08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
12.06.2017
16.05.2017
Адаптивная и направленная изменчивость
 25.06.2014

Лабораторный опыт показывает, что микробы после длительного пребывания в непривычной для них среде с неусваиваемыми источниками питания начинают усваивать эти последние, а среда, становится привычной и даже обязательной. Например, если в среде с мальтозой как единственным источником углеродистого питания выращивать дрожжи, которые не сбраживают данный сахар, то спустя некоторое время (иногда длительное, через большое число пересевов) они приобретают способность сбраживать этот сахар. У дрожжей образуется новый фермент — мальтаза, клетки изменяются физиологически, становятся новым вариантом.
Такую физиологическую перестройку можно вызвать у бактерий, актиномицетов, грибов и других микробов по отношению к многим источникам питания — углеродистым, азотистым, органическим и минеральным
Первый случай такой приспособительной изменчивости у бактерий былописан Вортманом, затем подобное же явление наблюдал Мечников. Косяков показал, что бактерии могут быть, «приучены» к антисептикам — борной кислоте, сулеме, буре и др. Он наблюдал привыкание сибиреязвенного бацилла, оспенной палочки и других бактерий к высоким концентрациям указанных ядов. Привыкание это происходило постепенно, начиная с малых доз. Нейссер и Массини наблюдали приспособление кишечной палочки к молочному сахару. Путем длительного воспитания на среде с этим сахаром бактерии начинают сбраживать его и ассимилировать. Паратифозная палочка — Bact. paratyphi — «в» адаптируется к раффинозе, а тифозная — Bact. typhi — к лактозе, сахарозе, рамнозе, дульциту и изодульциту. Такое же приспособление к сахарам отмечается у дизентерийной палочки и других бактерий кишечной группы.
Описан ряд бактерий среди спороносных и неспороносных, молочнокислых, которые сравнительно легко адаптируются к рамнозе.
Адаптивные изменения наблюдаются и по отношению к источникам азотного питания. Штаммы Clostridium можно заставить разлагать казеин и желатину, применяя тот же метод воспитания. Тифозные и паратифозные палочки сравнительно легко приспосабливаются к источникам минерального питания, к аммонийным солям.
Способность разжижать желатину можно привить дрожжевым организмам из рода Saccharomyces. Некоторые штаммы азотобактера — Az. chroococcum не растут на белковых средах (МПА), но путем постепенного «приучивания» они начинают ассимилировать их. Получаются новые формы или варианты, хорошо развивающиеся на средах с органическим азотом. Если азотобактер выращивать длительное время на среде, содержащей азот, то у него утрачивается способность фиксировать молекулярный азот.
Многие сапрофитные бактерии из рода Pseudomonas, Bacterium, Bacillus и др., не развивающиеся на средах с минеральным азотом, в процессе приспособления приобретают способность ассимилировать его.
В литературе описаны многочисленные случаи количественного и качественного изменения ферментативных свойств у бактерий. Под влиянием питательных веществ среды клетки микроорганизмов вырабатывают соответствующие ферменты. Образование таких адаптированных ферментов отмечается у многих бактерий, грибов, дрожжей, актиномицетов и простейших. Например, у некоторых экспериментально полученных вариантов дрожжей, лишенных фермента цитохромоксидазы, последняя начинает синтезироваться под влиянием кислорода. Эффрусси и Слонимский показали, что данный фермент индуцируется молекулами кислорода непосредственно в протоплазме. В этом процессе новообразования прямое участие принимают специфические частицы плазмы, не связанные с ядерными элементами.
Адаптивные ферменты — галактозидаза, мальтаза и другие обнаруживались у дрожжевых организмов разными исследователями. Синтез новых ферментов под влиянием специфических субстратов наблюдается у представителей различных видов бактерий — Bact. coli, Bact. typhi, Bact. typhimurium, Bact. lactis aerogenes, у спороносных бактерий, микобактерий, актиномицетов и прочих форм микроорганизмов.
Широко известны микробы, которые вырабатывают для защиты от пенициллина фермент пенициллиназу. У экспериментально полученных пенициллинустойчивых вариантов этот фермент образуется в строго приспособительном порядке. Выявлены некоторые условия, которые ускоряют или замедляют процесс образования пенициллиназы. Установлено, что для появления последней достаточно дозы пенициллина 0,004 ед/мл или 8*10в-9 М. Клетки, обработанные пенициллином при 0° и затем отмытые от него, при последующей инкубации в среде без пенициллина, образуют пенициллиназу в 30 раз быстрее, чем необработанные клетки.
В отдельных случаях адаптации авторы пытаются вскрыть механизм образования ферментов. Определенный интерес представляют в этом отношении работы Моно с сотрудниками, Эфрусси и др., Хиншельвуда с сотрудниками и др. Установлены некоторые моменты последовательного синтеза и промежуточные продукты образования фермента — β-галактозидазы у кишечной палочки, у Bact. lactis aerogenes, у Sacch.aromyces cerevisiae. Выявлены отдельные факторы, влияющие на процесс синтеза энзимов. Кальций, магний, железо и некоторые другие микроэлементы оказывают существенное влияние на образование протеазы (разжижающей желатину) у протея, фосфатазы — у пропионовокислых бактерий. Доказано, что для синтеза энзиматических систем требуются особые дополнительные вещества — коэнзимы, витамины, отдельные аминокислоты и другие соединения. Эти вещества входят в состав ферментов либо как функциональная часть молекулы, либо как связующий компонент.
На процессы новообразования ферментов оказывают большое влияние внешние условия — температура, pH среды, различные химические и физические агенты. Воздействие это может быть прямым и косвенным. Организмы реагируют на внешние воздействия различно, в зависимости от характера и природы действующего агента.
He все энзимы одинаково быстро образуются в процессе приспособления организма. Одни из них синтезируются под влиянием специфического индуктора быстро, другие медленно, а третьи в условиях лабораторного эксперимента вообще не удается получить. На основании этого Карстрем подразделяет ферменты на адаптивные и конститутивные. Первые, по мнению автора, образуются клетками как специфический ответ на соответствующий субстрат; вторые всегда имеются в клетках как составная часть живого вещества. Они не зависят от субстрата, их специфический синтез не поддается экспериментальному изучению.
Такое подразделение следует понимать весьма условно. Исследования показывают, что нет достаточных оснований к тому, чтобы предполагать наличие каких-либо принципиальных различий между адаптивными и конститутивными ферментами. По-видимому, все ферменты можно получать путем индуцирования специфическими субстратами. Если некоторые ферменты еще не удается получать, то лишь потому, что не найдены условия для их синтеза в эксперименте.
Опыты показывают, что один и тот же энзим может быть адаптивным и конститутивным. У некоторых микроорганизмов отдельные индуцированные ферменты становятся конститутивными и наоборот. Такие превращения наблюдались у вариантов кишечной палочки: для арабинозы — Коеном, для β-галактозидазы — Ледербергом, для амиломальтазы и β-галактозидазы — Коен-Базиром и Жоли и др.
Ферменты, принимающие участие в биосинтезе основных метаболитов (аминокислот, белков и прочих жизненно необходимых соединений), должны принадлежать к разряду конститутивных систем. Без них организм не может развиваться. Одним из таких ферментов у кишечной палочки является n-ацетилорнитаза, вызывающая гидролиз n-ацетилорнитина с образованием аминокислоты орнитина. Последний является необходимым элементом для роста указанной бактерии.
Некоторые экспериментально полученные варианты кишечной палочки лишены указанного фермента и не развиваются на среде без орнитина. В присутствии n-ацетилорнитина такие варианты синтезируют n-ацетилорнитазу. Следовательно, последняя у исходного штамма Bact. coli является конститутивным ферментом, а у варианта ее — адаптивным. Аналогичные явления наблюдались и в опытах с другими микробами. Эти данные свидетельствуют об относительности подразделения ферментов на адаптивные и конститутивные.
Сравнительное изучение адаптивной β-галактозидазы и конститутивной β-галактозидазы у кишечной палочки или адаптивной пенициллиназы и конститутивной пенициллиназы у спороносной палочки — Вас. subtilis показывает, что существенного различия между ними нет. Сродство с субстратом, степень активации ионами, коэффициент тепловой инактивации, иммуннохимическая специфичность как у адаптивных, так и у конститутивных ферментов совершенно одинаковы.
Установлено, что во многих случаях клетка реагирует образованием фермента моментально или почти моментально на раздражение, вызываемое веществом субстрата. Образование некоторых ферментов происходит не в процессе длительного приспособления культуры, не в последующих поколениях размножающихся индивидов, а в той же самой клетке, которая вошла в соприкосновение с веществом. В такой клетке под влиянием специфического субстрата происходит перестройка протопласта или части его. В результате перестройки клетки приобретают новые свойства. Так возникают новые варианты.
Вызвать образование ферментов в клетке могут только те вещества, которые в состоянии возбудить соответствующую реакцию у метаболизирующей особи. Энзимы образуются в строгом соответствии со спецификой субстрата. Галактозидаза синтезируется под влиянием галактозы, мальтозимаза под влиянием мальтозы, арабиноза индуцирует фермент арабиназу и т. д.
Индукторами могут быть не только субстраты, находящиеся в питательной среде, но и вещества, синтезированные в клетке. Соединения, образующиеся в результате одной ферментативной реакции, служат субстратом для других ферментативных процессов или индуктором для синтеза новых ферментов.
Вновь образовавшиеся ферменты могут сохраняться в культурах микробов и после того, как вещества, вызвавшие их появление, исчезнут в среде. Длительность передачи по наследству последующим поколениям способности вырабатывать ферменты различна в зависимости от организма, фермента и внешней среды. Образование бактериями адаптивной нитразы, цитохромоксидазы (под влиянием кислорода) и β-галактозидазы прекращается немедленно после того, как будут удалены из среды индукторы. У дрожжей, адаптированных к галактозе, фермент галактозимаза продолжает вырабатываться длительное время в ряде многочисленных поколений, развивающихся в отсутствие галактозы. Пенициллиназа синтезируется клетками некоторых адаптированных штаммов Вас. subtilis при развитии на средах без пенициллина.
Чем длительней культура находится под воздействием специфического субстрата, тем сильней закрепляется в наследстве способность вырабатывать определенный фермент. Если вариант, утративший адаптивный энзим, снова выращивать на среде с тем же индуктором, то способность к вторичному образованию фермента наступает быстрее и закрепляется прочнее.
Адаптивные ферменты весьма специфичны в отношении субстрата, вызвавшего их синтез. Некоторые из них более специфичны, чем антитела, получаемые при иммунизации животных. При помощи адаптивных ферментов удается иногда подразделить штаммы бактерий, которые не различаются между собой по антигенным показателям. Благодаря высокой специфичности адаптивные ферменты используются в качестве реактивов при анализе многих органических соединений для дифференцирования и распознавания отдельных веществ.
Адаптивные энзимы являются первым проявлением изменчивости организма: через них питательный субстрат становится внутренним составным элементом живого вещества. Эти энзимы являются как бы воротами, через которые внешнее входит во внутреннее, неживое становится живым. Они определяют механизм приспособительной изменчивости организма. Изучение образования адаптивных энзимов у микроорганизмов, возможно, вскроет и некоторые вопросы видовой изменчивости вообще.
Путем соответствующего воспитания можно изменять природу микроба в отношении таких свойств, которые как будто не связаны с ферментативной деятельностью его. Например, можно приучить культуру бактерий или актиномицета к повышенным концентрациям солей или к повышенной температуре и, наоборот, термофилов и галофилов можно превратить в мезофилы.
Касаясь этого типа адаптации, некоторые исследователи отмечают, что и здесь не исключается первостепенное значение ферментов. Последние косвенно изменяют свои свойства или заново синтезируются под влиянием внутренних индукторов, образовавшихся в клетке при изменившихся условиях роста. Наличие в клетках таких индукторов доказано экспериментально Станиером. Типичная индуцируемая пирокатехаза образуется клетками Pseudomonas при наличии в среде триптофана, но не пирокатехина. Триптофан является отдаленным предшественником пирокатехина. Образование таких внутренних индукторов может происходить в клетке под влиянием различных агентов — физических, химических и биологических.
Многие организмы нуждаются для своего развития в дополнительных питательных веществах и не растут без них на специальных синтетических средах. Путем постепенного «приучивания» к среде с понижающимися концентрациями этих веществ можно заставить микроорганизмы синтезировать последние и расти на средах без них. Тифозную палочку удается выращивать на среде без триптофана, дизентерийную палочку — без никотин-амида, т. е. без веществ, которые являются необходимыми для нормального роста данных бактерий. Пропионовокислые бактерии Bact. репtosaceum уже через несколько пересевов на среде с недостаточным содержанием тиамина приобретают способность синтезировать данный витамин и таким образом становятся независимыми в своем росте от наличия данного витамина в среде.
Адаптация микробов к фагам — явление весьма распространенное, часто наблюдающееся в лабораторной практике. Как уже сообщалось ранее, многие бактерии и актиномицеты подвергаются литическому действию фагов. Последние проникают в клетки бактерий или актиномицетов и при соответствующих условиях растворяют и разрушают их.
При взаимодействии клеток микробов с фагами образуются фагоустойчивые варианты, не поддающиеся литическому действию фагов. Устойчивые к фагам варианты получаются у различных представителей бактерий (спороносных и неспороносных), актиномицетов, микобактерий и микрококков. Фаги, как отмечалось выше, специфичны, действуя на микробов определенных видов. Фаги, лизирующие клетки бактерий, называются бактериофагами, а лизирующие актиномицеты — актинофагами.
Фагоустойчивые варианты обладают хорошо выраженной специфичностью и противостоят только тем фагам, под влиянием которых образовались. Отмечается групповая, видовая и штаммовая специфичность. Фаг кишечной палочки индуцирует формирование устойчивых вариантов только у культур данной бактерии. Фаг тифозной палочки вызывает образование резистентных к нему штаммов у Bact. typhi; у дифтерийной палочки получаются фагоустойчивые варианты под влиянием фага дифтерии — Mycob. diphtheriae, у туберкулезной палочки — под воздействием фага Mycob. tuberculosis и т. д.
Такая специфика проявляется не всегда. Известны фаги, которые одинаково активно лизируют культуры Bact. coli и Bact. dysenteriae. Описаны фаги стафилококков, которые поражают дифтерийную палочку. У актиномицетов часто обнаруживаются фаги, действие которых весьма поливалентно; они лизируют не только культуры одного и того же вида, но и штаммы разных видов и даже разных групп. Некоторые фаги Ad. streptomycini лизируют также активно и штаммы Ad. violaceus и Ad. griseus.
Экспериментально полученные фагоустойчивые варианты актиномицетов или бактерий нередко приобретают резистентность к другим видам фагов. Однако устойчивость к неспецифическим фагам менее выражена.
Фагоустойчивые варианты обладают различной стабильностью в зависимости от вида микроба, особенностей фага и внешних условий. В одних случаях штаммы длительно сохраняют резистентность к фагу, в других — устойчивость быстро утрачивается.
Устойчивые к фагу варианты отличаются от исходных культур некоторыми другими свойствами: изменяются антигенные показатели, вирулентность и отдельные биохимические функции. Нередко с образованием резистентности штаммы актиномицетов-антагонистов становятся менее активными или вовсе не активными в отношении бактерий. Высокоактивные штаммы Ad. streotomycini часто под влиянием фагов утрачивают способность синтезировать стрептомицин.
Адаптация фагов. В процессе взаимодействия фагов с клетками актиномицетов или бактерий происходит их взаимное приспособление. Неактивный фаг, не растворяющий и не поражающий культуру актиномицетов, после длительного совместного роста приобретает способность лизировать его клетки.
Фаги, вызвавшие образование адаптированных культур актиномицетов, могут в процессе приспособления изменяться и адаптироваться сами к резистентным вариантам. Последние лизируются под влиянием адаптированных фагов; при определенных условиях они в свою очередь образуют новые штаммы, устойчивые к адаптированным фагам и т. д. Таким способом можно получать непрерывный ряд адаптированных вариантов — культур микробов, с одной стороны, и фагов, — с другой.
Адаптивный характер изменчивости фагов может резко меняться в зависимости от культуры хозяина микроба, на котором прививается данный фаг. При содержании актинофага на одной культуре актиномицета получаются весьма активные штаммы его с широким спектром действия, а при выращивании с другой культурой актиномицета образуются адаптированные варианты фага с малой активностью и небольшим спектром действия.
Адаптация микробов к антибиотикам. Наиболее ярко выражено приспособление микроорганизмов к лекарственным и особенно антибиотическим веществам. Широко известна приспособляемость бактерий к пенициллину, стрептомицину, ауреомицину, террамицину и многим другим антибиотикам. К антибиотикам адаптируются различные виды спороносных и неспороносных бактерий, кокков, микобактерий, актиномицетов, грибов, дрожжей, простейших и даже насекомых. Описаны многочисленные случаи привыкания к антибиотикам различных патогенных микробов: возбудителей кишечных заболеваний, сибирской язвы, туберкулеза, дифтерии, чумы, кожных заболеваний и прочих.
Наблюдения показывают, что к антибиотикам приспосабливается не вся культура, а единичные ее клетки. Чем выше концентрация антибиотика в среде, тем меньшее число клеток выживает и адаптируется к нему. Культуры, адаптированные к малым дозам антибиотика, как правило, переносят небольшие концентрации их в среде. Культуры, адаптированные к высоким дозам, развиваются на средах с большими концентрациями антибиотика.
Адаптация микробов к антибиотикам, как и в других случаях приспособительной изменчивости, протекает направленно и специфично. Устойчивость вариантов проявляется только по отношению к тому антибиотику, под влиянием которого они образовались. Если бактерии подвергаются воздействию стрептомицина, то получаются резистентные варианты к стрептомицину. Под влиянием пенициллина образуются пенициллинустойчивые варианты, а под влиянием ауреомицина — ауреомицинустойчивые штаммы и т. д. Такая специфика постоянна и закономерна. Ею можно пользоваться в некоторой мере для дифференцирования и распознавания антибиотических веществ и их продуцентов.
Во многих случаях специфичность резистентности у экспериментально полученных вариантов является не абсолютной. Приобретая устойчивость к одному антибиотику, бактерии нередко становятся менее чувствительными и к некоторым другим антибиотикам. Однако устойчивость к другим препаратам бывает выражена значительно слабее, чем к антибиотику, под влиянием которого варианты образовались.
Микробы могут адаптироваться одновременно к двум-трем и более антибиотикам, если их выдерживать в смесях соответствующих препаратов. Например, при воздействии на стафилококк смесью стрептомицина и пенициллина получаются варианты, устойчивые к этим двум антибиотикам. Получены формы бактерий, устойчивые одновременно к пенициллину, стрептомицину, эритромицину, затем к эритромицину, карбомицину, стрептомицину, ауреомицину и к антибиотикам в других сочетаниях.
Приобретенная резистентность к антибиотикам закрепляется и передается по наследству длительному ряду поколений микробов. Адаптированные варианты сохраняются в течение многих пересевов на среды, не содержащие антибиотика. Чем длительнее воздействие антибиотика на клетки микробов, тем прочнее закрепляются приобретенные свойства резистентности. Наследственно закрепленная устойчивость к антибиотику может быстро утрачиваться, если воздействовать на культуру некоторыми другими специально подобранными антибиотическими веществами или химическими реактивами. Например, хлорамфеникол снимает резистентность к пенициллину у стафилококка. Отмечается и обратное явление: усиление резистентности к антибиотикам под влиянием отдельных веществ.
С приобретением устойчивости к антибиотикам варианты микробов изменяют некоторые другие свои признаки. Часто утрачивается вирулентность и патогенность, исчезает способность ферментировать те или другие органические соединения, сбраживать сахара, грамположительные бактерии перестают окрашиваться по Граму, клубеньковые бактерии теряют способность формировать клубеньки на корнях бобовых растений и т. д. Изменяются не только биохимические, но и морфологические признаки. Культуры с гладкими колониями приобретают складчатое, бугристое или зернистое строение или становятся слизистыми.
Образование зависимых вариантов. Как результат длительной адаптации к антибиотикам у микробов могут образовываться варианты, которые нуждаются для роста в данном антибиотике. Получаются зависимые культуры, не развивающиеся в среде без антибиотика, подобно тому, как это имеет место при образовании витамин-зависимых вариантов.
Значительное число антибиотико-зависимых вариантов описано в литературе. Такие варианты нередко получаются в лабораторной практике. Они весьма специфичны, требуют для своего роста только тех антибиотиков, под влиянием которых образовались. Антибиотико-зависимые варианты более специфичны, чем резистентные варианты. Это свойство данных вариантов можно использовать для дифференцирования антибиотиков, а равно и их продуцентов.