Биохимические особенности клетки термофилов

При знакомстве с термофильными микроорганизмами возникает вопрос, чем же отличаются вещества, входящие в состав их клетки и определяющие термоустойчивость этих живых существ. Аналогичная же проблема встает и в отношении ферментов термофильных микроорганизмов.

К сожалению, затрагиваемый вопрос освещен крайне недостаточно. Экспериментальный материал, накопленный к настоящему моменту по данной проблеме, весьма мал.

Микель (1879) высказал соображение о наличии у термофилов особой протоплазмы, позволяющей им развиваться в зоне высоких температур. По существу близок к данному представлению и Дэвис (Davis, 1897), объяснявший термоустойчивость некоторых бактерий низкой ступенью организации их плазмы. Однако соответствующим фактическим материалом данные исследователи не располагали.

Позднее некоторые ученые пытались установить наличие у термофилов особых веществ, позволяющих им жить при высокой температуре. Хюкель (Huckel, 1926) даже старался опытным путем продемонстрировать существование в культурах термофилов соединений, отделяемых от клеток фильтрованием и придающих им устойчивость к повышенной температуре. Подобные попытки, конечно, не могут быть признаны сколь-либо серьезными.

Совершенно очевидно, что жизненные процессы в клетках термофилов имеют свою специфику, которая, однако, не объясняется так просто, как это рисовалось только что отмеченным исследователем. По крайней мере, в последних работах Евреиновой (1948) было показано, что природа белковых веществ мезо — и термофилов весьма близка. Было установлено, что нуклеопротеиды термофильных бактерий не имеют резких отличий в аминокислотном составе, по сравнению с нуклеопротеидами мезофильных форм бактерий. Между температурными группами микробов не оказалось существенных различий и в солевом составе их клетки, хотя термоустойчивость пытались объяснить более низким содержанием солей в клетке термофилов (Williams, 1929).

Весьма интересные указания имеются о большей насыщенности липоидов у термофилов. Это является частным случаем общей закономерности, так как известно, что животные и растения, обитающие в зоне повышенных температур, содержат в тканях более насыщенные жиры. Пирсон и Репер подтвердили данное правило на бактериальных культурах.

Принципиально интересны материалы, недавно полученные Гауграном. Он выращивал Bac. subtilis и стенотермофильную бактерию при разных температурах. У первого микроба при повышении температуры культивирования выше оптимума степень насыщенности жиров и фракции ацетонорастворимых веществ увеличилась. В то же время жиры стенотермофильной бактерии оставались при всех условиях выращивания без изменений. Исходя из этого наблюдения, Гаугран склонен полагать, что неспособность термофилов развиваться при пониженной температуре в значительной степени определяется отсутствием у них возможности регулировать качество вырабатываемых жиров и жироподобных веществ, играющих в обмене клетки существенную роль.

Таким образом, можно думать, что вряд ли клетка термофилов существенно отличается по химическому составу от клеток близких к ней мезофильных форм микробов. Тем не менее отдельные составные части, входящие в плазму термофильных микробов, определенно носят следы перестройки, позволяющей им жить при высокой температуре. Сумма накопленных в данном направлении знаний, однако, весьма скромна.

Решая вопрос о терморезистентности живых объектов, многие исследователи полагали, что она связывается с их обеднением водой. При этом, очевидно, играет роль не абсолютная обводненность плазмы влагой, а форма, в которой вода находится в клетке. Так, например, судя по данным Виртанена и Пулкки, споры бактерий содержат тот же запас воды, что и вегетативные их клетки. Поэтому эти исследователи не придавали существенного значения запасу влаги в термоустойчивости клетки.

Несколько позднее Фридман и Генри (Friedmann a. Henry, 1938) показали, что в вегетативных клетках вода находится в свободном состоянии, а в спорах — в связанном. Исходу из этих данных, следовало бы установить, в какой форме находится вода в клетках термофильных микробов.

Переходим к вопросу об отношении ферментного аппарата термофильных микроорганизмов к температурному фактору. Работы Рубина и его сотрудников (1946—1949) внесли новые существенные дополнения в наши представления о влиянии температурного фактора на растительные ферменты. До сих пор предполагали, что ферменты того или иного растения имеют относительно стабильные кардинальные температурные точки. Однако упомянутые исследователи на примере амилазы картофеля показали, что по мере развития растения температурный оптимум этого фермента меняется, причем эти изменения не случайны и подчинены определенной закономерности, отражающей ход температуры внешней среды. Адаптивный характер этого явления очевиден.

Рубин отметил, что температурные оптимумы действия ферментов, управляющих ходом одного и того же процесса в одни и те же сроки, но в разных органах растения, могут значительно разниться между собой. Это вполне подтверждает положение, высказанное Лысенко о том, что «в одном и том же организме развитие отдельных процессов требует различных условий внешней среды».

Закономерности, установленные Рубиным, по всей очевидности, должны быть перенесены и на мир микроорганизмов. Следует думать, что условия выращивания культуры микроба будут весьма существенно сказываться на составе ее ферментного аппарата. Должны иметь значение и возрастные изменения. К сожалению, с данной точки зрения термофильные микроорганизмы не изучались, и ниже приведены лишь сугубо ориентировочные сведения. При дальнейшей работе они потребуют значительных уточнений. Микробиологи к тому же не исследовали изолированных ферментов термофильных микроорганизмов и обычно работали с культуральными жидкостями, содержащими, наряду с живыми клетками, ферменты, выделенные в среду. Свойства же ферментов, находящихся в клетке и вне ее, могут существенна различаться. Нередко, правда, эксперименты проводились с отмытыми, суспензированными в солевой среде, так называемыми «покоящимися клетками».

Излагая фактический материал, укажем, что обычно положение температурного максимума для ферментов микробной клетки более высоко, чем для роста культуры, в которой находятся ферменты. Этот разрыв меньше для более термочувствительных дыхательных ферментов, чем для более устойчивых гидролаз.

Совершенно очевидно, что ферменты термофилов способны переносить высокую температуру, и это не требует каких-либо особых доказательств. Однако Реттгер (Rettger, 1933), работая с ферментами покоящихся клеток девяти культур термофильных бактерий, установил интересный факт. Оказалось, что у этих микробов некоторые ферменты инактивируются при более низкой температуре, по сравнению с максимальной температурной точкой для роста культур (около 76°); так, максимум для каталазы находился около 67°, для индофенолоксидазы — около 65°, а для сукциндегидразы — около 69°.

Ран и Шредер (Rahn a. Schraeder, 1941), критикуя работу Реттгера, отмечают, что в покоящихся клетках, с которыми они имели дело, нарушен обмен. Это приводит к преждевременной температурной инактивации имеющихся в клетке ферментов.

По нашему мнению, адаптация к повышенным температурам не должна сопровождаться повышением термостабильности всего ферментного комплекса клетки. При жизни на разных температурных уровнях в клетке может происходить замена одних ферментных комплексов другими, и некоторые сохранившиеся у микроба ферменты могут обладать относительной термолабильностью. Последнее свойство, как мы полагаем, проливает некоторый свет на происхождение теплолюбивой микрофлоры. Обратное соотношение между положением температурной) максимума для роста микробов и работ их ферментов у термофилов, по сравнению с мезофилами, должно быть объяснено только возникновением первых форм из микробов, развивающихся при обычной температуре.

Интересно отметить, что к выводу об относительно малой термоустойчивости некоторых ферментов термофилов пришел в свое время Опреску.

Говоря о дыхании теплолюбивых микроорганизмов, необходимо подчеркнуть, что растворимость кислорода при повышенной температуре сильно падает. Поэтому аэробные формы термофилов приспособлены к жизни в среде, содержащей небольшие запасы кислорода.

Далеко не все ферменты термофилов термолабильны. Так, например, по данным Имшенецкого, амилаза, вырабатываемая термофильными бактериями, дает максимальное действие при 80°, в то время как микроб, из которого она выделена, имеет температурный оптимум около 60°. Вообще более слабо переносят нагрев ферментные системы, связанные с дыхательными процессами.

Способность ферментов термофильных микробов переносить достаточно высокую температуру представляет несомненный интерес. Ее выяснению, однако, посвящено чрезвычайно мало исследований. Можно думать, что коферменты мезо — и термофилов тождественны, но природа белкового носителя у них различна. Проскуряков и Дмитриевская (1949), изучавшие амилазу термофильных анаэробных бактерий, полагают, что ее термоустойчивость зависит от особенностей компонентов углеводного комплекса.

Почти не изучен также вопрос об изменении ферментного комплекса у микробов в процессе их приспособления к жизни при повышенной температуре.

Проведенные нами в последнее время исследования над дыхательными ферментами «покоящихся клеток» температурных рас Bac. mycoides показали, что адаптация к повышенной температуре вызывает существенную перегруппировку данных ферментов. Активность каталазы при этом значительно снижается, несколько меньше падает энергия дегидраз и т. д. Это вполне понятно, так как, приспособляясь к повышенной температуре, клетка редуцирует наиболее термолабильные системы.

Отмеченные факты свидетельствуют о сложности процесса температурного приспособления и заставляют высказаться против возможности внезапного и беспричинного появления у мезофилов мутантов, развивающихся при высоких температурах.

Некоторые исследователи полагают, что термофильные микроорганизмы не могут развиваться при обычных температурах в силу того, что при этих условиях инактивируются, по крайней мере, некоторые их ферменты. Так, Экфорд (Eckford, 1927) подобный факт установил для комплекса дыхательных ферментов теплолюбивых бактерий, а Имшенецкий (1944)—для целлюлозы этих же микробов.

Однако у отдельных микробных форм не может быть полного тождества по данному признаку; например, термофильные бактерии, имевшиеся у Гауграна, обнаруживали признаки газового обмена при температуре более низкой, чем минимальная температурная точка их развития.

В общем, ферменты термофилов изучены пока весьма слабо, несмотря на их большой теоретический и практический интерес.

Жизнь при высокой температуре должна была вызвать значительные изменения и в проницаемости оболочки микробной клетки. Термофильные микроорганизмы имеют весьма энергичный обмен, и диффузия питательных веществ и продуктов обмена у них должна протекать весьма быстро. Экспериментально это предположение пока не проверено.

Таким образом, у термофильных микроорганизмов в процессе приспособления к существованию в необычайных условиях выработались специфические свойства. Это позволяет говорить о наличии особой группы термофилов, но нельзя забывать, что они, являясь весьма своеобразными существами, генетически связаны с мезофильными микробами.