Причина загибелі мікроорганізмів під впливом іонізуючого випромінювання. Дія на мікроорганізми фізичних чинників довкілля. Стерилізація, методи стерилізації, апаратура, контроль. Концентрація мікробних клітин в опромінюваному об'єкті

Фізичні, хімічні та біологічні фактори навколишнього середовища надають різний вплив на мікроорганізми: бактерицидний – що призводить до загибелі клітини; бактеріостатичне - переважне розмноження мікроорганізмів; мутагенне - що змінює спадкові властивості бактерій.

4.3.1. Вплив фізичних факторів

Вплив температури.Представники різних груп мікроорганізмів розвиваються за певних діапазонів температур. Бактерії,

що ростуть при низькій температурі, називають психрофілами; при середній (близько 37 ° С) - мезофіт; при високій – термофілами.

Психофільнімікроорганізми ростуть при температурі від -10 до 40 °С; температурний оптимум коливається від 15 до 40 °С, наближаючись до температурного оптимуму мезофільних бактерій. , що світяться бактерії, бацили) Деякі психрофіли можуть викликати псування продуктів харчування на холоді. оптимумі зростання 25 ° С). Залежно від температури культивування властивості бактерій змінюються. Так, Serratia marcescensутворює при температурі 20-25 ° С більше червоного пігменту (продігіозану), ніж при температурі 37 °С. Збудник чуми, вирощений при 25 ° С, вірулентніше, ніж при 37 "С. Синтез полісахаридів, у тому числі капсульних, активізується при нижчих температурах культивування.

Мезофілиростуть в діапазоні температур від 10 до 47 ° С, оптимум зростання близько 37 "С. Вони включають основну групу патогенних і умовно-патогенних бактерій.

Термофільні бактеріїрозвиваються за вищих температур (від 40 до 90 °С). На дні океану в гарячих сульфідних водах живуть бактерії, що розвиваються при температурі 250-300 ° С та тиску 265 атм. Термофіли живуть у гарячих джерелах, беруть участь у процесах самонагрівання гною, зерна, сіна. Наявність великої кількості термофілів у ґрунті свідчить про її забрудненість гною та компостом. Оскільки гній найбільш багатий на термофіли, їх розглядають як показник забрудненості грунту.

Температурний фактор враховується під час здійснення стерилізації. Вегетативні форми бактерій гинуть при температурі 60 ° С протягом 20-30 хв, спори - в автоклаві при 120 ° С в умовах пари під тиском.

Мікроорганізми добре переносять дію низьких температур. Тому їх можна

довго зберігати у замороженому стані, у тому числі при температурі рідкого азоту (-173 °С).

Висушування.Зневоднення викликає порушення функцій більшості мікроорганізмів. Найбільш чутливі до висушування збудники гонореї, менінгіту, холери, черевного тифу, дизентерії та інші патогенні мікроорганізми. Більш стійкими є мікроорганізми, захищені слизом мокротиння. Так, бактерії туберкульозу в харкотинні витримують висушування до 90 днів. Стійкі до висушування деякі кап-суло-і слизові бактерії. Особливу стійкість мають суперечки бактерій. Наприклад, суперечки збудника сибірки можуть зберігатися в грунті століттями.

Для продовження життєздатності при консервуванні мікроорганізмів використовують ліофілізацію - висушування під вакуумом із замороженого стану. Ліофілізовані культури мікроорганізмів та імунобіологічні препарати тривало (протягом кількох років) зберігаються, не змінюючи своїх первісних властивостей.

Дія випромінювання.Іонізуюче випромінювання застосовують для стерилізації одноразового пластикового мікробіологічного посуду, поживних середовищ, перев'язувальних матеріалів, лікарських препаратів та ін. Однак є бактерії, стійкі до дії іонізуючого випромінювання, наприклад Micrococcus radioduransбуло виділено з ядерного реактора.

Неіонізуюче випромінювання – ультрафіолетові та інфрачервоні промені сонячного світла, а також іонізуюче випромінювання – гамма-випромінювання радіоактивних речовин та електрони високих енергій згубно діють на мікроорганізми вже через короткий проміжок часу.

Ультрафіолетові промені, що досягають поверхні землі, мають довжину хвилі 290 нм. УФ-промені застосовують для знезараження повітря та різних предметів у лікарнях, пологових будинках, мікробіологічних лабораторіях. З цією метою використовують бактерицидні лампи ультрафіолетового випромінювання із довжиною хвилі 200-400 нм.

4.3.2. Вплив хімічних речовин

Хімічні речовини можуть різний вплив на мікроорганізми: служити джерелами харчування; не надавати будь-якого впливу; стимулювати чи придушувати зростання, викликати загибель. Антимікробні хімічні речовини використовуються як антисептичні та дезінфікуючі засоби, тому що мають бактерицидну, вірулі-цидну, фунгіцидну дію і т. д.

Хімічні речовини, що використовуються для дезінфекції, відносяться до різних груп, серед яких найбільш широко представлені хлор-, йод- та бромсодержащіе сполуки та окислювачі (див. Розд. 7.7).

4.3.3. Вплив біологічних факторів
Мікроорганізми знаходяться в різних
них взаємовідносинах один з одним.
Спільне існування двох різних
організмів називається симбіозом(Від грец.
simbiosis- спільне життя). Розрізняють
кілька варіантів корисних взаємовідносно
шений: метабіоз, мутуалізм, комменсалізм,
сателізм.

Метабіоз- Взаємини мікроорганізмів, при якому один з них використовує для своєї життєдіяльності продукти життєдіяльності іншого. Метабіоз характерний для ґрунтових нітрифікуючих бактерій, що використовують для свого метаболізму аміак - продукт життєдіяльності ґрунтових бактерій, що амоніфікують.

Мутуалізм- Взаємовигідні взаємини різних організмів. Прикладом мутуалістичного симбіозу є лишайники – симбіоз гриба та синьо-зеленої водорості. Отримуючи від клітин водорості органічні речовини, гриб, у свою чергу, постачає їм мінеральні солі та захищає від висихання.

Коменсалізм(Від лат. commensalis- співтрапезник) - співжительство особин різних видів, при якому вигоду з симбіозу отримує один вид, не завдаючи іншому шкоди. Комменсалами є бактерії – представники нормальної мікрофлори людини.

Сателізм- Посилення зростання одного виду мікроорганізму під впливом іншого виду мікроорганізму. Наприклад, колонії дріжджів або сарцин, виділяючи в живильне середовище метаболіти, стимулюють зростання навколо них колоній інших мікроорганізмів. При спільному зростанні кількох видів мікроорганізмів можуть активізуватися їх фізіологічні функції та властивості, що призводить до швидшого впливу на субстрат.

Антагоністичні взаємини, або антагоністичний симбіоз,виражаються як несприятливого впливу одного виду мікроорганізму на інший, що призводить до пошкодження і навіть загибелі останнього. Мікроорганізми-антагоністи поширені у грунті, воді та в організмі людини та тварин. Добре відома антагоністична активність проти сторонньої та гнильної мікрофлори представників нормальної мікрофлори товстого кишечника людини – біфідобактерій, лактобактерій, кишкової палички та ін.

Механізм антагоністичних взаємин різноманітний. Поширеною формою антагонізму є утворення антибіотиків – специфічних продуктів обміну мікроорганізмів, що пригнічують розвиток мікроорганізмів інших видів. Існують і інші прояви антагонізму, наприклад, велика швидкість розмноження, продукція бактеріоцинів,зокрема коліцинів,продукція органічних кислот та інших продуктів, що змінюють рН середовища.

Крім спор, які відрізняються високою стійкістю до іонізуючих випромінювань, відомі високорадіорезистентні бактерії, які не утворюють суперечки. Високорадіорезистентні бактерії найчастіше зустрічаються серед коків. Поверхня різних виробів медичного призначення, а також повітря приміщень, де виробляються ці вироби, бувають забруднені різними бактеріями, у тому числі сарцинами, які відрізняються особливо високою стійкістю до іонізуючим випромінюванням. До коків відноситься і добре відомий Micrococcus radiodurans, ізольований з опроміненого м'яса Anderson із співавторами. Спектрофотометричний аналіз пігменту радіо стійких мікрококів, виділених Anderson, показав, що більшість пігментів - каротеноїди. Пігменти, ізольовані з радіостійких клітин, були чутливі до опромінення. Однак високої радіорезистентності мали і безпігментні варіанти мікрокока. Надалі мікрокок, виділений Anderson, привернув увагу радіобіологів та отримав назву Micrococcus radiodurance. Він був стійкіший не тільки до дії рентгенових променів або гамма-випромінювання, але й до опромінення ультрафіолетом. Мікрокок виявився в 3 рази більш стійким до ультрафіолетових променів, ніж кишкова паличка. Для затримки синтезу ДНК у клітинах мікрокока потрібні частки, у 20 разів вищі, ніж ті, що викликають аналогічний ефект у кишкової палички.

Можна припустити, що висока радіорезистентність мікрокока пов'язана з особливою системою репарації уражень, що викликаються опроміненням. Відзначено різну природу репарацій ушкоджень Micrococcus radiodurnnce, що виникають внаслідок ультрафіолетових опромінень та дії іонізуючих випромінювань.

Високорадіорезистентні бактерії були виділені з пилу підприємств, що виробляють медичні вироби з пластмас у Данії Christensen із співавторами. Це були Streptococcus Faccium., виявилося, що радіорезистентність різних штамів одного і того ж виду мікроорганізмів значно варіює. Так, для більшості штамів Sir faecium доза 20 - 30 кГр є бактерицидною, і лише поодинокі штами витримують опромінення в дозі 40 кГр. Штами Str. faecium, виділені з пилу, виявилися більш радіорезистентними. Хоча більшість штамів гинули при опроміненні в дозах від 20 до 30 кГр, проте деякі штами (4 з 28 досліджених) витримували опромінення в дозі до 45 кГр.

Концентрація мікробних клітин в опромінюваному об'єкті

Однією з причин, що відіграє істотну роль ефективності променевої стерилізації, є концентрація мікробних клітин в опромінюваному об'єкті.

У 1951 р. Hollander і співавтори встановили, що чутливість бактерій до опромінення є функцією концентрації клітин. З зменшенням концентрації в опромінюваної суспензії збільшується її радіочутливість 10 7 клітин були оптимальною концентрацією бактерій, при якій дія іонізуючих випромінювань була найбільш ефективним. , 36, 75 , 141 – 143). При опроміненні Е. coli бета-променями від прискорювача Ван-де-Граафа (2 МеВ ) було встановлено, що абсолютно стерилізуюча доза залежить тільки від концентрації суспензії, що опромінюється. Між концентрацією мікробів і дозою, що вбиває 100% клітин, існує пряма пропорційна залежність: чим менше густота опромінюваної суспензії, тим менша доза опромінення, що дає повний бактерицидний ефект.

Рисунок 2.1 – Криві інактивації різних мікроорганізмів.

1 - M. radiodurans R; 2 - Staphylococci; 3 – Micrococci; 4 - Coryneform rod; 5 - Spores; 6 – Str. faecium.

При опроміненні культури бактерій кишкової палички стерилізуючу дію гамма-випромінювання для порівняно негустих суспензій (8*10 5 --10 8 мікробних тіл на 1 мл) було досягнуто при дозі 2 кГр. Опромінення густішої мікробної суспензії, що містить 10 10 мікробних тіл на 1 мл у дозі 2 кГр не давало бактерицидного ефекту. Навіть при опроміненні дози 4 і 5 кГр іноді спостерігалося зростання одиничних колоній. Повна стерилізація суспензій, що містили 1010 і 2*1010 мікробних тіл в 1 мл, була досягнута лише при опроміненні в дозі 6 кГр. Подальше збільшення кількості мікробних тіл в 1 мл опроміненого середовища не вимагало підвищення дози опромінення для повного бактерицидного ефекту. Так. завис дизентерійних бактерій Флекснера в концентрації 7 * 10 10 мікробних тіл в 1 мл була повністю інактивована дозою 6 кГр. До радіостійких мікроорганізмів відноситься сарцина. При опроміненні густих суспензій різних мікроорганізмів, як більш радіостійких, так і менш радії стійких, в дозах 1, 2, 4, 8 кГр і 15 кГр спостерігалася залежність. Чим вища доза опромінення, тим менше мікроорганізмів виживало після опромінення. Повна стерилізуюча дія була досягнута при опроміненні мікроорганізмів у концентрації 4*10 10 млрд. мікробних тіл в 1 мл при дозі 15 кГр. Ця частка вбивала і найбільш стійких, мікроорганізмів – сарцину та сінну паличку.

Таким чином, збільшення концентрації мікроорганізмів в опромінюваному об'єкті підвищує їх радіостійкість. Це положення справедливе для мікроорганізмів із різною радіочутливістю.

Однак збільшення радіостійкості опромінюваної суспензії не є наслідком формування радіостійкості у опромінених клітин. Після опромінення густих суспензій у бактерицидних дозах виживають поодинокі особини, що утворюють колонії мікробів при висіві на агар. Вивчення радіочутливості цих бактерій показало, що вони не стали більш стійкими до опромінення в порівнянні з вихідною культурою бактерій. Це може мати місце при опроміненні суспензій мікроорганізмів значно меншої густоти. Воно відоме у літературі під назвою "хвостон". Вивчення хвостів також показало, що бактерії, що вижили після опромінення в смертельних дозах, не мають підвищеної радіочутливості. Пояснення явищам слід шукати серед причин, що зумовлюють загибель мікроорганізмів від іонізуючих випромінювань. Найбільш ймовірною причиною підвищення радіостійкості мікроорганізмів при збільшенні концентрації є зменшення парціального тиску клітин, що діляться. Під час поділу клітини ядро ​​стає більш вразливим до опромінення.

Багато хто чув про мікроскопічні безхребетні тихоходки (близький до членистоногих тип Tardigrada), що зовні нагадують щось середнє між надувним матрацом і плюшевим ведмедиком, які і у воді не тонуть, і космічного випромінювання не бояться, і після кріозаморозки оживають. Deinococcus radiodurans- "тихохідки" серед бактерій.

Хоча одноклітинні дейнококи сильно відрізняються від свого еукаріотичного (має ядра в клітинах) багатоклітинного побратима, вони зовсім не поступаються йому живучістю і можуть витримувати

Дозу радіації до 10 тис. грей (для людини доза 5 грей смертельна), висушування та хімічна дія.

«Про молекулярні механізми регулювання експресії генів у цієї бактерії відомо відносно мало, — розповідає Андрій Кульбачинський, професор РАН, завідувач лабораторії в Інституті молекулярної генетики РАН. — Ми досліджували унікальні білки цієї бактерії, що регулюють активність РНК-полімерази — головного ферменту, відповідального за зчитування генетичної інформації з матриці ДНК. Було показано, що ці білки (Gfh-фактори) здатні зупиняти РНК-полімеразу в певних ділянках геному, що може відігравати важливу роль у зміні активності генів і «лагодження» ДНК, пошкодженої радіацією. Схожі механізми регулювання активності РНК-полімерази можуть діяти і у багатоклітинних організмів». Робота підтримана грантом Російського наукового фонду (РНФ) та була опублікована в журналі PNAS .

Як радіація шкодить клітині

Відкриті Deinococcus radiodurans були випадковими: у 1956 році їх знайшли «у доброму здоров'ї» у банку з м'ясними консервами, які намагалися простерилізувати за допомогою радіації.

У нормі будь-яке іонізуюче випромінювання — потік заряджених чи нейтральних частинок чи квантів, здатний перетворювати нейтральні атоми на заряджені іони, збуджуючи їх, — руйнує гармонію злагодженого механізму хімічних перетворень, які у живої клітині.

Непереборні хімічні сили починають тягнути іонізовані атоми до «сусідів», яких у незбудженому стані вони були абсолютно «байдужі». Навіть безпечні та всюдисущі нейтральні молекули води можуть перетворитися на пероксид і потім на супероксид — небезпечні вільні радикали, одне з основних джерел ушкоджень біологічних молекул у клітині. Дія вільних радикалів називають оксидативним стресом, оскільки воно пов'язане з окисленням біомолекул.

Результат - випадкові хімічні зв'язки, молекулярна плутанина і «руйнування традиційних цінностей». Усередині живої клітини головним «охоронцем традицій» є ДНК, в якій у закодованому вигляді міститься інструкція зі збирання всіх її білків, найважливіших учасників основних клітинних процесів. Тому радіація (як і багато токсичних речовин), що порушує послідовність ДНК, несе для клітин смертельну небезпеку: деякі мутації можуть випадково виявитися корисними, але, якщо не дивлячись переставляти деталі в складному механізмі, що справно працює, ймовірність зламати його незрівнянно вище, ніж ймовірність винайти що щось хороше.

Крім того, у ДНК можуть утворюватися розриви, що заважають зчитуванню коду. "Ломаються" і самі білки - особливо часто ушкоджується SH-групи в цистеїні (однієї з амінокислот - "цеглинок", з яких будується молекула білка), що порушує їх функції.

Повстати з радіоактивного попелу

Як же бактерії виживають за таких умов? Ушкодження ДНК живих організмів не завжди призводять до плачевних наслідків. У клітинах є спеціальні механізми репарації — «ремонту» дорогоцінної молекули, наприклад, один з її ланцюгів можна добудувати, «підглядаючи» до другого на тій самій ділянці та підбираючи нуклеотиди («літери» генетичного коду) за принципом комплементарності, тобто підставляючи на місце відсутнього фрагмента парні йому «літери».

ДНК Deinococcus radiodurans упакована в дві кільцеві хромосоми та дві плазміди – порівняно маленькі додаткові кільцеві молекули ДНК. Кожна така молекула представлена ​​в кількості від чотирьох до десяти копій у будь-який момент життя клітини, тому запасних варіантів для «звіряння» у неї завжди багато (а не лише дві, як у нас у соматичних клітинах). Більше того, виявилося, що основна небезпека для життя дейнокока - це не пошкодження ДНК (яку можна відремонтувати, використовуючи додаткові копії), а саме руйнування структури білків, які займаються її ремонтом.

Для «лагодження» розривів у ДНК бактерія має додаткові білки: одні зв'язуються з одиночним ланцюгом ДНК при розриві, щоб захистити її від подальших ушкоджень, інші, працюючи як «клітинна поліція», ловлять «порушників спокою», вільні радикали і розщеплюють їх.

Крім того, всі бактерії мають додаткові «хитрощі», що дозволяють вносити коректури прямо в ході транскрипції — зчитування «ДНК-текстів». Проте чи є якісь особливості цього процесу у Deinococcus radiodurans, досі було невідомо.

Один із механізмів, який заснований на роботі білків Gfh і може відігравати роль у процесах «ремонту» ДНК та захисту клітин від радіації, і був досліджений російськими вченими з . «Двоє із трьох співавторів, включаючи мене самого, працюють також на кафедрі молекулярної біології Біологічного факультету, – повідомляє Андрій Кульбачинський. — Дослідження були виконані виключно за рахунок гранту РНФ, темою якого є вивчення механізмів регуляції транскрипції та їхньої можливої ​​ролі у радіостійкості Deinococcus radiodurans».

Хитрощі редактури

РНК-полімераза зчитує інформацію з ДНК, переводячи її в РНК - більш коротку молекулу, яка в залежності від послідовності буде служити матрицею для синтезу білка або виконувати безліч функцій в клітині. РНК-полімераза є також коректором або навіть «головним редактором», що виправляє помилки цього перекладу (транскрипції).

Провідний автор роботи розповів, яку роль у цьому процесі можуть відігравати вивчені командою російських дослідників білки Gfh-фактори. Ці білки були виявлені лише у екстремофільних (що живуть у несприятливих, на наш погляд, умовах — при високих температурах, тиску та ін.) бактерій із групи Deinococcus-Thermus, які дуже стійкі до нагрівання та інших стресових впливів.

«РНК-полімераза — один із найконсервативніших ферментів в еволюції, і структура його багато в чому схожа і у бактерій, і в людини. У той самий час різні організми використовують найрізноманітніші способи регуляції цього ферменту.

Однією з найцікавіших груп регуляторних факторів є білки, які здатні безпосередньо впливати на активний центр полімерази РНК. Для цього вони зв'язуються у спеціальному каналі, який з'єднує поверхню РНК-полімерази з активним центром (так званий вторинний канал — на відміну від первинного, в якому відбувається зв'язування ДНК та РНК)», — розповідає Андрій Кульбачинський.

За словами вченого, у більшості бактерій зустрічаються Gre-білки, що належать до цієї групи. Вони можуть перемикати активність РНК-полімерази, внаслідок чого вже прочитаний фрагмент (транскрипт) розщеплюється. Ця властивість дозволяє виправляти вже зроблені під час транскрипції помилки. Після такої «редактури» РНК може синтезуватись далі. У еукаріотів (у тому числі в людини) теж існують аналоги таких білків, тільки еволюційне походження вони мають інше. Це говорить про виняткову важливість такого процесу.

«Досліджені нами фактори – Gfh-білки – є родичами (гомологами) Gre-факторів. Однак замість того, щоб перемикати активності полімерази РНК, вони її інгібують! Причому в тій бактерії, яку ми досліджуємо (Deinococcus radiodurans), це відбувається лише в певних ділянках геному і тільки в присутності іонів марганцю, які, як вже давно відомо, відіграють роль у захисті клітин дейнокока від окислювального стресу», — повідомляє вчений.

Перспективи: чи допоможуть Gfh-фактори «боротися з бактеріями їхньою ж зброєю»?

Дослідники зробили припущення, що Gfh-білки можуть «фіксувати» РНК-полімеразу у певному структурному стані, зупиняючи її перебіг молекулою ДНК. Таку «замерлу над помилкою» РНК-полімеразу дізнаються інші білки - фактори репарації («лагодження») і реплікації (відтворення) ДНК. Подальшим завданням вчених стане дослідження ролі Gfh-білків у захисті дейнококів від радіації.

«Наша робота має насамперед фундаментальний характер: вперше виявлено, що регуляторні фактори здатні значно посилювати паузи та термінацію (зупинку. — «Газета.Ru») транскрипції, зв'язуючись у вторинному каналі РНК-полімерази. Оскільки будова РНК-полімерази дуже консервативна, цілком імовірно, що цей спосіб регуляції може діяти у різних організмів (наприклад, і у нас з вами), тільки за участю інших регуляторних факторів», — коментує Андрій Кульбачинський.

Автор додає, що можливе і практичне застосування результатів дослідження. Так як Gfh-фактори фіксують РНК-полімеразу і зупиняють транскрипцію, то, вивчивши їх, можна створити або знайти інші молекули, здатні перешкодити бактеріям переписувати інформацію з ДНК РНК і синтезувати білки. РНК-полімераза повільно змінюється з часом, тому у бактерій вона дуже схожа і її зручно використовувати як мета для антибактеріальних препаратів. Так, антибіотик рифампіцин, що використовується у боротьбі з паличкою Коха, що викликає туберкульоз, пригнічує саме РНК-полімеразу бактерій (щоправда, згодом вони виробляють до нього стійкість, що робить отримання нових антибіотиків найважливішою проблемою найближчого майбутнього).

Близький ультрафіолет (УФ)- випромінювання з довжиною хвилі 400 - 320 нм - навіть у невисоких дозах має на бактерій певну дію. Так, при освітленні ближнім УФ рухомих клітин Е. coli або Salmonella typhimurium спочатку спостерігається збільшення частоти перекидання клітин, тобто. репелентний ефект, потім перекидання повністю припиняються і настає параліч джгутиків, тобто. світло порушує механізми руху та таксису. При цьому хромофор є флавопротеїн.

У сублетальних дозах ближній УФ спричиняє уповільнення зростання культур, головним чином за рахунок подовження лаг-фази. Швидкість поділу клітин також дещо знижується, пригнічується здатність бактерій підтримувати розвиток фага та пригнічується індукція ферментів. Ці ефекти визначаються в основному поглинанням УФ-променів 4-тіоуридіном - незвичайною основою, що є у 8-й позиції у багатьох тРНК прокаріотів (але не в еукаріотів). Найбільший ефект має світло довжиною хвилі близько 340 нм. Збуджений світлом 4-гіоурідін утворює зшивки з цитозином, що знаходиться в 13-му положенні в тРНК, що перешкоджає зв'язуванню тРНК з амінокислотами і призводить до збільшення утворення гуанозинтрифосфату на рибосомах і припинення синтезу РНК і білка відповідно. У Bacillus subtillis виявлена ​​й інша чутлива до ближнього УФ-система, у якої хромофором, що сприймає світло, є менахінон.

При відносно високих дозах опромінення ближнім УФ спостерігаються мутагенні та летальні ефекти. Порушення ДНК викликають не стільки самі УФ-промені, скільки різні інші збуджені світлом молекули. І в цих ефектах має значення поглинання ближнього УФ 4-тіоуредином. Мутагенна та летальна дія ближнього УФ значною мірою залежить від присутності кисню.

Летальний ефект при опроміненні ближнім УФ може бути пов'язаний із пошкодженням не тільки ДНК, але й мембран, зокрема їх транспортних систем. Чутливість до ближнього УФ бактерії може залежати від стадії зростання культури, що не спостерігається при дії далекого УФ.

Ефект дії ближнього УФ може бути опосередкований фотосенсибілізатором. Так, у присутності акридину у E.coli ближній УФ викликає порушення як ДНК, так і зовнішньої цитоплазматичної мембран, внаслідок чого клітини стають чутливими до лізоциму, детергентів, осмотичного шоку.

Близький УФ може за невисоких дозах опромінення викликати фотопроекцію, тобто. знижувати біологічний ефект подальшого опромінення далеким УФ. Уявлення про механізм цього ефекту є суперечливими. При відносно високих дозах опромінення ближнім УФ може спостерігатися протилежний ефект, тобто. посилення дії подальшого опромінення далеким УФ.

Середній УФ- це випромінювання з довжиною хвилі 320 - 290 нм, та далекий УФ- З довжиною хвилі 290 - 200 нм. Біологічні ефекти дії середнього та далекого УФ подібні. Як згадувалося, при опроміненні сонячним світлом загибель бактерій пов'язана переважно з дією УФ. Нижня межа довжини хвилі світла, що потрапляє на земну поверхню, становить близько 290 нм, у дослідженнях використовують джерела світла з меншою довжиною хвилі. Вважають, що резистентність організму до сонячної радіації, як правило, відповідає його стійкості до неіонізуючого випромінювання від штучних джерел.

ДНК інтенсивно поглинає УФ області 240 - 300 нм, тобто. в області середнього та далекого УФ, з піком поглинання в області 254 нм. Цим пояснюється висока мутагенна та летальна ефективність опромінення середнім та далеким УФ. Утворення піримідинових димерів у ДНК є основним механізмом, що зумовлює летальний та мутагенний ефекти. До складу димерів можуть входити 2 сусідні тімінові або цитозинові залишки або 1 тіміновий і 1 цитозиновий залишки. Під впливом УФ-опромінення відбувається також гідроксилювання цитозину та урацилу, утворення цитозин-тимінових аддуктів, зшивок ДНК з білком, формування поперечних зшивок ДНК, розриви ланцюгів та денатурація ДНК. Такі ушкодження зростають у разі підвищення інтенсивності опромінення.

Іонізуюче випромінюванняскладає певний компонент природної радіації, що визначається нестабільними ізотопами, що постійно перебувають у ґрунті та атмосферних опадах. В областях залягання радіоактивних мінералів природне тло радіації підвищено. Ізотопи можуть потрапляти в живі організми, і тоді вони піддаються внутрішньому опроміненню. Бактерії іноді здатні накопичувати деякі елементи дуже великих кількостях.

Іонізуюче випромінювання виникає також під впливом космічних променів. Космічний простір є джерелом первинних космічних променів, які дають початок вторинним, що впливають на живі організми. Інтенсивність такого випромінювання залежить від географічної широти, особливо від висоти над рівнем моря, і приблизно подвоюється кожні 1500 м. Під час сонячних спалахів фон космічної радіації підвищений. Штучне іонізуюче випромінювання виникає в результаті випробувань ядерної зброї, роботи АЕС, застосування радіоізотопів у медичних, наукових та інших цілях. Наявність таких джерел - причина того, що мікроорганізми в наші дні піддаються високим дозам опромінення.

Іонізуючі випромінювання також викликають ушкодження ДНК, які прийнято поділяти на прямі та опосередковані, що виникають у зв'язку з утворенням вільних радикалів. Ушкодження переважно являють собою одноланцюгові або дволанцюгові розриви молекули ДНК.

Радіорезистентність різних бактерій варіює у дуже широких межах і контролюється багатьма генами. Порівняно легко можуть бути отримані мутанти, радіорезистентні або радіочутливі. Радіорезистентність залежить насамперед від роботи різних систем репарації та регуляції. При цьому ступеня стійкості організму до випромінювань різних типів, особливо УФ та іонізуючих випромінювань можуть не збігатися. Різні репараційні системи бактерій будуть розглянуті нижче.

Встановлено зв'язок радіостійкості бактерій з особливостями її місцеперебування. Так, мікроорганізми, виділені з радонових мінеральних джерел, виявляються в 3 - 10 разів більш резистентними до радіації, ніж ті ж види, виділені з нерадіоактивної води. У охолоджувальних системах ядерних реакторів, де середня доза випромінювання перевищує 10 6 ФЕР (фізичний еквівалент рентгена), мешкають різні бактерії, зокрема представники роду Pseudomonas. Проте переважно важко знайти розумне пояснення адаптаційного значення високої радіостійкості деяких бактерій. Особливо висока радіостійкість деяких коків, виділених із опромінених продуктів. У разі очевидно, що опромінення могло бути чинником відбору, але з чинником, який викликав адаптацію. Так, доза УФ, необхідна для інактивації 90% клітин УФ-резистентного штаму Е. coli, становить близько 1000 ерг/мм “ 2 , у той час як для досягнення такого ж ефекту у Deinococcus radiodurans потрібна доза 10000 - 15000 ерг/мм 2 або 5 х 10 5 радий у випадку радіоактивного опромінення Ще більшою стійкістю до УФ-і у-випромінювання має кокк Deinococcus radiophilus. розриви ДНК, летальні більшість мікроорганізмів.

Ступінь радіостійкості деяких бактерій значно перевищує граничний рівень радіації, з яким організми можуть стикатися у природі. Найбільш ймовірним поясненням цієї невідповідності може бути припущення про те, що радіостійкість - лише один із різноманітних проявів дії систем широкого призначення. Правильніше було б говорити про ступінь стійкості бактерій до певних порушень у структурі їх клітин, ніж про стійкість до впливу певних факторів середовища, оскільки однакові порушення можуть бути спричинені різними причинами. Це стосується насамперед систем репарації ушкоджень ДНК.

Біологи називають бактерії еволюційним рецептом успіху – настільки вони стійкі до будь-яких умов зовнішнього середовища. Деякі з них чудово почуваються навіть при смертельних дозах радіації.

Мікробіолог Джон Батіста з Університету Луїзіани побачив чимало. Однак про свою першу зустріч з мікробом, жартома прозваним «Конан-супербактерія», він сказав: «Честе слово, мені було нелегко повірити в реальність існування подібного організму».

На початку 1960-х років Томас Брок виявив у Єллоустонському національному парку бактерії, що витримували температури, близькі до точки кипіння. Після цього мікробіологи почали знаходити нові види мікробів екстремалів. Однак Конан перевершив усіх: найстійкіший мікроорганізм, він витримує тріскучий мороз, спеку, що випіляє, кислотні ванни та отрути. Але вражає всього його реакція на високі дози радіоактивного опромінення. Навіть 1500-кратне перевищення дози, смертельної для інших організмів, не завдавало бактерії жодної шкоди.

Вперше Конан було виявлено у 1950-х роках у зіпсованих м'ясних консервах, які призначалися для армії. Для захисту від зараження бактеріями консерви США зазвичай стерилізують з допомогою радіоактивного випромінювання. Тим більше здивувалися вчені, коли побачили в банках рожеву плісняву із запахом гнилої капусти, явно бактеріального походження. Вони були спантеличені. Адже зазвичай радіація викликає у живих організмах глибокі ушкодження генетичного матеріалу. Якщо кількість таких пошкоджень перевищить критичний рівень, мікроорганізм гине. Але для Конану закон не писаний. Які ж механізми рятують непоказну дитину від смерті у будь-якій ситуації?

Поставлені в глухий кут мікробіологи зайнялися розгадкою таємниці Конана. Вони досліджували його генетичний матеріал до і після дії радіації та проаналізували обмінні процеси. На їхній подив, результати свідчили, що Конан теж сильно страждає від радіації, але при цьому вміє долати її згубні наслідки.

Якщо деякі отрути або іонізуюче випромінювання завдають порівняно незначної шкоди лише одній з двох ниток ДНК організму, радіоактивне випромінювання викликає пошкодження обох ниток ДНК, а їх відновлення часто буває непосильним для організму. Так, для загибелі людини, що живе в кишечнику, кишкової палички достатньо двох-трьох таких пошкоджень ДНК.

Конан же, навпаки, швидко відновлював дві сотні таких «поломок». Справа в тому, що в процесі еволюції у нього виробилися ефективні механізми відновлення генних ушкоджень - у тому числі з'явився особливий фермент, який шукає відповідні «запчастини» у спадковому матеріалі, копіює їх та вставляє у пошкоджені ділянки.

Відновленню ДНК у Конана сприяє ще одна обставина: геном Конана складається з чотирьох кільцевих молекул ДНК, причому в кожній клітині геном присутній не в одній, як у більшості бактерій, а в кількох копіях. Саме завдяки цим копіям відбувається відновлення пошкоджених ділянок. Оскільки клітина найбільш уразлива для радіації в момент розподілу, коли кільцева молекула ДНК повинна розімкнутися, Конан виробив ще один спосіб захисту: три молекули бактерія залишає згорнутими в кільце, а четверту використовує потреби відтворення. Якщо під впливом радіації ця хромосома отримує пошкодження, запасні хромосоми є матрицями, з яких організм копіює правильні послідовності генів.

У 2007 р. мікробіолог Майкл Дж. Дейлі виявив ще одну причину гіперстійкості Конана: ця бактерія відрізняється неймовірно високою внутрішньоклітинною концентрацією марганцю-елемента, який також сприяє відновленню пошкоджень ДНК.

І все-таки, незважаючи на зроблені відкриття, загадка надстійкості Конана до радіації до кінця ще не розгадана. Дослідження йдуть повним ходом: вчені сподіваються ефективно використовувати Конана для очищення ґрунтів, забруднених радіацією.