2. Адаптивні реакції мікроорганізмів на стресові дії.

У природних місцях існування мікроорганізми зазнають впливу багатьох несприятливих факторів (УФ опромінення, іоні­зуючої радіації, температури, рН, токсичних сполук тощо). У процесі еволюції у мікроорганізмів сформувався комплекс адаптаційних механізмів, які дають можливість їм пристосува­тися до певних умов існування і вижити під дією несприятли­вих факторів.

Відоме загальне визначення поняття адаптаційних проце­сів. Так, М.С. Гіляров розглядає адаптацію як сукупність морфо-фізіологічних, поведінкових, популяційних та інших особливос­тей даного виду, що забезпечує можливість специфічного спо­собу життя в певних умовах довкілля.

Адаптацією називають також сам процес вироблення при­стосувань організмів до умов даного середовища існування. У мікробіології саме таке розуміння терміна є традиційним.

Розрізняють загальні, часткові адаптації і перед адаптації.

Загальні адаптації — пристосування до існування в широ­кій зоні середовища, наприклад, у морській воді, ропі соляних озер, воді гарячих джерел. Часткові адаптації — спеціалізації до певного способу життя, наприклад, до використання певних субстратів, розвитку в певних мікрозонах та ін. Передадаптація — властивість організму, що має пристосовувану цінність для ще не здійснених форм взаємодії його з середовищем. Наприк­лад, здатність бактеріальних ендоспор витримувати тривале кип'ятіння, а також здатність деяких мікроорганізмів здійсню­вати деградацію ксенобіотиків, хімічних сполук, синтезованих людиною і які раніше не існували в природі, ймовірно, можна розглядати як передадаптацію, оскільки тільки при зіткненні з людиною подібна стійкість виявляється рятівною.

Вважається, що клітини, піддані несприятливим діям, перебувають у стані стресу. Дії, що спричиняють стан стресу клітин, визначають як стресорні (або стресові).

Розрізняють стрес летальний і нелетальний. Нелетальний стрес у свою чергу поділяють на запрограмований і незапрограмований. Істотна відмінність між цими видами стресу поля­гає в тому, що у разі запрограмованого стресу організм вже є ком­петентним для переходу у стан переживання (анабіозу). За незапрограмованого стресу працюють принципово інші антистресові меха­нізми, бо організм не підготовлений до переходу в стан спокою. Прикладом незапрограмованого стресу може бути температур­на дія на клітини мікроорганізмів, які активно ростуть. Відмін­ність запрограмованого стресу пов'язана також з тим, що у цьо­му разі несприятливий фактор діє повільніше, наприклад, у сере­довищі поступово вичерпуються поживні речовини. Прикладом може бути проходження мікроміцетами всіх попередніх стадій для підготовки до спороутворення.

Особливий інтерес становить те, що антистресові адапта­ційні механізми виявляються достатньо схожими в еукаріот і прокаріот, тобто не залежать від рівня клітинної організації. У даному разі маються на увазі зміни в ліпідному складі мемб­ран, синтез білків теплового шоку, протекторних сполук, а також антирадикальний захист організму. Крім того, всі живі організми — від бактерій до людини — реагують на дію несприятливих факторів синтезом так званих стрес-протеїнів, кількість яких пропорційна дії. Припускається, що стрес-білки утворюються організмами для захисту основних білків.

Регуляторні системи відповіді на стресові дії.

Процеси, що проходять у клітинах, які перебувають у стані стресу, вивчені здебільшого на моделі кишкових бактерій, переду­сім Escherichia coli і Salmonella typhimurium. Останніми роками об'єк­тами досліджень з генетики і молекулярної біології механізмів адап­тації стають також інші бактеріальні і дріжджові культури.

Залежно від природи стресора і характеру завданих пошкод­жень реакція клітини може бути різною, У кишкових бактерій виявлено п'ять регуляторних систем відповіді на стресові дії: "суворий" контроль"; SOS- відповідь; адаптивна відповідь; син­тез білків теплового шоку; відповідь на окисний стрес. Б усіх випадках відбуваються глибокі перебудови метаболізму, пов'я­зані з уповільненням або припиненням розмноження і синте­зом білків, необхідних для виживання. У деяких випадках у про­цесах регуляції беруть участь спеціальні сполуки, клітинні гор­мони, що отримали назву алармонів.

Система відповіді на окисний стрес контролює синтез ряду білків, серед яких виявлені антиоксидантні ферменти (каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза), білки теплового шоку, а також ДНК-репарувальні ферменти. ДНК-репарувальні фер­менти усувають пошкодження ДНК, що виникають під дією УФ опромінення та іонізуючої радіації, дегідратації, перекисних сполук та інших ДНК-пошкоджувальних факторів. Наприклад, при у-опроміненні відбуваються одно- та дволанцюгові розриви ДНК. Під впливом УФ опромінення у молекулі ДНК відбува­ється димеризація тиміну, внаслідок чого пригнічується реплі­кація ДНК, і клітина втрачає здатність до поділу. У багатьох мікроорганізмів є специфічні ферменти, які усувають пошкод­ження, спричинені УФ променями. Вони розщеплюють димер тиміну. Ці ферменти активуються видимим світлом, завдяки чому весь процес отримав назву фотореактивації. Фотореактивація — одна із складових частин системи репарації ДНК. Слід зазначити, що найефективніше система репарації ДНК спрацьовує при УФ опроміненні, далі йдуть рентгенівське та у-опромінення. а-опромінення зумовлює практично незворотні пошкодження ДНК. Системи репарації ДНК є у всіх мікроорга­нізмів, але ефективність їх дії різна у різних організмів.

Синтез білків теплового шоку (БТШ) спричиняється сублетальним температурним стресом, дією УФ опромінення, ета­нолу, налідиксової кислоти, а також спостерігається за окисно­го стресу, вичерпування джерел вуглецю і азоту, в разі перехо­ду культури в стаціонарну фазу росту. За сучасними уявлення­ми БТШ є посередниками зміни конформації білкових молекул у клітині під дією стресових факторів.

Система SOS-відповіді спрацьовує в клітинах мікроорга­нізмів в умовах УФ опромінення, дії іонізуючої радіації та впли­ву хімічних мутагенів.

Система адаптивної відповіді функціонує під дією метилювальних, етилювальних та алкілувальних агентів.

Система суворого контролю включається у відповідь на вилучення із середовища джерел вуглецю і азоту, сольовий стрес, зниження температури.

Отже, у мікроорганізмів функціонує ціла мережа різнома­нітних адаптивних механізмів, що дають можливість витриму­вати стресові дії і виживати в несприятливих умовах існування.

Слід зазначити, що деякі антистресові адаптаційні меха­нізми (зміни під дією стресових факторів у ліпідному складі мембран, синтез білків теплового шоку, протекторних сполук, а також антирадикальний захист організму) виявляються достат­ньо схожими у еукаріот і прокаріот, тобто не залежать від клі­тинної організації.

Крім того, дія якогось певного стресового фактора не пов'я­зана з функціонуванням лише одного відповідного адаптаційно­го механізму. У несприятливих умовах у клітинах мікроорганіз­мів функціонує комплекс індукованих реакцій, який контролю­ється складними регуляторними шляхами, тобто існує система інтегральних механізмів стійкості до стресових факторів.

Немає сумнівів у тому, що вивчення біохімічних і генетич­них змін у клітинах у стресових умовах дає можливість з нових позицій підійти до вирішення таких ключових проблем біології, як старіння, анабіоз, цитодиференціювання, стійкість до зовніш­ніх дій.

Крім того, ці дослідження дуже важливі і для розвитку біотехнології. Мікроорганізми-продуценти потрібно розглядати як об'єкти, властивості яких змінюються залежно від умов дов­кілля. Жодна сучасна техніка культивування не дасть очікува­них поліпшень процесів без знання основ фізіології продуцен­тів. Жодні глибини знання біохімії не дадуть інформації, як під­вищити швидкість процесів, які засоби лімітування або інгібу­вання застосувати. Мутанти-надсинтетики продуктів метаболіз­му, отримані новітніми засобами генної інженерії, не будуть довго розвиватися, якщо не знайти для них оптимальні умови, що забезпечать для самої клітини переваги надсинтезу того або іншого метаболіту.

Отже, фізіологія мікроорганізмів, яка вивчає зв'язок між їхньою метаболічною активністю і змінами умов довкілля, повин­на відігравати центральну роль у розвитку біотехнології.