РОСТ И КУЛЬТИВИРОВАНИЕ БИООБЪЕКТОВ - В. М. Самыгин - 2016

ГЛАВА 7. ФОРМЫ МЕЖВИДОВЫХ ОТНОШЕНИЙ В МИКРОБИОЦЕНОЗАХ. АНТАГОНИЗМ МИКРОБОВ. АНТИБИОТИКИ

7.1. Межвидовые отношения в микробиоценозах

Межвидовые отношения в микробных сообществах могут быть обусловлены трофическими, экологическими и метаболическими факторами, связанными с особенностями обмена веществ, в результате чего образуются и выделяются в среду обитания различные продукты метаболизма. Формы межвидовых взаимоотношений условно делят на две группы: ассоциативные (симбиотические) - благоприятные и конкурентные (антагонистические) - неблагоприятные. Крайне редко они могут характеризоваться как нейтральные, когда популяции при совместном сосуществовании не оказывают влияния друг на друга.

Совместное существование различных организмов называют симбиозом (греч. simbiosis - жизнь вместе). Типы симбиотических (ассоциативных) взаимоотношений зависят от степени близости симбионтов и от взаимозависимости партнеров. В зависимости от степени близости симбионтов различают эктосимбиоз, при котором сохраняется внешнее положение каждого из членов сообщества, и эндосимбиоз, при котором один из членов сообщества развивается внутри другого. Взаимозависимость партнеров определяют, как факультативный и облигатный симбиоз. В отличие от факультативных облигатные симбионты невозможно культивировать в изолированном друг от друга виде.

Различают несколько типов симбиоза:

- мутуализм - взаимовыгодный симбиоз, при котором каждый из членов сообщества получает определенную пользу и при совместном существовании они развиваются лучше, чем каждый из них в отдельности (например, азотфиксирующие и целлюлозоразрушающие бактерии);

- комменсализм - форма симбиоза, при которой один организм извлекает пользу для себя, не принося вреда другим членам сообщества.

Например, ассоциации микрофлоры теплокровных животных, человека (эктосимбионты) и лизогенные сообщества бактерии и профага (эндосимбионты);

- синергизм (взаимопомощь) - усиление физиологических функций симбионтов. Так, совместное выращивание дрожжей и молочнокислых бактерий (эктосимбиоз) сопровождается активацией процессов молочнокислого брожения;

- саттелизм (саттелит - спутник) представляет форму взаимоотношений, при которой разные виды сосуществуют в одном биотопе, причем развитие одного из спутников стимулируется продуктами метаболизма другого. На этом основано использование сарцин, стафилококков, дрожжей и других в качестве стимуляторов роста ряда бактерий;

- метабиоз - последовательная смена видов в одном и том же биотопе, когда один организм использует продукты жизнедеятельности другого. Например, при брожении виноградного сока вначале размножаются дрожжи, переводящие глюкозу в спирт, затем уксуснокислые бактерии окисляют спирт в уксусную кислоту, далее плесневые грибы разлагают эту кислоту и т. д.

Антагонистические взаимоотношения возникают, когда один вид угнетает или полностью подавляет рост и развитие других видов. Там, где обитают микроорганизмы, идет непрерывная борьба за источники питания, кислород, за место обитания и др. Например, молочнокислые бактерии обладают антагонистическими свойствами в отношении шигелл, иерсиний и др. Синегнойные бактерии подавляют рост сальмонелл, холерного вибриона, стафилококков, бацилл сибирской язвы и др.

Выделяют следующие формы антагонистических взаимоотношений:

- конкуренция - форма межвидовых отношений, при которой ассоцианты популяции имеют сходные потребности в питательных веществах. Конкуренция за источники питания обеспечивает более активное развитие той популяции, у которой выше скорость роста;

- хищничество - тип межвидовых взаимоотношений, при которых один вид (хозяин) захватывает, поглощает и переваривает другой. Например, кишечная амеба питается микроорганизмами кишечника (бактериями, грибами);

- паразитизм - форма сосуществования, при которой выгоду от совместного существования извлекает лишь один из партнеров (паразит), а другой (хозяин) получает повреждения или гибнет. Например, взаимоотношения между вирулентным фагом (паразит) и бактериальной клеткой (хозяин);

- антибиоз - способность одного вида выделять вещества, угнетающие жизнедеятельность других видов. Наиболее известной формой антибиоза является способность микроорганизмов выделять антибиотики. Антибиоз возможен и внутри одного вида микроорганизмов. Такие отношения базируются на способности бактерий продуцировать бактериоцины (колицины, пестицины и др.).

На разных этапах роста микроорганизмов, в зависимости от условий жизнедеятельности в той или иной экологической нише, один тип взаимоотношений может сменяться другим. В результате симбиотические взаимоотношения могут переходить от мутуалистических к паразитическим и обратно.

7.2. Антибиотики

Антибиотики - это антимикробные вещества природного происхождения или продукты их химической модификации, угнетающие рост и развитие микроорганизмов и клеток злокачественных опухолей. В отличие от антисептиков и дезинфицирующих средств антибиотики обладают избирательным действием на микроорганизмы. Подавляющее большинство антибиотиков являются продуктами биотехнологии, поскольку их получают при ферментации микробов-продуцентов или применяют антибиотическое ядро для синтеза целевого продукта - полусинтетического антибиотика. Лишь некоторые антибиотики производят на предприятиях органического синтеза (например, левомицетин и др.). Активность антибиотиков очень высока, поэтому антимикробное действие проявляется при чрезвычайно малых их концентрациях.

7.2.1. История открытия и получение антибиотиков

Первые антибиотики были выделены еще до того, как стала известна их способность угнетать рост микроорганизмов. Так, в 1860 году был получен в кристаллической форме синий пигмент пиоцианин, вырабатываемый псевдомонадами, хотя его антибиотические свойства были обнаружены лишь через много лет. В 1877 году Л. Пастер описал антибиоз между почвенными бактериями и бациллами сибирской язвы и предположил, что антибиоз может стать основой методов специфического лечения. В 1929 году Александр Флеминг, наблюдая антагонизм Penicillium notatum и стафилококка в смешанной культуре, открыл пенициллин и предложил возможность его применения в лечебных целях. В 1939 году был получен тиротрицин - комплекс антибиотиков, состоящий из грамицидина и тироцидина. В 1944 году З. Ваксман занимался актиномицетами (Streptomyces) и открыл стрептомицин - эффективное средство лечения туберкулеза и других заболеваний. В последующем было получено множество антибиотиков, продуцируемых различными микроорганизмами.

Подавляющее большинство природных антибиотиков образуется бактериями (главным образом актиномицетами из родов Streptomyces, Nocardia) и микроскопическими мицелиальными грибами (родов Penicillium, Acremonium, Fusidium и др.). Кроме того, противомикробные вещества выделяют растения и животные: лишайники, многие моллюски, губки и другие морские животные.

Способностью вырабатывать антибиотики обладают не все микроорганизмы, а лишь некоторые штаммы отдельных видов. Так, пенициллин образуют некоторые штаммы Penicilliumnotatum, P. chrysogenum, а стрептомицин - определенный штамм Streptomyces griseus, тогда как другие штаммы этих видов такие антибиотики не вырабатывают. Причем максимальный выход антибиотика может зависеть от условий выращивания штамма-продуцента. Некоторые микроорганизмы выделяют несколько антибиотиков, а один и тот же антибиотик может продуцироваться микроорганизмами разного рода. Разные микроорганизмы могут вырабатывать различные химические формы одного и того же антибиотика, например, разные пенициллины или различные формы стрептомицина.

Способностью вырабатывать антибиотики обладают как спорообразующие, так и не образующие спор бактерии и более половины изученных на этот предмет родов грибов. Из неспорообразующих бактерий, таких как Pseudomonas aeruginosa, выделены пиоцианин и пиоцианаза. Из других антибиотиков следует отметить колицины, производимые различными штаммами E. coli. Спорообразующие бактерии, такие как Bacillus subtilis, производят бацитрацин, субтилин, B.brevis - тиротрицин, B.polimixa - по- лимиксин (аэроспорин). Из актиномицетов (грибковоподобных бактерий), кроме пенициллина, выделено и описано более 200 соединений, в том числе стрептомицин, тетрациклины, эритромицин, неомицин, новобиоцин и др. Одни из них обладают антибактериальным действием, другие - антигрибковым, третьи активны против некоторых вирусов. Микроскопические грибы являются одними из наиболее важных производителей антибиотиков. Они вырабатывают цефалоспорин, гризеофульвин, микофеноловую кислоту, пеницилловую кислоту, аспергилловую кислоту и многие другие соединения.

7.2.2. Классификация и механизм действия

Со времени открытия П. Эрлиха первого химиотерапевтического препарата сальварсана было получено более 10000 различных антибиотиков, поэтому важной проблемой явилась систематизация этих препаратов. В настоящее время существуют различные классификации антибиотиков, однако ни одна из них не является универсальной. Антибиотики классифицируют по биологическому происхождению, химической структуре, механизму действия, спектру активности, частоте развития лекарственной устойчивости и т. д. В основу главной классификации антибиотиков положены их химическая структура и механизм действия. Согласно этой классификации, выделяют следующие основные группы.

β-лактамные антибиотики включают две большие подгруппы: пенициллины и цефалоспорины, имеющие схожую химическую структуру, β-лактамные антибиотики подавляют синтез пептидогликана путем ингибирования ферментов - пенициллинсвязывающих белков (ПСБ). Основное действие пенициллинов связано с их способностью угнетать образование клеточной стенки бактерий и тем самым подавлять их рост и размножение. Важным преимуществом цефалоспоринов является их активность по отношению к микробам, устойчивым к действию пенициллинов.

Аминогликозиды. Механизм действия аминогликозидов заключается в связывании малой (30S) субъединицы бактериальной рибосомы, в результате чего нарушается механизм трансляции и в растущую полипептидную цепь включаются ошибочные аминокислоты, что приводит к синтезу неполноценных белковых молекул. Антибиотики проявляют активность только в отношении аэробов, тогда как анаэробы обладают к ним природной устойчивостью. К этой группе антибиотиков относятся стрептомицин, канамицин, мономицин, гентамицин, неомицин, амикацин и др.

Хинолоны. Мишенью действия хинолонов являются изомеразы и ДНК-гиразы - ферменты, изменяющие пространственную конфигурацию молекулы ДНК. К хинолонам чувствительны основные представители семейства Enterobacteriaceae. Менее чувствительны псевдомонады, хламидии, микоплазмы и некоторые другие микробы. К препаратам этой группы относятся норфлоксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин, левофлоксацин.

Макролиды. Макролиды ингибируют синтез белка, связываясь с одним и тем же участком на 50S субъединице рибосомы. В спектр действия макролидных антибиотиков входят, прежде всего, грамположительные микроорганизмы (стафилококки, стрептококки), активность в отношении грамотрицательных бактерий (нейссерий, гемофильных микробов) значительно ниже и имеет ограничения. Исключения составляют хеликобактер и легионеллы. Из этой группы антибиотиков со сложной циклической структурой наиболее известны эритромицин, олеандомицин, новобиоцин.

Тетрациклины. К этой группе антибиотиков относят природные соединения - тетрациклин, хлортетрациклин, окситетрациклин, а также полусинтетические препараты доксициклин и миноциклин. Их продуцентами являются стрептомицеты. Антибактериальный эффект тетрациклинов обусловлен тем, что они связываются с 305 субъединицей рибосомы и предотвращают присоединение к ней тРНК. Тетрациклины оказывают бактериостатическое действие и эффективны в отношении хламидий, микоплазм и риккетсий.

К полипептидным антибиотикам относят бацитрацины, грамицидины, полимиксины, циклоспорин А. Их механизм действия заключается в нарушении синтеза клеточных мембран.

Левомицетины. Левомицетин (хлорамфеникол) угнетает синтез бактериальных белков, обладает широким спектром действия, а в больших дозах вызывает бактерицидный эффект.

Актиномицины образуются стрептомицетами, по химическому строению они относятся к хромопротеидам. Наиболее известен актиномицин (дактиномицин), ингибирующий ДНК-зависимый синтез РНК.

Из различных классов следует отметить противогрибковые антибиотики, способные разрушать мембрану клеток микроскопических грибков, вызывая их гибель. Наиболее известные представители этой группы - нистатин, леворин, натомицин.

Таким образом, основные механизмы биологического действия антибиотиков заключаются в нарушении синтеза клеточной стенки (β-лактамы), нарушении функционирования, молекулярной организации и синтеза клеточных мембран (полипептидные антибиотики), ингибировании синтеза нуклеиновых кислот (хинолоны). Механизм действия наиболее многочисленной группы антибиотиков (аминогликозиды, тетрациклины, макролиды, левомицетин) связан с нарушением синтеза белка и функции рибосом.

7.2.3. Антибиотикорезистентностъ

Антибиотикорезистентность - это способность микроорганизмов противостоять действию антибиотика. Она возникает спонтанно вследствие мутаций и под воздействием антибиотика закрепляется в микробной популяции. Резистентность контролируется генами, локализованными на хромосоме или на внехромосомных генетических элементах - плазмидах, причем детерминанты устойчивости могут передаваться от хромосомы к плазмиде и наоборот. Распространению резистентности способствует обмен генетическим материалом посредством конъюгации, трансформации, трансдукции. В результате появилась полирезистентность, обусловленная наличием нескольких генов, каждый из которых при экспрессии обеспечивает резистентность к определенному антибиотику. Часто устойчивость к одному и тому же антибиотику определяется разными механизмами. В общих чертах механизмы образования резистентности представляются следующими:

- у микроорганизма может отсутствовать структура, на которую действует антибиотик. Например, бактерии рода Mycoplasma нечувствительны к пенициллину, так как не имеют клеточной стенки;

- микроорганизм не проницаем для антибиотика (большинство грамотрицательных бактерий невосприимчивы к пенициллину G, поскольку клеточная стенка защищена дополнительной мембраной);

- микроорганизм в состоянии переводить антибиотик в неактивную форму (многие стафилококки содержат фермент β-лактамазу, который разрушает β-лактамовое кольцо большинства пенициллинов);

- обмен веществ микроорганизма вследствие мутаций может быть изменен таким образом, что блокируемые антибиотиком реакции перестают быть для микроорганизма губительными;

- микроорганизм в состоянии выкачивать антибиотик из микробной клетки.