

Сателлизм - усиление роста одного ви­да микроорганизма под влиянием другого вида микроорганизма. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду метаболиты, стимулируют рост вокруг них колоний других микроорганизмов. При совместном росте нескольких видов мик­роорганизмов могут активизироваться их физиологические функции и свойства, что приводит к более быстрому воздействию на субстрат.

Антагонистические взаимоотношения, или антагонистический симбиоз, выражаются в виде неблагоприятного воздействия одного вида микроорганизма на другой, приводяще­го к повреждению и даже гибели последнего. Микроорганизмы-антагонисты распростра­нены в почве, воде и в организме человека и животных. Хорошо известна антагонистичес­кая активность против посторонней и гни­лостной микрофлоры представителей нор­мальной микрофлоры толстого кишечника человека - бифидобактерий, лактобактерий, кишечной палочки и др.

Механизм антагонистических взаимоотно­шений разнообразен. Распространенной фор­мой антагонизма является образование анти­биотиков - специфических продуктов обме­на микроорганизмов, подавляющих развитие микроорганизмов других видов. Существуют и другие проявления антагонизма, например большая скорость размножения, продукция бактериоцинов, в частности колицинов, про­дукция органических кислот и других продук­тов, изменяющих рН среды.

ования. 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.

Температурный фактор учитывают при проведении стерилизации. Вегетативные формы бактерий погибают при температуре 60 °С в течение 20-30 мин; споры - в автоклаве при 120 °С под давлением пара.

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. Так, бактерии туберкулеза в мокроте выдерживают высушивание до 90 дней. Устойчивы к высушиванию некоторые капсуло- и слизеобразующие бактерии. Но особой устойчивостью обладают споры бактерий.

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. Процесс уничтожения микроорганизмов в окружающей среде называется дезинфекцией. Антимикробные химические вещества могут обладать бактерицидным, вирулицид-ным, 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 бромсо-держащим соединениям и окислителям. В хлорсодержащих препаратах бактерицидным действием обладает хлор. К этим препаратам относят хлорную известь, хлорамины, пантоцид, неопан-тоцид, натрия гипохлорит, гипохлорит кальция, дезам, хлорде-зин, сульфохлорантин и др. Перспективными антимикробными препаратами на основе йода и брома считаются йодопирин и дибромантин. Интенсивными окислителями являются перекись водорода, калия перманганат и др. Они оказывают выраженное бактерицидное действие.

К фенолам и их производным относят фенол, лизол, лизо-ид, креозот, креолин, хлор-р-нафтол и гексахлорофен.

Выпускаются также бактерицидные мыла: феноловое, дегтярное, зеленое медицинское, «Гигиена». Мыло «Гигиена» содержит 3-5% гексахлорофена, обладает наилучшими бактерицидными свойствами и рекомендуется для мытья рук сотрудников инфекционных больниц, родильных домов, детских учреждений, предприятий общественного питания и микробиологических лабораторий.

Антимикробным действием обладают также кислоты и их соли (оксолиновая, салициловая, борная); щелочи (аммиак и его соли, бура); спирты (70-80° этанол и др.); альдегиды (формальдегид, р-пропиолактон).

Перспективной группой дезинфицирующих веществ являются поверхностно-активные вещества, относящиеся к четвертичным соединениям и амфолитам, обладающие бактерицидными, моющими свойствами и низкой токсичностью (ниртан, амфо-лан и др.).

Для дезинфекции точных приборов (например, на космических кораблях), а также оборудования и аппаратуры используют газовую смесь из оксида этилена с метилбромидом. Дезинфекцию проводят в герметических условиях.

Влияние биологических факторов. Микроорганизмы находятся друг с другом в различных взаимоотношениях. Совместное существование двух различных организмов называется симбиозом (от греч. simbiosis - совместная жизнь). Различают несколько вариантов полезных взаимоотношений: метабиоз, мутуализм, комменсализм, сателлизм.

Метабиоз - взаимоотношение между микроорганизмами, при котором один микроорганизм использует для своей жизнедеятельности продукты жизнедеятельности другого организма. Метабиоз характерен для почвенных нитрифицирующих бактерий, использующих для метаболизма аммиак - продукт жизнедеятельности аммонифицирующих почвенных бактерий.

Мутуализм - взаимовыгодные взаимоотношения между разными организмами. Примером мутуалистического симбиоза являются лишайники - симбиоз гриба и сине-зеленой водоросли. Получая от клеток водоросли органические вещества, гриб в свою очередь поставляет им минеральные соли и защищает от высыхания.

Комменсализм (от лат. commensalis - сотрапезник) - сожительство особей разных видов, при котором выгоду из симбиоза извлекает один вид, не причиняя другому вреда. Комменсалами являются бактерии, представители нормальной микрофлоры человека.

Сателлизм - усиление роста одного вида микроорганизма под влиянием другого микроорганизма. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду метаболиты, стимулируют рост вокруг них колоний микроорганизмов. При совместном росте нескольких видов микроорганизмов могут активизироваться их физиологические функции и свойства, что приводит к более быстрому воздействию на субстрат.

Антагонистические взаимоотношения, или антагонистический симбиоз, выражаются в виде неблагоприятного воздействия одного вида микроорганизма на другой, приводящего к повреждению и даже к гибели последнего. Микроорганизмы-антагонисты распространены в почве, воде и организме человека и животных. Хорошо известна антагонистическая активность представителей нормальной микрофлоры толстого кишечника человека - бифидобактерии, лактобацилл, кишечной палочки и др., являющихся антагонистами гнилостной микрофлоры.

Механизм антагонистических взаимоотношений разнообразен. Распространенной формой антагонизма является образование антибиотиков - специфических продуктов обмена микроорганизмов, подавляющих развитие микроорганизмов других видов. Существуют и другие проявления антагонизма, например большая скорость размножения, продукция бактериоцинов, в частности колицинов, продукция органических кислот и других продуктов, изменяющих рН среды.

4.7. Микрофлора растительного лекарственного сырья, фитопатогенные микроорганизмы, микробиологический контроль лекарственных средств

Растительное лекарственное сырье может обсеменяться микроорганизмами в процессе его получения: инфицирование происходит через воду, нестерильную аптечную посуду, воздух производственных помещений и руки персонала. Обсеменение происходит также за счет нормальной микрофлоры растений и фи-топатогенных микроорганизмов - возбудителей заболеваний растений. Фитопатогенные микроорганизмы способны распространяться и заражать большое количество растений.

Микроорганизмы, развивающиеся в норме на поверхности растений, относятся к эпифитам (греч. epi - над, phyton - растение). Они не наносят вреда, являются антагонистами некоторых фитопатогенных микроорганизмов, растут за счет обычных выделений растений и органических загрязнений поверхности растений. Эпифитная микрофлора препятствует проникновению фитопатогенных микроорганизмов в растительные ткани, усиливая тем самым иммунитет растений. Наибольшее количество эпифитной микрофлоры составляют грамотрицательные бактерии Erwinia herbicola, образующие на мясопептонном агаре золотисто-желтые колонии. Эти бактерии являются антагонистами возбудителя мягкой гнили овощей. Обнаруживают в норме и другие бактерии - Pseudomonas fluorescens, реже Bacillus mesentericus и небольшое количество грибов. Микроорганизмы находятся не только на листьях, стеблях, но и на семенах растений. Нарушение поверхности растений и их семян способствует накоплению на них большого количества пыли и микроорганизмов. Состав микрофлоры растений зависит от вида, возраста растений, типа почвы и температуры окружающей среды. При повышении влажности численность эпифитных микроорганизмов возрастает, при понижении влажности - уменьшается.

В почве, около корней растений, находится значительное количест

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).

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.

Биологи называют бактерии эволюционным рецептом успеха - настолько они устойчивы к любым условиям внешней среды. Некоторые из них прекрасно себя чувствуют даже при смертельных дозах радиации.

Микробиолог Джон Батиста из Университета Луизианы повидал немало. Однако о своей первой встрече с микробом, в шутку прозванным «Конан-супербактерия», он сказал: «Честное слово, мне было нелегко поверить в реальность существования подобного организма».

В начале 1960-х годов Томас Брок обнаружил в Йеллоустонском национальном парке бактерии, выдерживавшие температуры, близкие к точке кипения. После этого микробиологи стали находить всё новые виды микробов экстремалов. Однако Конан превзошел всех: самый устойчивый микроорганизм, он выдерживает трескучий мороз, испепеляющую жару, кислотные ванны и яды. Но поразительней всего была его реакция на высокие дозы радиоактивного облучения. Даже 1500-кратное превышение дозы, смертельной для прочих организмов, не приносило бактерии никакого вреда.

Впервые Конан был обнаружен в 1950-х годах в испорченных мясных консервах, предназначавшихся для армии. Для защиты от заражения бактериями консервы в США обычно стерилизуют с помощью радиоактивного излучения. Тем сильнее удивились ученые, когда увидели в банках розовую плесень с запахом гнилой капусты, явно бактериального происхождения. Они были озадачены. Ведь обычно радиация вызывает в живых организмах глубокие повреждения генетического материала. Если количество таких повреждений превысит некий критический уровень, микроорганизм погибает. Но для Конана закон не писан. Какие же механизмы спасают невзрачную кроху от смерти в любой ситуации?

Поставленные в тупик микробиологи занялись разгадкой тайны Конана. Они исследовали его генетический материал до и после воздействия радиации и проанализировали обменные процессы. К их удивлению, результаты свидетельствовали, что Конан тоже сильно страдает от радиации, но при этом умеет преодолевать ее гибельные последствия.

Если некоторые яды или ионизирующее излучение наносят сравнительно незначительный вред лишь одной из двух нитей ДНК организма, то радиоактивное излучение вызывает повреждение обеих нитей ДНК, а их восстановление часто бывает непосильным для организма. Так, для гибели живущей в кишечнике человека кишечной палочки достаточно двух-трех таких повреждений ДНК.

Конан же, напротив, быстро восстанавливал две сотни подобных «поломок». Дело в том, что в процессе эволюции у него выработались эффективные механизмы восстановления генных повреждений - в том числе появился особый фермент, который отыскивает подходящие «запчасти» в наследственном материале, копирует их и вставляет в поврежденные участки.

Восстановлению ДНК у Конана способствует еще одно обстоятельство: геном Конана состоит из четырех кольцевых молекул ДНК, причем в каждой клетке геном присутствует не в одной, как у большинства бактерий, а в нескольких копиях. Именно благодаря этим копиям и происходит восстановление поврежденных участков. Поскольку клетка наиболее уязвима для радиации в момент деления, когда кольцевая молекула ДНК должна разомкнуться, Конан выработал еще один способ защиты: три молекулы бактерия оставляет свернутыми в кольцо, а четвертую использует для нужд воспроизведения. Если под воздействием радиации эта хромосома получает повреждения, запасные хромосомы служат матрицами, с которых организм копирует правильные последовательности генов.

В 2007 г. микробиолог Майкл Дж. Дейли обнаружил еще одну причину гиперстойкости Конана: эта бактерия отличается невероятно высокой внутриклеточной концентрацией марганца -элемента, который также способствует восстановлению повреждений ДНК.

И все же, несмотря на сделанные открытия, загадка сверхустойчивости Конана к радиации до конца еще не разгадана. Исследования идут полным ходом: ученые надеются эффективно использовать Конана для очистки почв, загрязненных радиацией.