WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ ХЕМОТАКСИС БАКТЕРИЙ Л. Ю. ЗАВАЛЬСКИЙ Государственный научный центр прикладной микробиологии, пос. Оболенск Московской обл.

ВВЕДЕНИЕ Хемотаксисом называют движение подвижных микроBACTERIAL CHEMOTAXIS организмов, растений и животных, а также подвижных L. Yu. ZAVALSKY клеток (лейкоцитов, сперматозоидов) под влиянием химических веществ. Поскольку одним из важных признаков организма является его способность двиBacterial chemotaxis is the motor reaction of гаться и обмениваться веществом с окружающей среcells in response to the action of chemical subдой, без преувеличения можно сказать, что хемотаксиstances. The signal system and the nature of су в той или иной степени подвержены все живые bacteria's motion are now quite well studied, формы.

and can serve as a model of the behavior of Несмотря на малые размеры (около 1 мкм), бактеmore complex organisms in a changing environ- риальная клетка имеет весьма сложную морфологическую структуру. ДНК бактерии E. coli содержит 5 тыс. геment.

нов, из которых сто ответственны за подвижность и хемотаксис. Это означает, что в строительстве клетки и Хемотаксис бактерий – это двигательная ее функционировании участвуют тысячи белков, около реакция клеток в ответ на действие химиста из которых формируют двигательный и хемочувстческих веществ. Сигнальная система и хавительный аппарат. Системные отношения между рактер движения бактерий к настоящему структурами простой бактерии столь сложны, что не поддаются самому мощному компьютерному анализу.

времени исследованы довольно подробно и Тем не менее основные закономерности движения бакмогут служить прообразом для поведения терий к настоящему времени изучены довольно поболее сложных организмов в изменяющихся дробно.

условиях окружающей среды.

За последние три десятилетия исследование хемотаксиса микроорганизмов вылилось в самостоятельную область биологии прокариот, добившуюся значительных успехов как в понимании биофизических и молекулярно-биохимических процессов, лежащих в основе бактериальной подвижности и хемотаксиса, так и в развитии специфических приемов и методов исследования.

КАК ДВИЖУТСЯ БАКТЕРИИ С изобретением микроскопа ученым открылся еще один путь проникновения в неизведанное. Именно изобретатель микроскопа голландский натуралист Антони ван Левенгук в 1675 году обнаружил с помощью своего детища и зарисовал подвижные одноклеточные микроорганизмы – бактерии. Слово “бактерия” в пеwww.issep.rssi.ru реводе с греческого означает “палочка”. Многие бактерии и впрямь имеют вытянутую форму и похожи на ЗАВАЛЬСКИЙ Л.Ю. ХЕМОТАКСИС БАКТЕРИЙ Завальский Л.Ю., © БИОЛОГ ИЯ палочки. Гораздо более интересным, однако, представ- АТТРАКТАНТЫ И РЕПЕЛЛЕНТЫ ляется вопрос, с помощью чего, каким образом бактеУже Левенгук открыл способность бактерий скаплириям удается поддерживать высокую подвижность в ваться вокруг кусочков пищи. Однако целенаправленводном растворе.

ные исследования хемотаксиса были начаты лишь в конце XIX века. В частности, Пфеффер предложил проОтветить на этот вопрос удалось много лет спустя, стой количественный способ измерения хемотаксиса.

когда техника микроскопии развилась настолько, что В его работах были заложены основы терминологии и стало возможным увидеть на клетке тела бактерии нивпервые использована классическая методика подсчетеподобные отростки, в несколько (иногда в десятки) та числа бактерий, входящих в капиллярную трубку, зараз превышающие по длине размеры самой бактерии.

полненную раствором исследуемого вещества.

Эти отростки, получившие название “жгутики” (дру Химические вещества, привлекающие микрооргагие названия: “флагеллы”, “филаменты”), и являются низмы, получили название аттрактантов, а отталкиваорганами движения бактерий в жидкой среде. Роль жгующие – репеллентов. Само же явление двигательной тиков как органов движения клетки может быть проде- реакции микроорганизмов на химический раздражимонстрирована простым экспериментом: если у по- тель получило название “хемотаксис”. Наилучшими аттрактантами и репеллентами оказались органичесдвижных клеток механическим воздействием отделить кие вещества: сахар, аминокислоты, спирты. Кроме тожгутики от клеток, то последние теряют подвижность.

го, характер хемотаксической реакции сильно зависел Однако, если условия культивации остаются неизменот природы испытуемого химического соединения и ными, а клетки не получили существенных повреждеизучаемого вида бактерий. Исследования Рочерта поний, рост жгутиков возобновляется, причем их норказали, что движение на аттрактанты можно избирамальное число и длина восстанавливаются за время тельно подавлять, ингибируя реакцию на мясной эксодной клеточной генерации. По мере роста жгутиков тракт повышением концентрации этилового спирта клетка начинает двигаться.Поступательное движение или хлороформа.

многожгутиковых бактерий восстанавливается только Исследования по хемотаксису, предпринятые в после того, как жгутики достигнут определенной, поконце XIX века, носили разрозненный характер и не роговой длины.

привели к созданию широкого направления исследований, что, по-видимому, было связано с отсутствием в Число и характер расположения жгутиков на пото время серьезной техники и научной основы, позвоверхности различных видов бактерий изменяются в лившей бы достигнуть определенного успеха в понимашироких пределах. Жгутики могут располагаться понии явления. Дальнейшие исследования хемотаксиса одиночке или группами (пучками), распределяться по фактически прекратились вплоть до 60-х годов XX стовсей поверхности клетки или концентрироваться в одлетия.



ном месте (рис. 1). Однако в рамках одного вида харак В начале 60-х годов проблемой хемотаксиса заинтер флагелляции, как правило, является постоянным, тересовался Адлер. В качестве основного объекта он генетически устойчивым показателем, часто используизбрал кишечную палочку E. coli, для которой струкемым при классификации бактерий (E. coli относится к турные особенности и биохимические процессы были классу политрихов и имеет в норме 5–6 жгутиков). наиболее детально изучены. Он применил и усоверa б в г д Рис. 1. Классификация бактерий по характеру расположения жгутиков на поверхности клетки: а – монополярные монотрихи, б – монополярные политрихи, в – биполярные монотрихи, г – биполярные политрихи, д – политрихи СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №9, БИОЛОГ ИЯ шенствовал метод капилляра, ранее использованный рону возрастающей концентрации аттрактанта, увелиПфеффером. Адлер впервые доказал наличие у бакте- чивается, а при движении в сторону возрастающей рий специфических белков-рецепторов, опознающих концентрации репеллента уменьшается. Аналогичную определенные химические вещества – аттрактанты и картину наблюдали и при изменении концентрации репелленты [1]. Это послужило толчком к серии биохи- хемоэффекторов во времени (ими была сконструиромических и генетических исследований природы бак- вана специальная камера, обеспечивающая заданное териальных хеморецепторов, выполненных в начале повышение и понижение концентрации вещества), а 70-х годов XX века главным образом в лабораториях именно: при увеличении концентрации аттрактанов Адлера и Кошланда. продолжительность периодов относительно ровного плавания бактерий увеличивалась, а при увеличении В 1972 году Берг и Браун сконструировали микроконцентраций репеллентов уменьшалась. Таким обраскоп, автоматически следящий за движением отдельзом было показано, что бактерии “помнят” предшестных бактерий. Генетические и биохимические данные вующие значения концентрации определенных вепо хемотаксису существенно дополнились детальными ществ и меняют характер движения при их изменениях.

сведениями о характере движения бактерий. Было показано, что при отсутствии пространственных или вреКТО ИЗОБРЕЛ КОЛЕСО менных изменений концентраций аттрактантов и ре пеллентов бактерии движутся по гладким траекториям Берг и Андерсон в 1973 году первыми выдвинули гипо(со скоростями примерно 10–20 мкм/с), останавлива- тезу о механизме бактериального движения: причиной ясь и кувыркаясь примерно через равные промежутки перемещения бактерий служит винтообразное вращевремени ( 1 с). После кувыркания (длящегося около ние флагелл. В том же году Сильверманом и Саймоном 0,1 с) бактерия начинает плыть в направлении, не зави- экспериментально была доказана правильность этой сящем от предыдущего. В общем картина движения гипотезы, а также исследовано действие хемоэффектобактерии напоминает броуновское движение частиц – ров на направление вращения жгутиков. Оказалось, случайные блуждания с некоторой средней длиной что повышение концентрации аттрактантов приводит пробега (рис. 2). к росту вероятности вращения флагелл против часовой стрелки, а повышение концентрации репеллентов – к Как выяснили Берг и Браун, при наличии простповышению вероятности противоположного направранственных изменений концентрации аттрактантов ления вращения.

или репеллентов частота кувырканий, а следовательно, Смена направлений вращения приводит к резким и длина свободного пробега бактерии изменяются.

изменениям характера взаимодействия жгутиков друг с Длина свободного пробега бактерии, плывущей в стодругом. Математический анализ динамики взаимодействия жгутиков, выполненный американским исследоаб вателем Макнабом, показал, что при вращении против часовой стрелки несколько флагелл, имеющих форму левосторонней спирали, могут образовать единый тяж без перекручиваний. Такая картина и наблюдается экспериментально. При смене направления вращения такой тяж должен был бы перепутаться, однако фактически происходит перестройка флагелл. При вращении по часовой стрелке флагеллы меняют свою форму: вместо левой спирали с крупным шагом возникает правая 50 мкм спираль с мелким шагом и тяж распадается (рис. 3), бактерия останавливается и начинает кувыркаться.

Рис. 2. Движение бактерии аналогично движению При последующей смене направления вращения фламолекулы газа: траектория подвижной клетки предгелл вновь образуются левоспиральные структуры, они ставляет собой несколько относительно прямолинейных участков, соответствующих фазе “плава- снова формируют тяж и бактерия начинает плыть в нония”, соединенных между собой точками дезориенвом направлении.

тации, соответствующих фазе “кувыркания” клетки Таким образом было установлено, что изменения на месте. Мутанты che-, лишенные способности кувыркаться, плавают по ровным плавным траектори- химического состава среды, детектируемые специфичеям, а лишенные способности плавать не передвигаскими белками-рецепторами, приводят к формироваются вовсе, лишь осаждаясь под действием сил гранию внутриклеточных сигналов, управляющих реживитации: а – траектория движения нормальной мом переключения направлений вращения флагелл. При клетки, б – движение мутанта, лишенного способности кувыркаться движении клетки вдоль направления с возрастающей ЗАВАЛЬСКИЙ Л.Ю. ХЕМОТАКСИС БАКТЕРИЙ БИОЛОГ ИЯ голевым и В.П. Скулачевым. Согласно этой модели, аб вращение жгутика объясняется электростатическим взаимодействием между подвижной роторной белкоВращение по вой структурой жгутика и неподвижно закрепленным в часовой стрелке мембране статорным белковым комплексом – настояВращение против щее подобие современного электродвигателя [2]. Тачасовой стрелки ким образом, приписываемое человеку изобретение колеса было осуществлено в природе задолго до появления человека.





СИНХРОННОЕ ПЛАВАНИЕ Силы “ПОД МУЗЫКУ” ХИМИЧЕСКИХ ВОЛН вязкости Знание особенностей движения отдельных бактериальных клеток при хемотаксисе и поведения популяции в целом позволило в рамках математической модели связать эти движения воедино с целью более полного анализа и выявления как характеристик движения поНормальная Курчавая пуляций на основе знания особенностей движения левая спираль правая спираль отдельных клеток, так и для решения обратной задачи расчета характеристик движения индивидуальной клетки из общей картины движения [3]. В известном смысле хемотаксис бактерий можно толковать как взаимодействие бактериального и химического полей.

Химическое поле вызывает пространственное перераспределение популяции клеток, ее смещение в сторону аттрактантов и удаление от репеллентов. Бактериальное поле оказывает действие на химическое тем, что Рис. 3. Полный переход между нормальной лево- бактерии попросту съедают необходимые им компоненспиральной формой филамента, соответствующей ты и меняют окружающее химическое пространство.

фазе плавания клетки (а), и (б) курчавой правоспиВ природе чаще встречается ситуация, когда атральной формой, соответствующей кувырканию клетки, в вязкой среде при перемене направления трактант одновременно является и метаболизируемым вращения флагелл (усваиваемым) субстратом для клетки. Популяция бактерий, помещенная в раствор такого вещества, выедает концентрацией аттрактанта или убывающей концент- субстрат и образует так называемый градиент (конценрацией репеллента удлиняется интервал, на котором трационный перепад) аттрактанта, вдоль которого попроисходит вращение флагелл против часовой стрел- пуляция передвигается с помощью хемотаксиса, проки, и дольше существует синхронно вращающийся должая выедать субстрат. Это похоже на змейки огня в тяж. Все это время бактерия плывет примерно в одном сухой траве по весне, когда пламя фронтом завоевыванаправлении, и длина свободного пробега в этом на- ет невыгоревшие участки пространства. Вернемся к правлении возрастает. опытам Адлера с капиллярной трубкой. Что в действительности происходит, когда капилляр, содержащий В противоположной ситуации (убывание концентодну-единственную аминокислоту (например, L-серации аттрактанта или рост концентрации репеллента) рин), погружают в суспензию подвижных бактерий происходит более быстрое переключение на вращение Аминокислоты, как правило, являются одновременно по часовой стрелке. Тяж распадается. Бактерия остаи хорошими аттрактантами и хорошими метаболитами навливается и кувыркается на месте. При последуюдля клеток. Бактерии, выедая аминокислоту, в резульщем восстановлении тяжа движение с большей верояттате хемотаксической реакции проникают внутрь каностью будет происходить в другом направлении. В пилляра и волной движутся вдоль него, отслеживая результате бактерии избегают мест с повышенным софронт неутилизированного субстрата (рис. 4).

держанием репеллентов и группируются в местах с наНа рис. 4 видны две бактериальные полосы, обраивысшими концентрациями аттрактантов.

зующиеся в капилляре вследствие хемотаксиса. Поче Модель работы флагеллярного мотора была предло- му две, а не одна и может ли их быть больше Образожена в 1978 году советскими исследователями А.Н. Гла- вание двух полос в данном случае объясняется тем, что СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №9, БИОЛОГ ИЯ концентрацией вещества, роль хемотаксиса сводится к Капилляр с 0,01М L-серина тому, чтобы поддерживать наивысшую концентрацию и 0,001М Обактерий строго на границе субстрата.

Бактерии Еще один способ исследования хемотаксиса базиПолоса 2 Полоса руется на предсказанном теорией изменении светорасНаправление миграции полос сеяния ориентирующихся при хемотаксисе клеток. Эта экспресс-методика позволяет количественно и качественно измерять хемотаксическую реакцию в пределах 0,01М L-серина одной минуты. Лабораторные исследования и математические модели ограничиваются в основном одномерным хемотаксисом для гомогенной популяции бактерий Vодного вида и одного или двух экзогенных (внешних) источников энергии. В природе все значительно сложнее. Взять хотя бы пример симбиотического взаимоVдействия ризосферных бактерий рода Rhizobium с кор0,001М Онями растений. Бактерии хемотаксически реагируют Расстояние вдоль капилляра на экссудат (выделения) корневой системы и скаплив относительных единицах ваются в ризосферной зоне толщиной около 100 мкм.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.