Воздействие магнитного излучения на микроорганизмы

12

грамотрицательные палочки с субполярным жгутиком. Кроме бактериохлорофилла они синтезируют каротинойдные пигменты. Свет для этих бактерий не является единственным источником энергии ни в аэробных, ни в анаэробных условиях, он является дополнительным источником энергии. При освещении усиливается синтез АТФ, включение СО2 в органическое вещество клетки, наблюдается фотоингибирование дыхания, что свидетельствует о существовании у этих бактерий регуляторных механизмом энергетического обмена, позволяющих более экономно расходовать органический энергетический субстрат. При исчерпывании органического субстрата в условиях освещения жизнеспособность клеток сохраняется значительно дольше, чем в темноте. Подобная способность обнаружена у некоторых бактерий рода Pseudomonas. Энергия видимого света может быть использована экстремально галофильными архебактериями ,которые, однако не являются настоящими фототрофами . Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. У фототрофных бактерий и архебактерий Halobacterium salinarium наблюдается явление фототаксиса: бактерии способны реагировать на изменение спектрального состава света или освещенности. У эубактреий фоторецепторами служат те же пигменты, которые поглощают свет в процессе фотосинтеза. Бактериальные клетки, способные к фототаксису, резко изменяют направление движения, если попадают из более освещенного участка в менее или совсем в неосвещенный. В результате бактерии двигаются к свету - это положительный фототаксис. В некоторых случаях наблюдается отрицательный фототаксис, т.е. движение в строну меньшей освещенности. Подобные реакции иногда определяют как фотофобные. При резком снижении освещенности так же происходит изменение направления движения клеток, т.е. они реагируют на изменение освещенности не в пространстве, а во времени. Клетки архебактерий Halobacterium salinarium проявляют фототаксис, причем красный цвет действует как аттрактант, а синий как репеллент. Под фотохромностью

13

понимают зависимость образования пигментов некоторыми микроорганизмами от освещения. Фотохромность свойственна миксобактериям и особенно характерна для многих актиномицетов и близким им организмам. Солнечный свет может оказывать сильный антимикробный эффект. Так, например, более 99,9 % клеток кишечной палочки погибают при облучении солнечным светом в течение 3 минут. Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий, но если в такую клетку введен фотосенсибилизатор, она повреждается. Среди природных веществ фотосенсибилизаторами являются хлорофилл, фикобиллины, порфирины. (Громов  Павленко1989.)

14

3.Воздействие ионизирующего излучения на микроорганизмы

Ионизирующие излучения составляют определенный компонент естественно радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облучению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые элементы в очень больших количествах. Ионизирующее излучение возникает также под влияние космических лучей. Космическое пространство служит источником первичных космических лучей. Первичные космические лучи дают начало вторичным, воздействию которых и подвергаются живые организмы. Интенсивность такого излучения зависит от географической широты, но особенно от высоты над уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м. В период солнечных вспышек фон космической радиации повышен. Искусственное ионизирующее излучение в результате испытания ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицинских, научных и других целях. Наличие таких источников - причина того, что микроорганизмы в наши дни весьма высоким дозам облучения. Ионизирующее излучение также вызывает повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредованные, возникающее в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой одноцепочечные разрывы молекулы ДНК. Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень широких пределах и контролируется многими генами. Сравнительно легко могут быть получены мутанты более радиорезистентные или радиочувствительные. Степень радиорезистентности зависит прежде всего от работы различных систем репарации и регуляции; степени устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям, могут не совпадать. Различные репарационные системы бактерий будут рассмотрены ниже. В некоторых случаях удается обнаружить связь радиоустойчивости

15

бактерии с особенностями ее местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из радоновых минеральных источников, оказываются в 3-10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной среды. В охладительных системах ядерных реакторов, обитают разные бактерии, в частности представители рода Pseudomonas. В большинстве случаев, однако, трудно найти разумное объяснение адаптационного значения высокой радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высока радиоустойчивость некоторых кокков. Степень радиоустойчивости некоторых бактерий значительно превышает предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в природе. Правильно было бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воздействию определенных факторов среды, поскольку одинаковые нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это относится, прежде всего, к системам репарации ДНК. (Громов, Павленко 1989.)

Deinococcus radiodurans — грамположительный экстремофильный кокк рода Deinococcus. Является одной из самых устойчивых бактерий к действию ионизирующего излучения. Впервые был выведен из консервированного мяса, подвергнутого действию гамма-излучения с целью изучения возможности стерилизации. Разрабатываются способы использования этого микроорганизма в биоочистке радиоактивно неблагополучных сточных вод. Хемоорганогетеротроф, облигатный аэроб. Растет на простых питательных средах. На агаризованных питательных средах образует гладкие выпуклые колонии от розового до красного цвета. Штаммы этого микроорганизма были выделены из большого разнообразия субстратов: от помета слонов и почвы до арктических глыб и песков пустынь. Поэтому нельзя говорить о каком-либо специфическом месте обитания этого микроорганизма. Уникальный геном: ДНК представлена в нескольких копиях и образует и образует вместе переплетенные кольца. Другой особенностью является наличие РНК- лигаз,

16

 способных сшивать молекулы. D. radiodurans  широко известен своей высокой устойчивостью к действию радиации, являясь одним из самых устойчивых к действию радиации организмов в мире — D. Radiodurans способен выживать при дозе до 10000 Грей. (для человека летальная доза радиации 5 Гр., для Escherichia coli —2000Гр). Предположительно, высокая устойчивость к действию ионизирующего излучения возникла как следствие возникновения устойчивости к высушиванию, так как механизмы повреждения ДНК, а следовательно и устойчивости к радиации и высушиванию сходны, к тому же D. radiodurans синтезирует т. н. LEA-белки, предотвращающие агрегацию белков во время высушивания. Долгое время такой уровень устойчивости к действию радиации был не совсем понятен. Сейчас известно, что D. radiodurans хранит в клетке по нескольку копий генома, упакованных в виде тора или колец, дополнительные копии генома позволяют в точности восстановить геном после многочисленных одно- и двуцепочечных разрывов. Было также показано, что как минимум две копии генома при массированных двуцепочечных разрывах образуют полный геном при реассоциации образовавшихся фрагментов ДНК, затем идёт ресинтез поврежденных участков с гомологичных неповреждённых последовательностей, при этом образуется D-петля, после этого происходит рекомбинация между гомологичными последовательностями путём RecA-зависимой гомологичной рекомбинации. RecA D. radiodurans может экспрессироваться только в клетках своего вида, для E.coli, например, он оказывает летальное действие. Определённую роль в резистентности к действию радиации оказывает также присутствие особого белка, связывающегося с одноцепочечной ДНК и предположительно играющего роль в репликации повреждённой ДНК, на радиорезистентность влияет также синтез белка DdrА, обеспечивающего целостность генома. Белок IrrE, регулятор экспрессии гена recA влияет также на уровень устойчивости к действию радиации. Микроорганизм имеет рибонуклеопротеины, также

17

оказывающие действие на устойчивость бактерии к ультрафиолетовому облучению. Для защиты от окислительного стресса, сопровождающего действие ионизирующего излучения D. radiodurans использует особый фермент тиоредоксин редуктазу, а также синтезирует супероксиддисмутазу. Известно несколько бактерий, сравнимых с D. radiodurans по устойчивости к радиации, включая некоторые виды Chroococcidiopsis (цианобактерии) и Rubrobacter (актиномицеты); среди археев, подобными же свойствами обладает Thermococcus gammatolerans. Устойчивость к действию радиации D. radiodurans уникальна, микроорганизм также весьма устойчив к неблагоприятным условиям окружающей среды, что делает этот микроорганизм пригодным для биоочистки радиоактивных отходов. Есть исследования по применению D. radiodurans в биоочистке радиоактивных загрязнений, в том числе содержащие растворённые ионы ртути. В 2003 году американские ученые показали, что D. radiodurans может быть использован в качестве средства хранения информации, которое может пережить ядерную катастрофу. ( Мерзляк, Кауров, Давлетшина, 1999)

3.1 Уровень радиации как фактор адаптации

В отличие от остальных факторов адаптации, радиация имеет четкую первичную точку приложения: прямо или опосредованно этот фактор, прежде всего действует на нуклеиновые кислоты и в первую очередь па ДНК. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили, что в определенной дозе радиация является мощным фактором воздействии па дрожжевую клетку, вызывающим гибель или стойкие изменения наследственной конституции этого организма. Открытие Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова положило начало огромному числу работ по исследованию повреждающего и мутагенного действия различных облучений на клетку. Возникает вопрос, можно ли при воздействии облучением получить более устойчивые к этому фактору организмы. Такого рода устойчивость можно рассматривать в двух планах: повышении выживаемости и

18

снижении скорости мутационного процесса. Виткин, воздействуя УФ-лучами на суспензию клеток Е. Соlli. Ученый получил штаммы с возросшей устойчивостью не только к УФ -, но и к рентгеновским лучам.

Экспериментальные исследования проблемы привели к заключению, что чувствительность микробной клетки к облучениям находится под множественным и весьма сложным генетическим контролем. Важно подчеркнуть, что под действием определенного фактора в ряде случаев были получены штаммы, более устойчивые к этому фактору. Следовательно, эти случаи можно рассматривать как типичный пример появления адаптированных форм. Какова же непосредственная причина их появления? Часто, но не всегда возрастание устойчивости сопровождается нарушением синхронизации деления ядра и клетки, что приводит к появлению многоядерных нитчатых форм. Иногда у более устойчивых форм возникает потребность в некоторых аминокислотах и витаминах.

Микроорганизмы различных систематических групп характеризуются разной степенью устойчивости к облучениям. Наиболее чувствительны грамотрицательные бактерии. Среди грамположительных микроорганизмов обнаружены весьма устойчивые виды. Так, Diplococcus pneumoniae переносит дозу облучения, равную 500 крад. Весьма устойчивы дрожжи рода Candida. Резкие колебания устойчивости возможны не только среди видов одного рода, но и внутри вида. Например, среди дрожжей рода Rhootorula и имеются виды, различающиеся в 300 раз, а среди дрожжей вида Hhodotorula glutinis штаммы, различающиеся в 30 раз по чувствительности к УФ - лучам. Обычно в природных источниках с повышенной радиоактивностью можно обнаружить микроорганизмы, менее чувствительные к летальному действию облучений, чем сходные формы, не подвергавшиеся воздействию этого фактора. Однако известен факт, когда попытка выделить микроорганизмы с повышенной устойчивостью к ионизирующим облучениям из воды, циркулирующей в

19

рубашке атомного реактора, не увенчалась успехом. Микроорганизм с необычно высокой устойчивостью к облучениям был выделен в 1955 г из консервированного мяса и назван Micrococcus radiodurans. Доза ионизирующего облучения вызывающая гибель 99% клеток М. radioduruns, равна 220 крад; необычайно устойчивым этот микроорганизм оказался и к УФ-облучению, перенося дозу в 7000 эрг/мм2.Долгое время причины высокой устойчивости к облучениям у микроорганизмов, выделенных из природы, не были известны. Предпринимались попытки объяснить повышенную устойчивость некоторых микроорганизмов в естественных условиях обитания защитным действием пигментов. Однако эта гипотеза не объясняла корреляции в степени 1 устойчивости к УФ - лучам, ионизирующим облучениям и радиомиметическим соединениям, различия в степени устойчивости в зависимости от состояния микроорганизма и состава среды, механизма защитного или сенсибилизирующего действия некоторых химических соединений на облучаемую клетку. Принципиально новым этапом в изучении реакции микроорганизмов на облучения явилось открытие особых систем репарации лучевых повреждений. Оказалось, что в клетках микроорганизмов имеются сложные полиферментные специфические системы, способные устранять поврежденные облучением участки молекулы ДНК и восстанавливать ее первоначальную структуру. Полученные в результате облучения мутанты Micrococcus radiodurans, утратившие устойчивость к облучениям, имели нарушение в одном из звеньев системы репарации. В настоящее время известны различные системы как световой, так и темповой репарации.

Облучения оказывают повреждающее действие не только на нуклеиновые кислоты, но и на другие компоненты клетки: мембраны, некоторые белки. Однако дозы, повреждающие структуры клетки, превосходят дозы, повреждающие ДНК. Не возникает сомнения в том, что основной причиной высокой радиоустойчивости микроорганизмов, выделенных из природы, является наличие у них активных систем репарации. При возрастании