БАКТЕРИОЦИНОГЕНИЯ • Med-of-Rita

Бактериоциногения — способность некоторых штаммов бактерий продуцировать специфические антибиотические вещества — бактериоцины, подавляющие жизнедеятельность бактериальных клеток других штаммов того же вида или филогенетически родственных видов.

Бактериоциногения обнаружена у многих видов бактерий. Бактериоцины именуются, как правило, в соответствии с видовым названием продуцентов, например, бактериоцины, продуцируемые Escherichia coli, называются колицинами, Pasteurella pestis — пестицинами, Pseudomonas pyocyanea — пиоцинами, Vibrio cholerae — вибриоцинами, Bacillus megaterium — мегацинами и т. п. В соответствии с этим способность отдельных видов бактерий продуцировать бактериоцины называется колициногенией, пестициногенией и т. п.

Бактериоцины одного и того же вида могут различаться по ряду признаков и в связи с этим подразделяются на типы. Среди бактериоцинов наиболее изучены колицины, насчитывающие в настоящее время более 25 типов (А, В, С, E1, Е2, К и др.). Все бактериоцины являются простыми или сложными белками с мол. весом порядка нескольких десятков тысяч и более дальтон. Они в большей или меньшей степени чувствительны к действию протеолитических ферментов и нагреванию. Чувствительность или устойчивость бактериальных клеток к действию бактериоцинов определяется прежде всего наличием или отсутствием на их поверхности рецепторных структур, специфически адсорбирующих тот или иной бактериоцин. Из популяции чувствительных к бактериоцину бактерий могут быть выделены особи, утратившие вследствие мутации способность синтезировать рецепторные структуры и ставшие в связи с этим устойчивыми к бактериоцину соответствующего типа. Такие устойчивые мутанты часто сохраняют чувствительность к другим типам бактериоцинов того же вида. Следовательно, бактериоцины одного и того же вида могут различаться по специфичности адсорбции на рецепторных структурах бактериальных клеток. Это свойство используется, например, для типирования ряда колицинов.

Бактериоциногенные бактерии, кроме способности продуцировать бактериоцин, характеризуются еще одной отличительной особенностью: они устойчивы к действию продуцируемого ими бактериоцина, хотя и обладают рецепторными структурами, адсорбирующими данный бактериоцин. Такая устойчивость, в отличие от устойчивости небактериоциногенных клеток, утративших соответствующие рецепторы вследствие мутации, называется иммунитетом бактериоциногенных бактерий к гомологичному бактериоцину.

В некоторых случаях разные типы бактериоцинов, адсорбирующихся на одних и тех же рецепторах, можно дифференцировать на основании иммунитета клеток, продуцирующих эти бактериоцины. Так, колицины группы Е, адсорбирующиеся на одних и тех же рецепторах, делятся по специфичности иммунитета на типы Е1, Е2, ЕЗ и Е4. Бактерии, продуцирующие один из типов колицинов группы Е, иммунны к данному колицину, но сохраняют чувствительность к другим колицинам этой группы. Деление колицинов группы E по специфичности иммунитета продуцирующих их клеток полностью соответствует их делению по антигенной специфичности. Например, сыворотки против колицина Е-1 нейтрализуют колицины этого типа, но не оказывают никакого влияния на активность колицинов других типов группы Е.

Механизмы повреждающего действия бактериоцинов наиболее изучены на модели колицинов. Установлено, что первичным этапом взаимодействия колицинов с бактериальными клетками является их адсорбция на специфических рецепторах, которая при t° 37° в растворах умеренной ионной силы продолжается в течение 20 минут, после чего становится необратимой. Адсорбция колицина приводит к резкому нарушению метаболических процессов и гибели чувствительной клетки. При этом колицины не репродуцируются и не вызывают лизиса клеток. Зависимость между количеством добавленного в культуру колицина и выживаемостью клеток носит линейный характер, что свидетельствует об одноударном механизме гибели клеток. Следовательно, бактериальную клетку способна убить одна частица колицина. Характерно, что частица не проникает при этом внутрь клетки, а вызывает ее гибель, оставаясь фиксированной на поверхностных клеточных структурах. Об этом свидетельствуют опыты с колицинами, содержавшими радиоактивную метку, а также возможность снятия ингибиторного эффекта колицинов при обработке клеток, адсорбировавших колицин, трипсином или антиколициновой сывороткой.

Тонкие механизмы действия отдельных типов колицинов на последующих этапах их взаимодействия с чувствительными клетками могут существенно различаться. Так, колицины Е1 и К быстро и одновременно подавляют все макромолекулярные синтезы в клетке, нарушая, по-видимому, процессы окислительного фосфорилирования. Колицин E 2 подавляет в основном синтез ДНК и вызывает ее деградацию, колицин ЕЗ избирательно нарушает синтез белков.

Для объяснения «дистанционного» характера действия колицинов Номура (М. Nomura) в 1964 году предложил модель, согласно которой после адсорбции колицина на соответствующем рецепторе по цитоплазматической мембране клеток распространяется некий сигнал, приводящий к возникновению повреждений в той или иной биохимической мишени. Правильность этой модели подтверждает ряд доказательств. Основным из них является обнаружение так называемых толерантных или рефрактерных мутантов. Эти мутанты не являются колициногенными, имеют рецепторы для адсорбции колицинов, но тем не менее устойчивы к действию того или иного колицина. По-видимому, у толерантных мутантов нарушается процесс передачи специфического сигнала после адсорбции колицина на рецепторе в результате кооперативных изменений отдельных белков, входящих в состав цитоплазматической мембраны.

Механизмы иммунитета бактериоциногенных бактерий к действию гомологичного бактериоцина пока еще не изучены. Известно, однако, что иммунитет к действию колицина и способность продуцировать колицин детерминируются наличием в клетках внехромосомных генетических элементов, названных колициногенными факторами (см. Бактериоциногенные факторы). Некоторые колициногенные факторы характеризуются высокой трансмиссивностью и легко передаются от клетки к клетке при конъюгации. В значительной мере это объясняется тем, что такие колициногенные факторы сообщают бактериальным клеткам способность вступать в конъюгацию в качестве донора, детерминируя синтез необходимых для конъюгации половых ворсинок. В большинстве случаев этот синтез репрессирован, половые ворсинки отсутствуют, и популяция клеток может передавать колициногенные факторы при конъюгации лишь с очень низкой частотой. При некоторых условиях, в частности в клетках, только что получивших колициногенный фактор, синтез половых ворсинок осуществляется весьма эффективно. В этом состоянии клетки легко вступают в конъюгацию и передают колициногенные факторы с высокой частотой. В связи с этим такие клетки были названы HFTC-бактериями (сокращенно от английского выражения high frequency of transfer of colicinogeny — высокая частота передачи колициногенности).

Синтез многих колицинов, а также и других бактериоцинов не является постоянно идущим процессом. При обычных условиях культивирования синтез бактериоцина осуществляется только в отдельных клетках популяции бактериоциногенного штамма, тогда как в большинстве клеток продукция бактериоцина подавлена. Однако при обработке бактерий некоторыми физическими и химическими агентами (ультрафиолетовые лучи, митомицин С, алкилирующие вещества и др.) имеет место индукция синтеза бактериоцина в значительной части клеток популяции. При этом часто наблюдается гибель клеток, продуцирующих бактериоцин. Наиболее изучена индукция синтеза колицинов, которая очень напоминает индукцию развития профага в лизогенных бактериях. По всей вероятности, индукция синтеза колицина обусловлена повреждением структуры ДНК и возникновением продуктов, инактивирующих репрессоры, угнетающие функции колициногенного фактора.

Для выявления бактериоциногенных штаммов обычно применяют методы рассева испытуемых бактерий на твердых питательных средах с последующим подсевом чувствительных к бактериоцинам клеток. Вокруг колоний бактериоциногенных бактерий формируются обычно зоны задержки роста чувствительных бактерий. В зависимости от типа бактериоцина морфология зон задержки роста имеет свои характерные особенности.

Изучение бактериоциногении имеет большое значение для биологии и медицины. Бактериоцины и бактериоциногенные бактерии часто применяются в качестве моделей для изучения различных вопросов молекулярной биологии: механизмов регуляции функций внехромосомных генетических элементов, соотношений между хромосомной и так наз. инфекционной наследственностью, регуляции внутриклеточных процессов и т. д.

Способность патогенных и непатогенных бактерий продуцировать бактериоцины должна быть учтена при расшифровке патогенеза некоторых бактериальных инфекций. Имеются данные, позволяющие рассматривать бактериоциногенность как дополнительный фактор патогенности некоторых бактерий. В то же время бактериоциногенность нормальной микрофлоры человека может служить одним из факторов защиты организма. Принципиально возможным является также использование препаратов бактериоцинов для лечения некоторых инфекций.

Феномен бактериоциногении в ряде случаев может быть использован при эпидемиологическом анализе (см.) путем идентификации типов колицинов, продуцируемых выделенными возбудителями, для расшифровки вспышек некоторых кишечных инфекций. В качестве маркеров при эпидемиологическом анализе может использоваться также чувствительность возбудителей к бактериоцинам различных типов. Применительно к колицинам этот метод получил наименование колицинотипирования. Наконец, чувствительность к бактериоцинам может быть использована для уточнения таксономии отдельных бактерий.

Библиогр.: Кудлай Д. Г. и Лиходед В. Г. Бактериоциногения, Л., 1966, библиогр.; Reeves P. The bacteriocins, В. а. о., 1972, bibliogr.

В. Г. Лиходед.