Регуляция микробного метаболизма и адаптация бактерий
Адаптация бактерий была хорошо известна до открытия молекулярных механизмов регуляции. Изучение регуляции микробного метаболизма стало возможным после введения в практику исследований метода чистых культур. Некоторые представления о «саморегуляции» метаболизма могли быть заимствованы из физиологии растений. Феномен субстратной специфичности открыл еще Пастер в 1857 г., установив, что Penicillium glaucum использует лишь правовращающий изомер винной кислоты, но не левовращающий, когда клетки выращиваются на их рацематной смеси (пара-винная кислота).
Постепенно накапливались данные о регуляции микробного метаболизма. Например, выяснилось, что выделение деполимераз, таких как амилаза‚ при росте микробов на среде с крахмалом задерживается в присутствии соответствующего мономера (т. е. глюкозы). В своем труде по физиологии растений (1904 г.) Пфеффер поставил кардинальный вопрос: «Что делает растение, когца два или большее число источников углерода, азота или других элементов присутствуют и доступны одновременно?», подойдя тем самым к открытию катаболитной репрессии.
Поведение микробных культур при переносе их в среду с новым субстратом называли адаптацией к новым условиям. Неопределенность термина адаптация в течение долгого времени вызывала споры и сомнения. Адаптацию, как переходное изменение ферментативной активности (тогда это относили к физиологической адаптации) в ответ на смену питательных веществ изучал финский ученый Х. Карстрем (1930). Работая с Bacterium aerogenes, OH установил, что использование ксилозы является адаптивным свойством, тогда как потребление глюкозы - конститутивным. Карстрем выявил ту закономерность, что ферменты для расщепления распространенных субстратов, таких как глюкоза, фруктоза, лактат, пируват или сукцинат, синтезируются конститутивно, тогда как ферменты для использования редких сахаров или органических кислот относятся к индуцибельным.
Изучению ферментативной адаптации способствовали эксперименты с покоящимися клетками (Quastal, 1925), позволившие в дальнейшем определить зависимость адаптационных процессов от источника азота, температуры и ингибиторов роста (Stephenson, Yudkin, 1936). Многие из этих экспериментов были возобновлены в 1950-х гг. с развитием молекулярной биологии.
Начало важнейшим исследованиям по выяснению регуляторных механизмов положили простые эксперименты по выращиванию микробов, в том числе Escherichia соli и Bacillus subtilis, осуществленные Жаком Моно (1910-1976). Рост культур он определял по их оптической плотности. Описывая двухстадийный рост культуры при последовательном использовании двух субстратов, Моно ввел термин диауксия (1942). Он подтвердил выводы Карстрема, Г. Эппса и Э. Гейла. В 1952 г. Моно и М. Кон предложили термины «индукция ферментов», «индуцируемые ферменты», «внутренний индуктор» и «внешний индуктор».
Тогда же Г. Коен-Базир и Г. Жоли были впервые выделены мутанты с конститутивным синтезом ферментов использования лактозы (1952). Благодаря получению этих мутантов стало возможным изучение регуляции на генетическом уровне. Появилась первая модель индукции катаболических ферментов (например, бета-галактозидазы) и репрессии анаболических ферментов у Escherichia Coli, (1952). Франсуа Жакоб с коллегами в 1960 г. предложил концепцию «оперона», причем в основе этой теории лежали данные, полученные в опытах с умеренным бактериофагом лямбда.
Регуляция метаболизма на уровне активности ферментов была открыта в 1956 г. Наличие у Е. coli ферментов, не активных в присутствии конечного продукта метаболической цепи, выяснилось в экспериментах с конкуренцией изотопов (Roberts, 1954, 1955). Эти и другие эксперименты (Brock, 1954) позволили выявить влияние конечного продукта пути на активность его ферментов. Механизм ингибирования по принципу обратной связи установили Р. Йейтс и А. Парди (1956) при изучении биосинтеза производных пиримидина, а также Г. Умбаргер (1956), изучавший биосинтез изолейцина. Молекулярные исследования позволили обнаружить аллостерические ферменты и разработать теорию их регуляции, сформулированную Моно, Ж. Виманом и Ж. Шанже в 1965 г.
