Следующие этапы нашей экспедиции за антибиотиками проходят в тени лабораторий. Здесь упорным и настойчивым трудом ученые стремятся проникнуть в тайны жизни собранных ими микробов. В небольших пробирках содержатся чистые культуры микроорганизмов, выделенных из природной среды. Из пробирок они пересеваются в чашки Петри с полусантиметровым слоем агаризованной питательной среды, приготовленной в соответствии с потребностями данного микроба. После посева микробов чашки Петри помещают в термостат, где в течение десяти дней выдерживают при температуре 25 °C. Там клетки микробов, потребляя питательные вещества, размножаются и разрастаются по поверхности агара. Через десять дней поверхность среды в чашках Петри представляет необыкновенно интересную картину.
Если среди выращиваемых микробов находятся продуценты антибиотиков, их легко узнать. Мы уже говорили, что антибиотики, выделяемые одними микроорганизмами, препятствуют развитию других. Как раз то, что они делают невозможным существование иных организмов, и помогает нам в поисках продуцентов антибиотиков.
Для этой цели берут несколько плоских стеклянных сосудов прямоугольной формы, в которые наливают тонкий слой агара, и, после того как он застынет, засевают его теми микробами, против которых требуется найти антибиотик. Из чашек Петри с уже выращенными колониями плесневых грибов вырезают маленькие цилиндры, диаметром около 1 см, и помещают их на поверхность агара, зараженного болезнетворными бактериями. Это сооружение с несколькими десятками разноцветных «грибных» цилиндров наверху напоминает вишневый пирог. «Пирог» помещают в термостат, в котором строго поддерживаются определенные температура и влажность. В этих условиях поверхность агара покрывается сплошным ковром разросшихся микробов, доходящих до самых краев «грибных» цилиндров.
Вокруг некоторых цилиндров можно наблюдать интересное явление (фото 61): они окружены пространством, свободным от развивающихся микробов. Что препятствовало росту микробов внутри этих мест? Антибиотики! Прозрачные пространства, так называемые зоны подавления роста, — это сферы действия антибиотиков. Каково же происхождение этих веществ? Они находились в агаровом цилиндре, на котором росли грибы, проникли в засеянный микробами слой агара и уничтожили микробы в радиусе своего распространения.
Итак, зоны подавления роста вокруг некоторых цилиндров служат доказательством того, что создающие их грибы являются продуцентами антибиотиков. Цилиндры, вокруг которых такие зоны не образуются, вырезаны из культур грибов, не обладающих антибиотическими свойствами.
Культуры микроскопических грибов, изображенные на фиг. IV (вверху справа), выделены в Индонезии. Профессор Н. Немец собрал в этой стране десятки образцов природного материала, из которого затем выделил культуры микроскопических грибов, обладающих антибиотическими свойствами.
Итак, мы уже продвинулись вперед, отделив микроскопические грибы с антибиотическим действием от прочих, не обладающих этим свойством. На следующем этапе нашей экспедиционной работы мы должны ближе познакомиться с выделенными антибиотиками. Среди изучавшихся ранее микроскопических грибов, собранных в окрестностях Братиславы, встречались и продуценты пенициллина. Но мы искали новые антибиотики. От выявления антибиотического действия грибов до получения чудодейственных кристаллов антибиотика проходит часто очень много времени. В арсенале наших методов немало различных химических процедур, помогающих прийти к радостному моменту открытия нового антибиотика.
В экспедициях за этими веществами приходится переживать минуты напряжений, разочарований и радостей, вызванных новыми открытиями. Но не всякий антибиотик можно использовать в лечебных целях. Из сотен открытых до сих пор антибиотиков лишь около тридцати нашли применение в медицине.
Каким образом антибиотики уничтожают микробы
Век антибиотиков поставил перед микробиологами целый ряд вопросов. Рассмотрим один из них. Каким образом антибиотик убивает чувствительные к нему микробы? Уже Эрлих показал, что существует тесная связь между химической структурой «волшебной пули» и ее действием. В химическом отношении антибиотики — вещества очень разнообразные, хотя некоторые из них и являются производными какого-нибудь одного химического соединения, например тетрациклина. Можно ли утверждать, что вещества, сходные по своей химической структуре, сходны и по характеру своего действия на клетки и, напротив, различиям в строении сопутствуют и различия в антибиотических свойствах? Данные, полученные к настоящему времени, позволяют нам дать ответ на этот вопрос.
Теперь уже доподлинно известно, что пенициллин действует на клеточную стенку бактерий и препятствует ее синтезу. Некоторое время бактерии еще размножаются, но, лишенные клеточной стенки, очень скоро погибают.
Стрептомицин, проникнув в клетку, достигает рибосом — места синтеза белков — и блокирует их деятельность. Несколько по-иному действуют на синтез белков тетрациклины, эритромицин, хлорамфеникол и многие другие антибиотики, но каждый своим, только ему свойственным способом, который определяется особенностями строения его молекул.
Актиномицин, первый антибиотик Ваксмана, действует на молекулу ДНК. В результате становится невозможным синтез информационной РНК, переносящей к рибосомам «приказы» ДНК о синтезе белков. Сходное действие проявляет и рифампицин, хотя и несколько иным способом — снижает активность ферментов полимеразы РНК, и РНК не может образоваться.
На ДНК действуют и молекулы противоопухолевого антибиотика митомицина С: прочно связываясь с ней, они препятствуют дальнейшему синтезу ДНК. Но все это лишь некоторые из наиболее известных и типичных механизмов действия антибиотиков на клетки микробов.
При повторных воздействиях молекул антибиотика клетка микроба погибает. Если же антибиотик вводится в малых количествах или поражает такую часть клетки, которая может быть легко восстановлена, микробы выживают.
Пенициллин и ряд других антибиотиков препятствуют образованию клеточных стенок у растущих бактерий (А). Лишенные стенок бактерии постепенно превращаются в протопласты. Другие антибиотики нарушают функции цитоплазматической мембраны бактерии (Б).
Исследователь Л. Эбрингер (естественный факультет в Братиславе) наблюдал интересные явления, изучая действие стрептомицина, эритромицина и многих других антибиотиков на клетки Euglena gracilis. Этот организм способен к фотосинтезу и поэтому на свету не нуждается в органическом питании. Если же на Е. gracilis подействовать упомянутыми антибиотиками, то фотосинтез прекращается. Процесс фотосинтеза происходит, как известно, в хлоропластах. Антибиотики полностью уничтожают хлоропласты эвглены, и дальнейшие ее генерации существуют уже без хлоропластов. Не будучи в состоянии осуществлять фотосинтез, они потребляют, естественно, лишь готовые органические соединения.
Действие антибиотиков на синтез нуклеиновых кислот и белков. Митомицин С (1), связываясь с молекулой ДНК, делает невозможным процесс ее редупликации под действием полимеразы ДНК и других ферментов. Актиномицин D (2), связываясь с молекулой ДНК, препятствует синтезу иРНК с помощью полимеразы РНК. Рифампицин (3) соединяется с полимеразой РНК и тоже предотвращает синтез иРНК- Вдоль молекулы иРНК группируются рибосомы, образуя полисомы, на которых возникают пептиды. Тетрациклин (4), связываясь с 30 S-субъединицами рибосом, лишает их возможности синтеза пептидов. Таким же образом связывается с ними и стрептомицин, вызывая «неправильное прочтение» генетических записей на иРНК, в результате чего возникают пептиды с аномальным распределением аминокислот. Фузидиновая кислота (5) препятствует перемещению рибосом по молекуле иРНК, делая невозможным добавление дальнейших аминокислот к «растущему» пептиду. Эритромицин и хлорамфеникол (6) связываются с 50 S-субъединицами рибосом и препятствуют деятельности тРНК, несущих с собой аминокислоты, которые необходимы для пополнения пептидов. Пуромицин (7) слишком рано отделяет пептиды от полисом, затрудняя тем самым синтез белков. Борелидин (8) препятствует присоединению «активированных» аминокислот к тРНК, что делает невозможным их перемещение к полисомам.
Мы наблюдали интересное действие антибиотиков на грибы. Оказывается, цианеин, первый из полученных нами антибиотиков (фиг. VIII), влияет нарост гриба Paecilomyces viridis. Как мы уже рассказывали, Ж. Сегретен из Пастеровского института выделил этот гриб из организма больных хамелеонов и доказал, что именно он был причиной их болезни и гибели. В пробирке гриб образует волокнистый мицелий, а в теле хамелеона — дрожжеподобные комочки. При помощи цианеина нам удалось «принудить» гриб образовывать дрожжеподобные формы и в пробирке.
