3 Вплив біологічних факторів на мікроорганізми

Серед біологічних чинників, що мають вплив на бактерії, розглядають антибіотики і бактеріофаги.

Антибіотики – це специфічні хімічні речовини біологічного походження, що мають антимікробну дію. За походженням, їх умовно поділяють на антибіотики мікробного походження, антибіотичні речовини тваринного і рослинного походження (фітонциди). Антибіотики мікробного походження виділяють живі клітини мікробів-антагоністів. Бактерії продукують такі антибіотики, як граміцидин, субтилін, поліміксин, нізин, піоціанін, дипломіцин, колоформін, бацитрацин; плісеневі гриби – пеніцилін, аспергілін, фумагілін, клавіміцин, цефалоспорин, гризеофульвін; актиноміцети – стрептоміцин, хлорміцетин, біоміцин, ауреоміцин, тетрациклін, хлорамфенінол, актидіон, ністатин, неоміцин, канаміцин, новобіоцин та інші. Зустрічаються мікроорганізми, що виділяють декілька антибіотиків.

На мікроорганізми антибіотики діють вибірково, тобто кожний антибіотик діє тільки на певні види  мікроорганізмів і не впливає на інших. Антибіотики з вузьким спектром дії є ефективними до обмеженого числа бактерій. Так, на грампозитивні бактерії діють пеніцилін, біцилін, бацитрацин, новобіоцин, еритроміцин, олеандоміцин, на плісеневі гриби – ністатин, трихоцетин, гризеофульвін, на найпростіші – фумагілін. Антибіотики широкого спектру дії (тетрациклін, стрептоміцин, неоміцин, поліміксин, гігроміцин, граміцидин С, ампіцилін та ін.) є активними по відношенню до значної кількості мікроорганізмів.

В основі механізму дії антибіотиків на мікроорганізми лежить їхня здатність уражати певні ферментні системи, що веде до порушення процесів дихання, живлення, біосинтезу білків, розмноження. Деякі антибіотики пошкоджують генетичний апарат клітини, порушують синтез нуклеїнових кислот і функції цитоплазматичної мембрани, пригнічують синтез клітинної стінки.

Встановлено, що деякі мікроорганізми за умови багаторазової дії на них антибіотика набувають певної стійкості до нього, тобто адаптуються, в результаті чого виникають стійкі (нечутливі) до нього форми.

Антибіотиками тваринного походження є лізоцим, що міститься у яєчному білку, слині, сльозах, селезінці, сироватці крові, нирках, плаценті, печінці, легенях; еритрин, що міститься в еритроцитах крові; екмолін, виділений з тканин риб. Лізоцим не тільки вбиває бактерії, але й лізує їх. За хімічною природою він є полісахаридом. Еритрин, який отримують з червоних кров’яних кульок крові тварин, виявляє бактеріостатичну активність стосовно дифтерійної палички, стафілококів і стрептококів. Памалін виділяють із слинних залоз великої рогатої худоби. Він має бактерицидну і фунгіцидну активність. Екмолін – речовина з тканин риб, що пригнічує бактерії, які викликають кишкові захворювання.

Фітонциди – антибіотичні речовини, які виділяють рослини, були відкриті Б.П. Токіним у 1928р. До рослин, що виділяють активні фітонциди, відносять часник, цибулю, хрін, листя кропиви, алое, бруньки берези, листя і квіти черемхи, насіння гірчиці, мускатного горіха, редьки, ялівця.

Хімічна природа фітонцидів дуже різноманітна і ще повністю не вивчена. Відомо, що антимікробну дію виявляють ефірні олії, глю­козиди, алкалоїди, органічні кислоти, антоціани, дубильні речовини, смоли та ін.

Бактеріофаги (віруси бактерій). Вперше спонтанний лізис бактерій описав М.Ф. Гамалія в 1898 р. Детальніше явище лізису дизентерійних бактерій якимось невідомим агентом дослідив канадський мікробіолог Ф. д’Ерелль у 1917 р. Він назвав цей агентбактеріофагом (bacteriophaga – той, який руйнує бактерії). На основі вивчення феномена бактеріофагії були вирішені дуже важливі проблеми молекулярної біології та генетики. Бактеріофаги виявились основною моделлю для дослідження тонкої структури гена, універсального генетичного коду, впливу радіації на спадкові структури організмів.

Морфологія фага. Більшість бактеріофагів мають форму сперматозоїда (рис. 1). Вони складаються з гексагональної головки, в якій міститься ДНК (або РНК), хвостового відростка (стержня, оточеного білковим чохлом), ба­зальної пластинки з фібрилами - рецепторами. Розмір головки 60-100 нм, її двошарова оболонка утворена капсомерами, які оточують одну щільно скручену молекулу ДНК. Порожнистий відросток довжиною 100-200 нм служить для прикріплення до поверхні бактерійної клітини та її інфікування. Адсорбується фаг на клітині за допомогою базальної пластинки та фібрил -  рецепторів. Існує шість морфологічних типів фагів: нитчасті, без відростка, з аналогом відростка, коротким відростком, з чохлом відростка, що не скорочується й з чохлом відростка, що скорочується.

Рис.1 - Структура фага Т2. 1-головка, 2-відросток, 3-нуклеїнова кислота, 4-капсид, 5-комірець, 6-чохол, 7-хвоствінитки, 8-шипи, 9-базальна пластинка

Залежно від наслідків взаємодії фагів з бактеріальною клітиною вони поділяються на вірулентні та помірні.

Вірулентні бактеріофаги проникають всередину клітини, спричиняючи її лізис. Взаємодія їх з клітиною складається з ряду етапів, притаманних практично всім вірусам. Спочатку відбувається адсорбція  фагів на поверхні клітини внаслідок взаємодії їх рецепторного апарату з рецепторами клітини. Представлено його позитивно зарядженими аміногрупами білків та карбоксильними групами, які мають негативний заряд. Адсорбція залежить від багатьох чинників, зокрема, температури, складу середовища, де вона відбувається, концентрації іонів кальцію та магнію. Завдяки ферментам (наприклад, лізоциму) головки бактеріофага руйнується клітинна стінка бактерії, хвостовий відросток бактеріофага скорочується, а науклеїнова кислота вводиться в клітину. Оболонка фага при цьому залишається назовні. На наступних етапах відбувається синтез «ранніх» ферментів, які забезпечують відтворення (реплікацію) фагової ДНК та матричної РНК. Згодом на рибосомах та полісомах спрацьовує механізм синтезу білка вірусів. При появі в клітині достатньої кількості фагових нуклеїнових кислот та необхідного білка відбувається збирання фагових корпускул та вихід їх із клітини. При цьому клітинна стінка руйнується і сотні бактеріофагів виходять назовні.

Коли з клітиною взаємодіють помірні бактеріофаги, частина клітин залишається неушкодженою ними, тому що спостерігається явище лізогенії - інтеграції генома бактеріофага в геном клітини. Такий фаг, який вмонтовано в хромосому клітини, називаєтьсяпрофагом. Мікроорганізми з профагом називаються лізогенними бактеріями, і при дії деяких факторів (іонізуючого й ультрафіолетового випромінювання, мутагенів) вони здатні до продукції помірного фагу, втрачаючи свою лізогенність. Лізогенізація має велике біологічне значення й широко розповсюджена у мікробному світі, тому що під впливом бактеріофагів можуть суттєво змінюватись біологічні властивості бактерій. Таке явище називають фаговою конверсією. Доведена можливість перетворення нетоксигенних дифтерійних паличок у токсигенні під впливом лізогенізації їх помірним бактеріофагом, який несе в своєму геномі tох+-гени. Саме вони забезпечують синтез дифтерійними паличками сильного екзотоксину. Доведена роль бактеріофагів у забезпеченні продукцією токсинів збудників ботулізму, стафілококів та інших бактерій. У деяких випадках під впливом помірних бактеріофагів можуть змінюватись антигенні властивості бактерій кишкової групи, вібріонів, ферментативна активність мікробів, їх резистентність до антибіотиків.

Помірні бактеріофаги відіграють роль типових плазмід, їх використовують як моделі для вивчення актуальних проблем генетики мікроорганізмів, в генно-інженерних дослідженнях і біотехнологічних процесах.

Бактеріофаги широко розповсюджені у природі. Вони зустрічаються в будь-яких середовищах довкілля: ґрунті, воді, стічних водах - всюди, де є відповідні їм види мікроорганізмів. Фаги знайдено в кишечнику та виділеннях людей, тварин, птахів, плазунів, риб. Відповідно звідси в навколишнє середовище потрапляють бактеріофаги численних збудників інфекційних захворювань: черевного тифу та  сальмонельозів, ешерихіозів, дизентерії, холери та ін.

Одержують бактеріофаги  з лізогенних культур мікроорганізмів, або з навколишнього середовища, заражаючи матеріалом відповідні бактерії. Активність бактеріофагів визначають при їх титруванні на  живильних середовищах, використовуючи відповідну тест-культуру. За титр бактеріофага беруть найбільше його розведення, яке викликає лізис мікроорганізмів.

Феномен бактеріофагії використовують у гуманній та ветеринарній медицині. У ветеринарній медицині застосовують частіше колі-гертнер фаг (суміш фагів, лікуючих збудника колібактеріозу та сальмонельозу).  Оскільки фаги мають специфічну літичну дію на мікроорганізми, їх можна використовувати для фагоіндикації – визначення відповідних бактерій в патологічному матеріалі та об’єктах зовнішнього середовища, а також з метою ідентифікації патогенів, зокрема збудника сибірки. Нарешті, їх застосовують для фаготипування.  

Фаги можуть завдавати великої шкоди, зокрема при виробництві біологічних препаратів, молочнокислих продуктів, бактеріальних добрив ,пригнічуючи розвиток корисних мікроорганізмів. У ґрунті азотофіксуючі бактерії, заражені  фагами, втрачають можливість зв’язувати молекулярний азот,  що  негативно впливає на урожайність рослин.