Капсулы, слизи и чехлы

Многие микроорганизмы продуцируют на поверхности клетки слизистое вещество. В зависимости от толщины слизистого слоя принято различать микрокапсулу, толщиной до 0,2 мкм (она видима лишь в электронном микроскопе). Связь микрокапсулы с клеточной стенкой настолько прочна, что ее иногда предлагают рассматривать как элемент клеточной стенки. Макрокапсула – слой слизи толщиной более 0,2 мкм. Слизь – слизистое вещество, окружающее клетку, имеющее аморфный, бесструктурный вид и легко отделяющее от поверхности бактериальной клетки, а по толщине часто превосходящее ее диаметр. 

Капсулы и слизь не являются обязательными структурами бактериальной клетки, так как бактерии, их образующие могут в результате мутаций легко превращаться в бескапсульные формы, и эти изменения не приводят к какому либо нарушению клеточной активности. В большинстве случаев капсула  образована полисахаридами (например, у бактерий вида Streptococcus mutans, некоторых представителей родов Xanthomonas, Klebsiella, Corynebacterium и др.). Капсулы же других видов бактерий состоят из полипептидов, представленных полимерами, в которых содержится много D- и L- форм глутаминовой кислоты. Примером такой капсулы является капсула бактерий Bacillus anthracis. Для ряда бактерий показана также способность синтезировать капсулу, состоящую из волокон целлюлозы. Так построена капсула у бактерий вида Sarcina ventriculi.

Слизи по химической природе являются полисахаридами. Особенно обильное их образование наблюдается у многих микроорганизмов при выращивании на среде с сахарозой. Например, бактерии Leuconostoc mesenteroides (относящиеся к молочнокислым бактериям) быстро превращают раствор, содержащий тростниковый сахар, в декстрановый студень, за что их на сахарных заводах называют «бактериями лягушачьей икры».

Функции, которые выполняют капсулы и слизи, можно определить следующим образом:

- защитная, предохраняющая клетку от действия различного рода неблагоприятных факторов внешней среды (механических повреждений, высыхания, создание дополнительного осмотического барьера);

- у некоторых бактерий (например, у Streptococcus pneumoniae) капсула является фактором вирулентности;

- препятствуют адсорбции на клетках бактериофагов;

- у некоторых бактерий капсульная слизь является источником запасных питательных веществ;

- за счет наличия капсулы и слизи осуществляется объединение клеток в цепочки, колонии;

- обеспечение прикрепления клеток к поверхности субстрата.

Капсульные полисахариды, образуемые бактериями, имеют большое практическое значение. Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерий Xanthomonas campestris, используется в составе смазок, при добыче нефти, в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств консервированных и замороженных продуктов, соусов, кремов и др., а также в косметической промышленности. Декстраны, синтезируемые бактериями Leuconostoc mesenteroides и некоторыми другими бактериями, находят применение в качестве кровезаменителей, для лечения ожогов, для разделения и очистки биологических молекул, в качестве полиэлектролитов.

В отличие от капсул и слизистых слоев чехлы имеют тонкую структуру, и в их составе выявляют несколько слоев разного строения. Чехлы имеют обычно и более сложный химический состав. Например, чехол бактерий Sphaerotilis natans содержит 36% углеводов, 11% – гексозамина, 27% – белков, 5,2% – липидов и 0,5% – фосфора. Чехлы ряда бактерий, метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений металлов, часто инкрустированы их окислами. Следует отметить, что между капсулами, чехлами и слизистыми слоями у прокариот обнаружено много переходных форм, что зачастую не позволяет точно отличить капсулу от слизистых клеточных выделений, или капсулу от чехла.

 Нуклеоид и репликация ДНК

Генетический материал прокариот представлен молекулой (молекулами) ДНК, уложенными в компактную структуру и локализованными в ограниченных участках цитоплазмы, не имеющей, в отличие от эукариот, собственной ядерной мембраны. Учитывая эти особенности, генетический аппарат прокариот принято называть нуклеоидом. Тот факт, что в состав нуклеоида входит ДНК, впервые удалось показать Ж.Кэрнсу с помощью метода радиоавтографии. Для этого бактерии E.coli выращивали на среде, содержащей предшественник тимина тимидин, меченный тритием (3Н). Известно, что ДНК – един-ственное вещество в клетке, которое содержит тимин. Если клетки бактерий, включившие тритий в тимин, лизировать с помощью лизоцима на мембранном фильтре, то можно получить радиоавтограф развернутой молекулы бактериальной ДНК. Такие радиоавтографы убедительно доказывают, что ДНК бактерий E.coli имеет форму нити, замкнутой в кольцо. Эта замкнутая в кольцо молекула ДНК включает несколько тысяч генов, расположенных линейно, и называется хромосомой.

В зависимости от метода микроскопирования и фиксации нуклеоид выглядит по-разному. При применении светового микроскопа, фиксировании парами тетраокиси осмия или использовании различных вариантов окрашивания по Романовскому-Гимза, нуклеоид  выглядит как бобовидное тело с хорошо очерченными контурами, занимающее центральную часть бактериальной клетки, и длиной (у бактерий кишечной группы) около  одного микрометра. В фазово-контрастном микроскопе в клетках живых бактерий нуклеоид также выглядит как овальное тельце, светлое на фоне темной цитоплазмы. При микроскопировании ультратонких срезов бактерий в электронном микроскопе нуклеоид напоминает клубок мотков толстой веревки, состоящей из множества нитей. Используя тот же способ микроскопирования и применение иммуноокрашивания срезов замороженных бактерий, можно увидеть нуклеоид в виде кораллоподобной структуры с плотной сердцевиной и тонкими рогами – выступами. Выступы, или ветви, пронизывают цитоплазму и образуют нечто вреде ореола вокруг сердцевины.

Полностью «уложенный» нуклеоид представляет собой достаточно компактное образование. Стабилизирующую роль в такой организации играют специфические белки. У бактерий кишечной группы известно по меньшей мере пять белков HU, INF, H1, HLP1 и H, которые способствуют «упаковке» ДНК. Они сходны по аминокислотному составу и другим свойствам с гистонами эукариот, имеют сравнительно небольшие размеры (9 – 28 КД) и, в большинстве своем, относятся к основным. Похожие белки, которые способствуют «упаковке» ДНК, выделены у самых различных микроорганизмов, в том числе и архебактерий. Наибольшее значение в «упаковке» ДНК играет белок HU. Связываясь с ДНК, он меняет конформацию ее витков. Важную роль как для сохранения целостности структуры, так и для функционирования генома бактерий играет прикрепление нуклеоида к цитоплазматической мембране. При щадящих способах нуклеоиды выделяются вместе с «фрагментами» мембраны. С использованием различных методов было показано, что имеются фиксированные точки прикрепления нуклеоида к мембране: точка начала репликации и точка завершения репликации. Кроме того, нуклеоид имеет «скользящие участки» прикрепления к мембране, в частности тот участок, в котором в данный момент идет репликация, и большое количество

«неспецифических» точек контакта с мембраной. Хотя каждая бактериальная клетка у большинства видов бактерий содержит одну хромосому (большинство бактерий – гаплоидные организмы), часто в интенсивно растущей культуре количество ДНК на клетку может достигать массы, равной 3,4,8 и более хромосом. Из этого следует, что термины «нуклеоид» и «хромосома» не всегда совпадают. В зависимости от условий нуклеоид бактериальной клетки может состоять из одной или нескольких копий одной и той же хромосомы. Так, у Azotobacter chroococcum в экспоненциальной фазе роста (наиболее интенсивного роста и размножения) на одну клетку приходится 20–25 копий хромосомы, у Desulfovibrio gigas – 9 – 17 копий хромосомы. Размеры хромосомной ДНК у различных видов бактерий отличаются друг от друга. В качестве примера можно привести размеры хромосомной ДНК некоторых бактерий. У одной из наименьших по размеру бактерий Mycoplasma genitalium, вызывающей у людей уретриты, величина хромосомной ДНК равна 580.070 н.п.; у бактерий E.coli – 4.653.831 н.п. Нить хромосомной ДНК у бактерий E.coli имеет линейный размер в 1,6 мм, а длина упакованного нуклеоида – 1 мкм (то есть он короче хромосомы в 1600 раз). Уже отмечалось, что большинство бактерий – гаплоидные организмы, т.е. они имеют одну хромосому. Однако за последние 10 лет обнаружено, что у различных видов бруцелл, Rhodobacter sphaeroides, Agrobacterium tumefaciens, Leptospira interrogans клетки имеют по две хромосомы, различающиеся между собой по величине. У Burkholderia cepacia имеется даже три хромосомы. Эти данные были получены по-средством пульс-фореза, позволяющего разделить по подвижности в геле очень крупные молекулы ДНК. Сравнительно недавно считалось, что хромосомная ДНК бактериальной клетки, как правило, замкнута в кольцо, что доказывалось с помощью метода радиоавтографии. Кроме того, о кольцевой структуре хромосомы у E.coli, Salmonella typhimurium и Bacillus subtilis свидетельствуют и данные генетического анализа: были построены кольцевые генетические карты без каких-либо провалов между группами сцепления. Наконец, физические карты хромосом, построенные с использованием ферментов рестриктаз, разрезающих хромосому в участках редко встречающихся нуклеотидных последовательностей, также свидетельствовали о кольцевой организации хромосом. Такие хромосомы, в силу своей структуры, не могли быть разделены в геле при пульс-форезе. Однако в 1989 году была опубликована статья о необычном поведении при пульс-форезе хромосомы Borrelia burgdorferi – возбудителя клещевого спирохетоза. Эта ДНК входила в гель и двигалась в нем точно так же, как заведомо линейные хромосомы дрожжей, взятые в качестве контроля. У других спирохет (лептоспир и трепонем) хромосома была кольцевой. Терминальные участки ДНК линейной хромосомы у боррелий заканчивались шпилечными структурами.

Позже появились данные о том, что после обработки протеазами выделенная из клеток кольцевая ДНК ряда видов актиномицетов превращается в линейную. Это было неожиданным, так как для актиномицетов уже существовали физические кольцевые карты. Однако выяснилось, что хромосомы актиномицетов оказались «псевдокольцевыми»: они были замкнуты не за счет непрерывного перехода цепочки ДНК правого полукружия хромосомы в левое, а за счет взаимодействия белковых молекул, расположенных на свободных концах ДНК линейной хромосомы, и замыкающих их. Протеазы разрывают эту связь. Таким образом, у актиномицетов другой тип организации хромосомы, чем у боррелий. Линейная хромосома была найдена ещё и у фитопатогенных бактерий вида Rhodococcus fascians.