БАКТЕРИОЛИЗ

БАКТЕРИОЛИЗ (bacteriolysis; бактерии] + греческий lysis разрушение, растворение) — растворение (лизис) бактерий in vitro или в организме животного вследствие нарушения поверхностных структур микробной клетки с последующим выходом ее содержимого в окружающую среду. Бактериолиз может быть спонтанным или индуцированным различными факторами: физическими и химическими агентами, антибиотиками, ферментами и специфическими антителами. Кроме того, бактериолиз может наступить в результате воздействия бактериальных вирусов (см. Bdellovibrio bacteriovorus).

Одним из примеров лизиса бактерий под воздействием физических факторов является феномен плазмоптиза, возникающий при помещении бактериальных клеток в гипотоническую среду. В таких условиях вода проникает внутрь клетки вследствие разности осмотического давления среды и цитоплазмы бактерии и в конечном итоге приводит к набуханию бактериальной клетки, разрыву ее поверхностных структур и растворению. Противоположным плазмоптизу является феномен плазмолиза (см.), возникающий, если бактериальные клетки находятся в гипертоническом растворе. В этих условиях вода, содержащаяся внутри бактерии, выходит в окружающую среду, и в результате обезвоживания цитоплазмы последняя отслаивается от клеточной стенки.

Высокоактивным агентом, который в определенных условиях способен вызвать бактериолиз, является фермент лизоцим (см.) и некоторые антибиотики (пенициллин, D-циклосерин, бацитрацин А, ванкомицин), а также ряд поверхностноактивных веществ, относящихся к группе детергентов.

Бактериолиз, индуцированный физическими и химическими факторами, может рассматриваться как неспецифический. К специфическому бактериолизу относится лизис, вызываемый воздействием на бактерии иммунных антител в сочетании с комплементом, а также при заражеНии бактерий фагом или микроорганизмами-паразитами.

Стенка бактерий состоит из ригидных компонентов, ассоциированных с эластическими полимерами, и располагается между цитоплазматической мембраной и капсулой. Она обеспечивает механическую прочность оболочки и постоянство формы бактериальных клеток, защищая цитоплазму и мембрану от неблагоприятных воздействий внешних факторов.

Чувствительность различных видов бактерий к литическим агентам не одинакова и связана со структурными особенностями их клеточных стенок. Основным компонентом клеточной стенки, обеспечивающим ее ригидность, является особый полимер муреин (синоним: мукопептид, мукополимерная субстанция, пептидогликан), нерастворимый в воде и 10%-ной трихлоруксусной кислоте, гидролиз которого может быть осуществлен лишь в «жестких» условиях.

В состав муреина всех изученных бактериальных видов входят аминосахара (N-ацетилглюкозамин и N-ацетилмурамовая кислота) и аминокислоты (L- и D-аланин, D-глутами-новая к-та). Помимо указанных компонентов, в муреине некоторых видов бактерий обнаруживаются другие («альтернативные») аминокислоты, к числу которых в первую очередь относятся L-лизин и 2,6-диаминопимелиновая кислота, а также глицин, серин и аспарагиновая кислота. Строение муреинов грамположительных бактерий более разнообразно и сводится к различному составу пептидной части его структурных единиц.

Многие ферменты и в первую очередь лизоцим (ацетилмурамидаза) способны вызывать лизис клеточной стенки бактерий вследствие частичного или полного разрушения ее ригидного муреинового компонента посредством гидролиза β (1,4)-гликозидных связей, соединяющих N-ацетилглюкозамин и N-ацетилму-рамовую кислоту. При разрушении муреина лизоцимом возникают продукты распада относительно крупных размеров, поскольку большинство структурных единиц этого полимера связаны между собой не только гликозидными, но и пептидными связями. Наибольшей чувствительностью к действию лизоцима характеризуются бактерии родов Micrococcus, Sarcina и Bacillus. В гипотонической среде разрушение клеточной стенки бактерий приводит их к быстрому лизису. Если же разрушение клеточной стенки осуществляется в условиях гипертонической среды, например, при высокой концентрации сахарозы, то формируются особые структуры сферической формы, которые представляют собой цитоплазму, окруженную цитоплазматической мембраной. У этих структур, получивших наименование протопластов, или сферопластов (см. Протопласты бактериальные), сохраняются отдельные компоненты клеточной стенки. Целостность этих структур обеспечивается повышенным осмотическим давлением окружающей среды, предотвращающим их растворение. Важным фактором, определяющим чувствительность бактерий к действию литических агентов, является строение самой клеточной стенки. Так, напр., если стенка грамположительных бактерий состоит главным образом из муреина, количественное содержание которого достигает 90% от веса стенки, то отдельные штаммы грамотрицательных микробов, в частности E. coli, содержат не более 10% этого ригидного компонента. Помимо муреина, клеточные стенки грамотрицательных бактерий, обладающие более сложной структурой, включают большие количества липидов, которые находятся в составе липопротеиновых и липополисахаридных слоев. Лизис грамотрицательных бактерий может быть существенно ускорен путем предварительной обработки клеток агентами, удаляющими липопротеиновый и липополисахаридный слои, что облегчает гидролиз ригидного слоя стенки мурамидазами.

Весьма эффективными литическими ферментами являются ферменты микробного происхождения, обладающие, в отличие от лизоцима, широким спектром действия. Способностью продуцировать литические ферменты обладают некоторые представители родов Bacillus, Pseudomonas и др. Литические ферменты, продуцируемые бактериями, как правило, представляют собой комплексные вещества, состоящие из нескольких энзимов с различной субстратной специфичностью.

Нарушение целостности ригидной структуры клеточной стенки может быть вызвано действием ферментов разных типов: как гидролизующих гликозидные связи гликановой части муреина, так и разрушающих связи его пептидного компонента. Этим, по-видимому, объясняется более широкий диапазон действия литических ферментов бактериального происхождения по сравнению с лизоцимом.

Другим примером неспецифичного индуцированного бактериолиза является растворение бактерий под влиянием некоторых поверхностноактивных веществ из группы детергентов (см.). Большинство детергентов не обладает избирательностью действия и способно вызывать лизис бактерий разных видов; в первую очередь к таким веществам относятся четвертичные соединения аммония. Аналогичным свойством обладают некоторые мыла, эффективность которых в значительной степени зависит от видовой принадлежности микроорганизма.

К числу агентов, способных обусловливать лизис бактериальных клеток, принадлежат антибиотик пенициллин и его производные. В отличие от лизоцима и других химических агентов, разрушающих уже существующую клеточную стенку, пенициллин вызывает бактериолиз вследствие нарушения биосинтеза ригидного полимера стенки — муреина. Бактерии со сформировавшейся клеточной стенкой, находящиеся в среде, неспособной поддерживать их метаболизм, оказываются нечувствительными к литическому действию данного антибиотика, поскольку синтеза клеточной стенки не происходит.

Растущие бактерии под влиянием пенициллина лизируются, так как образование ригидного компонента клеточной стенки ингибируется антибиотиком, а одна цитоплазматическая мембрана не в состоянии выполнить функцию осмотического барьера. Если же бактерии растут в присутствии пенициллина в гипертонической среде, то лизис их не индуцируется, а формируются бесстеночные структуры — протопласты, или сферопласты. Следует отметить, что лизис клеток, индуцируемый пенициллином, наступает тем быстрее, чем быстрее осуществляется синтез внутриклеточных материалов на фоне угнетения биосинтеза клеточной стенки. Этим объясняется тот факт, что пенициллин активен в большей степени по отношению к бактериальным культурам, находящимся в логарифмической фазе роста, и более активен против грамположительных бактерий, чем против грамотрицательных. Последнее связано с тем, что в клеточной стенке грамотрицательных бактерий ригидный слой не является основным компонентом, тогда как у грамположительных он представляет главную часть клеточной стенки.

Особенностями механизма действия пенициллина может быть объяснена его низкая токсичность для клеток млекопитающих, в которых отсутствует пептидогликан. Конечно, это не означает, что данный антибиотик абсолютно индифферентен для клеток животных.

Помимо пенициллина, некоторые другие антибиотики, резко отличающиеся от него по химическим и биологическим свойствам, также ингибируют биосинтез ригидного компонента клеточной стенки у определенных видов бактерий. К числу таких антибиотиков относятся D-циклосерин, бацитрацин А, новобиоцин и ванкомицин, тонкий механизм действия которых существенно отличается от такового у пенициллина. Однако конечный эффект одинаков. Помимо антибиотиков, торможение синтеза основной структуры клеточной стенки с последующим лизисом бактерий может быть индуцировано некоторыми другими химическими агентами — генцианвиолетом, глицином, D-аминокислотами и пиримидиновыми аналогами.

Способность пенициллина обусловливать лизис микробов в результате интерференции с процессом биосинтеза ригидного компонента клеточной стенки была использована для разработки наиболее эффективной методики отбора ауксотрофных мутантов бактерий (см. Ауксотрофные микроорганизмы), предложенной в 1948 году Дейвисом (В. D. Davis) и Ледербергами (E. Lederberg, J. Lederberg). Метод применим ко всем бактериальным видам, чувствительным к данному антибиотику, и сводится к следующему. Популяция прототрофных бактерий выращивается в течение 12—24 часов в жидкой минимальной среде, содержащей бактерицидные концентрации пенициллина. При этом большинство прототрофных бактерий погибает, поскольку они способны расти в такой среде, а пенициллин обусловливает лизис растущих клеток. Ауксотрофные мутанты, присутствующие в популяции, без необходимых ростовых веществ не могут расти в условиях минимальной среды, и антибиотик на них не действует. Последующий пересев культуры на полноценную питательную среду обеспечивает выжившим ауксотрофным мутантам хорошие ростовые условия и таким образом их относительное количество повышается. Дальнейшее выделение и идентификация мутантов осуществляется путем определения ростовых потребностей колоний, выросших при высеве на плотную полноценную среду.

Пенициллиновый метод позволяет также выделять ауксотрофные мутанты определенного типа. В этом случае в минимальную среду, содержащую пенициллин, добавляют те или иные ростовые вещества с целью обеспечения роста (а следовательно, и гибели под действием антибиотика) зависимых по ним мутантов. Питательное вещество, по отношению к которому предполагается изолировать ауксотрофные бактерии, при этом к среде не добавляется.

Способность лизоцима избирательно разрушать клеточную стенку определенных видов бактерий используется в лабораториях при получении препаратов бактериальных цитоплазматических мембран. Для этого сначала из бактериальных клеток с помощью лизоцима (можно использовать и другие литические агенты сходного механизма действия) получают протопласты, которые затем подвергаются осмотическому лизису с последующим выделением чистых препаратов мембран путем дифференциального центрифугирования. Характерным примером специфического бактериолиза является растворение холерных и холероподобных вибрионов в организме иммунизированного животного (см. Исаева-Пфейффера феномен).

Библиогр.: Головина И. Г. Литические ферменты микроорганизмов, в кн.: Усп. микробиол., под ред. А. А. Имшенец-кого, в. 8, с. 108, М., 1972; 3ильбeр Л. А. Основы иммунологии, с. 469, М., 1958; Сазыкин Ю. О. Антибиотики как ингибиторы биохимических процессов, М., 1968, библиогр.

Ю. К. Фомичев.