авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова _ Санкт-Петербургское общество историков медицины _ Институт исследований ...»

-- [ Страница 3 ] --

Второй вариант заключался в том, что выделяет те или иные метаболиты только часть популяции, а другая часть воспринимает их как сигнал для активации собственного роста или использует в качестве дополнительного стимулирующего рост субстрата. Эта схема, однако, имеет смысл только в том случае, когда первая часть популяции значительно меньше второй. В первом варианте осуществляется так называемая диффузная регуляция, в которой регулятор и объект регуляции практически идентичны. Второй, классический вариант регуляции, предполагает, что в составе саморегулируемой системы можно выделить две подсистемы:

регулятор (он же сенсор) и объект регуляции (основная часть популяции).

В случае бактериальной популяции ни тот ни другой вариант не является полностью удовлетворительным, поскольку первый из них предполагает практически полную идентичность микроорганизмов, что противоречит основным биологическим представлениям и известным сведениям о гетерогенности микробных популяций, а второй подразумевает существование некоего «мозгового центра» популяции, полностью контролирующего все этапы ее развития.

Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что на практике реализуется некоторый промежуточный вариант, при котором каждая из сравнительно большого числа субпопуляций является сенсором определенного процесса или воздействия (на пример, первая переключается на анаэробный метаболизм при уменьшении концентрации растворенного кислорода) и выделяет в окружающую среду вещества, изменяющие метаболизм клеток дру гих субпопуляций. При смене характера воздействия сенсором ста новится другая субпопуляция и так далее.

Для поддержания гетерогенности популяции необходимо чтобы вещества, выделяемые каждой из субпопуляций, ингибиро вали ее собственный рост и стимулировали рост по крайней мере одной из оставшихся субпопуляций. Общий состав метаболитов КЖ формируется при этом из метаболитов, производимых всеми субпопуляциями. Субпопуляции могут различаться по кинетиче ским характеристикам (скорость роста), среднему размеру клеток, морфологическим и биохимическим показателям. В одной из работ [Makinoshima et al., 2002] популяция E.coli после центрифугирова ния в градиенте перколла была разделена на 15 субпопуляций, раз личавшихся не только по плавучей плотности, но и по ряду физио логических признаков. Эту оценку количества субпопуляций нельзя рассматривать как максимальную, поскольку численность микроор ганизмов в субпопуляциях может различаться в десятки, сотни и даже десятки тысяч раз (так, например, в популяции E.coli M- частота клеток, растущих в минимальной среде без добавок экзоме таболитов, по нашим оценкам и оценкам других авторов [Ткаченко, 1980] составляет всего 10-5-10-7), что делает невозможным выявле ние минорных популяций путем градиентного центрифугирования или с использованием других физико-химических методов разделе ния.

Субпопуляционная структура является основой эволюци онного процесса и позволяет культуре быстро реагировать на изме нения окружающих условий. В данных конкретных условиях доми нирующим является незначительное число субпопуляций. При из менении условий им на смену могут придти другие субпопуляции, отличающиеся большей приспособленностью к новым условиям, совокупностью культуральных и морфологических свойств, а также спектром выделяемых метаболитов и чувствительностью к ним.

Доминировавшие ранее субпопуляции при этом не исчезают, так как их сохранность обеспечивается системой метаболической регу ляции и возможностью перехода клеток из одной субпопуляции в другую. Последний процесс детерминирован генетически, препят ствует селекции микроорганизмов, обеспечивает восстановление структуры популяции после снятия селекционного давления, а так же при пересеве ограниченного числа или даже единичных коло ний.

Сменой доминирующей субпопуляции могут объясняться результаты экспериментов по «воспитанию» [Мейсель, 1950] дрожжей, показавшие, что систематические пересевы на минималь ных средах способны в значительной степени увеличить их способ ность к синтезу витаминов. Если адаптированную к минимальным средам культуру выращивали на богатых средах, то способность к синтезу витаминов вновь терялась. Аналогичные изменения в суб популяционной структуре могут приводить к повышению или по нижению устойчивости к антибиотикам, действию различных стрессовых факторов, изменению скорости роста (особенно это за метно в процессе непрерывного (проточного) культивирования), антагонистической активности и некоторых других характеристик.

В свете изложенных данных можно полагать, что зависимость дрожжей от витаминов не является просто «прихотью» природы, а необходима для эффективной саморегуляции развития их популя ций, поддержания гетерогенности и симбиотических отношений с другими организмами, выделяющими соответствующие витамины в окружающую среду.

Микробные экзометаболиты оказывают значительное влия ние на рост смешанных культур и развитие микробиоценозов, со стоящих из десятков или даже сотен видов. Устойчивость этих сис тем обеспечивается тем, что каждый вид ограничивает свое раз множение и стимулирует развитие других видов путем выделения соответствующих соединений [Абросов и др., 1982], то есть зависит от системы межвидовой регуляции, аналогичной описанной выше системе поддержания субпопуляционной структуры.

Микробиоценоз формирует свой собственный пул низко молекулярных экзометаболитов, который складывается из пулов метаболитов всех популяций. Для успешного внедрения в микро биоценоз хозяина микроорганизм должен обладать не только спо собностью преодолеть все возникающие на его пути барьеры (низ кие значения рН желудка, гидролитические ферменты и другие сис темы защиты макроорганизма) и возможностью сорбироваться на клетки эпителия, но и способностью развиваться в условиях сфор мировавшегося пула низкомолекулярных метаболитов.

В теоретическом и историческом плане систему авторегу ляции у бактерий полезно сравнить с экспериментами по изучению состава стимулирующих рост дрожжей комплексов «биос» [Мей сель, 1950]. Эти комплексы оказались различными для разных ви дов дрожжей. Они включали преимущественно витамины (биотин, пантотеновую кислоту, В6, парааминобензойную и фолиевую ки слоты), но могли содержать другие вещества (мезоинозит, аланин) и некоторые обычные аминокислоты (глутаминовую, аспа рагин, лейцин, метионин, треонин и цистеин). Можно полагать по этому, что система авторегуляции роста дрожжей во многом анало гична системе авторегуляции бактерий (комплексное строение «биос», синергизм действия его компонентов, видовая и штаммовая специфичность), но отличается тем, что, вместо аминокислот и продуктов брожения, в целях регуляции преимущественно исполь зуются более специализированные и менее распространенные в природе соединения, такие как витамины и некоторые сходные с ними вещества.

Продолжая эту аналогию дальше можно видеть, что систе ма авторегуляции многоклеточных организмов основана на дейст вии еще более специфических веществ, синтезируемых исключи тельно для регуляторных целей (например, гормонов), но включает и использование неспециализированных соединений, таких как аминокислоты (например, глицин, глутамат, аспартат) и еще более простых продуктов метаболизма (СО2, Н2S, NO). Многие из них являются нейромедиаторами, но, согласно современной концепции, могут служить химическими раздражителями и регулятороми не только для элементов самой нервной системы, но и иннервируемых органов и тканей [Зефиров, 2005]. Это означает, что возможен и такой механизм, при котором регуляторные метаболиты микрофло ры оказывают непосредственное влияние на функционирование нервной системы и органов макроорганизма. Можно также предпо ложить, что эта общность регуляторных систем микроорганизмов и организма хозяина является одним из факторов их успешного сим биоза.

Приведенные данные хорошо согласуются с основными по ложениями концепции метаболической регуляции, предложенной академиком С.С. Шварцем в 70-е годы прошлого столетия [Шварц, 1972, 1976]. Напомним, что согласно ее постулатам метаболическая регуляция является низшей и наиболее древней ступенью в иерар хии регуляторных процессов и функционирует на всех уровнях ор ганизации живой материи. Эволюционно она происходит от регу ляции химической, в основе которой лежат два противоположных явления – ингибирование реакции конечным продуктом и автоката лиз. В свете современных исследований значительный интерес представляет изучение взаимодействия системы метаболической регуляции у бактерий с другими системами, например системой образования и реактивации покоящихся форм микроорганизмов [Бухарин и др., 2005] или системой выделения и потребления клет ками E. coli индукторов АI-2 [Xavier & Bassler, 2005].

Коммуникативные функции метаболитов не ограничивают ся внутрипопуляционным уровнем или уровнем микробиоценоза. В следующем разделе приводятся данные, свидетельствующие о том, что метаболиты штаммов пробиотиков играют заметную роль в поддержании симбиотических отношений между микрофлорой и макроорганизмом.

Метаболиты бактерий как фактор симбиоза микрофлоры и ее хозяина.

В процессе коэволюции между организмом хозяина и пред ставителями облигатной микрофлоры сложились тесные взаимоот ношения, необходимые для поддержания жизнедеятельности обеих частей системы организм – микробиота и наложившие отпечаток на физиологические особенности каждой из взаимодействующих сто рон.

Нормальной микрофлоре принадлежит важнейшая роль в формировании иммунобиологической реактивности макроорганиз ма. Ее представители обеспечивают колонизационную резистент ность хозяина и продуцируют разнообразные антибиотические со единения, предохраняя таким образом сообщающиеся с внешней средой органы от внедрения и размножения в них патогенных мик роорганизмов. Микрофлора обладает выраженным морфокинетиче ским действием, особенно по отношению к слизистой оболочке тонкой кишки, что существенно отражается на физиологических функциях пищеварительного канала. Микробные ассоциации ока зывают значительное влияние на работу печеночных клеток: явля ются существенным звеном в печеночно-кишечной циркуляции солей желчных кислот, холестерина и желчных пигментов, модули руют активность печеночных цитохромов. Микрофлора разлагает муцины, утилизирует белки, гликопротеины, стерины, пептиды и другие соединения, образуя при этом новые пептиды, аминокисло ты, амины, гормоны, витамины, жирные кислоты, дефензины, ней ропептиды, ферменты, оксид азота и другие биологически активные вещества, которые в разной степени используются организмом хо зяина и осуществляют регуляторные функции. Кишечной микро флоре принадлежит ведущая роль в инактивации выделяющихся с пищеварительными соками биологически активных веществ, экзо генных и эндогенных токсических субстанций и соединений. Она участвует в регуляции апоптоза, репликации и фенотипической экспрессии генов эукариотических клеток, оказывает влияние на поведенческие реакции человека: аппетит, сон, настроение, цир кадные циклы. Выделяемое в процессе жизнедеятельности микро флоры тепло вносит важный вклад в поддержание температурного гомеостаза макроорганизма [Перетц, 1955;

Куваева, 1976;

Блохина, Дорофейчук, 1979;

Пинегин и др., 1984;

Бабин и др., 1994, 1996;

Домарадский и др., 2002;

Шендеров, 1998, 2001, 2005].

Применение в лечебной практике живых микроорганизмов – симбионтов человека (пробиотиков) принесло значительную пользу в лечении многих заболеваний, в том числе онкологических, иммунных и некоторых других, непосредственно не связанных с нарушениями микробиоты [Перетц, 1955;

Бондаренко и др., 2003;

Алешкин и др., 2005]. В ряде случаев, однако, эффект от примене ния пробиотиков оказался значительно ниже ожидаемого, что, по мнению ряда авторов [Бабин и др., 1996], является следствием свя занного с болезнью нарушения регуляторных и трофических связей организма с собственной микробиотой, состав которой сильно из менен по сравнению с нормой. Вводимая в этих условиях бактери альная культура оказывается во враждебной агрессивной среде и быстро элиминируется, не давая желаемого терапевтического эф фекта.

Выход из этого положения видится в применении специ альных средств для восстановления многочисленных метаболиче ских, регуляторных, иммунологических и других взаимоотношений в системе хозяин-микробиота. Такие лекарственные средства долж ны представлять собой не антибиотики, синтетические химиопре параты или бакпрепараты, а метаболиты, которыми в норме обме ниваются организм и микрофлора, либо сигнальные молекулы или иные объекты, обеспечивающие нормальные связи в системе хозя ин-микрофлора [Бабин и др., 1996].

Отношения микрофлоры и хозяина могут быть классифи цированы на три типа: дистанционные, контактные и внутрикле точные взаимодействия. Первые из них поддерживаются за счет обмена метаболитами и сигнальными молекулами и поэтому пред ставляют наибольший интерес с точки зрения конструирования но вых лекарственных средств.

Основными метаболитами микробиоты являются газооб разные Н2, СО2, СН4, NH3, монокарбоновые кислоты С2-С6 (КЖК), янтарная и молочная кислоты, аминокислоты. Среди последних особо выделяют глутаминовую кислоту и ряд необычных амино кислот, таких как -аланин и -аминомасляная. В количественном отношении лидируют монокарбоновые кислоты, которые образу ются при различных типах брожения углеводов, распаде гликопро теидов, белков, липидов и нуклеиновых кислот [Бабин и др., 1996;

Домарадский и др., 2002]. Существенным источником субстратов брожения является сам организм, а именно, гликопротеиды слизи, специфическая оболочка эпителия, отмершие и отделившиеся от основного пласта клетки эпителия и белки. Содержание последних в секретах достигает у человека 25-30 г – количество, достаточное для удовлетворения 1/3 дневной потребности в белках.

КЖК в значительной мере восполняют энергетические по требности клеток эпителия толстой кишки человека (колоноцитов).

Они всасываются в слизистую оболочку как в виде анионов, так и в форме нейтральных молекул, а затем утилизируются митохондрия ми эпителиоцитов в рамках цикла Кребса [Бабин и др., 1996;

Дома радский и др., 2002]. Снижение энергообеспечения эпителия тол стой кишки КЖК является одним из звеньев патогенеза аутоим мунных заболеваний (язвенный колит) и функциональных болезней (синдром раздраженной толстой кишки). По сравнению с уровнем всасывания КЖК, абсорбция других низкомолекулярных метаболи тов микрофлоры, в частности молочной кислоты, значительно ниже [Cummings et al., 1987].

Меньший вклад в энергообеспечение дают дикарбоновые кислоты (например, янтарная) и некоторые аминокислоты ( аланин, -аминомасляная, глутаминовая, -аминокапроновая кисло ты). Эти метаболиты используются для нужд хозяина главным об разом в роли сигнальных молекул, то есть молекул-регуляторов тех или иных процессов в организме.

Низкомолекулярные метаболиты продуцируются и в других биотопах организма, в частности ротоглотки человека. Процесс всасывания этих соединений многослойным эпителием ротоглотки совершенно не изучен. Существует, однако, определенная связь между патогенезом ангин, фарингитов, хронических тонзилитов и уровнем бактериальных метаболитов в слюне. Выяснилось также, что препараты бактериальных метаболитов обладают существен ным антибактериальным и противовоспалительным эффектом при лечении ангин, отитов и хронических тонзилитов [Бабин и др., 1996].

У травоядных животных КЖК микробного происхождения на 50-75% обеспечивают все энергетические потребности организ ма. Пропионовая кислота является одним из основных исходных субстратов в глюконеогенезе, а уксусная и масляная кислоты – в липогенезе. В организме человека большая часть КЖК (более 98%) утилизируется эпителием толстого кишечника, так что их концен трация в портальном кровотоке примерно в 500 раз, а в перифири ческой крови в 1000 раз меньше, чем в содержимом кишечника.

Содержание основных низкомолекулярных жирных кислот в наи более плотно заселенном микроорганизмами толстом кишечнике составляет около 100 мМ на 1 кг содержимого или, в расчете на весь объем толстого кишечника – около 17 мМ [Cummings et al., 1987], причем в течение дня одних лишь низших жирных кислот микробного происхождения образуется 300-600 мМ [Домарадский и др., 2002]. В наибольшем количестве представлены ацетат (в раз личных отделах от 43 до 63 мМ на 1 кг содержимого или от 7,5 до 11 мМ на весь объем толстого кишечника), пропионат и бутират (молярные отношения этих кислот 57:22:21). Концентрация лактата около 3,1 мМ/кг, а сукцината 1,7-3,1 мМ/кг (0,522 и 0,3-0,522 мМ на весь объем толстого кишечника соответственно) [Cummings et al., 1987].

Помимо КЖК, в значительной мере восполняющих энерге тические затраты клеток эпителия и других органов и тканей [До марадский и др., 2002], микробиота поставляет хозяину витамины группы В, в частности В12, витамин К и некоторые другие. Большое значение для нормального функционирования эпителия и организ ма в целом имеет синтез -аланина, необходимого для получения пантотеновой кислоты (витамин В3). Микробиота участвует в ре цикле некоторых макро- (железо) и микроэлементов (цинк, кобальт и др.).

К сигнальным молекулам, продуцируемым микрофлорой и участвующим в регуляции деятельности систем макроорганизма, относят -аминомасляную кислоту, гистамин, тирамин, серотонин, путресцин, агматин, кадаверин, глутамин, глутаминовую кислоту, холин, алкилхолины, фосфорилхолин, цАМФ, цГМФ, масляную кислоту и другие. Проникая в клетки, они могут оказывать влияние на экспрессию генов или изменять характер их действия, участвуя тем самым в дифференцировке клеток. В гистологически разных тканях одно и то же соединение способно по-разному влиять на одни и те же гены или действовать на разные гены.

Важной иллюстрацией способности микробиоты постав лять хозяину сигнальные молекулы является образование аминомасляной кислоты (ГАМК) в реакции декарбоксилирования глутамата. ГАМК является одним из основных нейромедиаторов.

Имеющиеся данные позволяют предположить существование еди ной системы ГАМК (синтезированной в ГАМК-ергических синап сах центральной нервной системой и микробиотой), управляющей реакциями торможения [Бабин и др., 1994]. Кроме того, бактери альная ГАМК оказывает влияние на моторную деятельность тол стой кишки. Снижение ее выработки микробиотой и поступления в нервные ткани толстой кишки может приводить к снижению порога болевой чувствительности [Бабин и др., 1994]. Способностью ока зывать различные местные и системные эффекты обладают также бактериальные серотонин и гистамин, высокие концентрации кото рых обнаружены в ЖКТ.

Значительную роль в поддержании гомеостаза организма играют газовые метаболиты. Выделяемый бактериями водород соз дает восстановительную среду в просвете кишечника и тем самым участвует в поддержании нормальной инфраструктуры микробного ценоза. Чрезмерному сдвигу потенциала в отрицательную область, блокирующему функционирование концевых ферредоксинсодер жащих ферментов редокс-цепей анаэробов, препятствуют метаноб разующие бактерии, использующие водород для образования мета на из углекислого газа. Образовавшиеся в кишечнике газы диффун дируют через эпителий в кровоток. Наличие водорода в местном кровяном русле, как полагают [Бабин и др., 1994], обеспечивает полноту высвобождения кислорода из гемоглобина эритроцитов.

Окислительно-восстановительный потенциал крови сильно зависит от содержания водорода, который таким образом влияет на регуля цию всего кислородного обмена. Известно, что гемоглобин спосо бен связывать не только диоксид углерода, но и образовывать не стабильные комплексы с малыми молекулами: метаном, ксеноном и другими. Газы участвуют в регуляции физиологических процессов макроорганизма, транспортируются в легкие и удаляются с выды хаемым воздухом [Бабин и др., 1994]. Газы и другие метаболиты, синтезированные одним биотопом, могут принимать участие в ре гуляции развития другого биотопа того же организма. Так, напри мер, показано, что оральные факультативные анаэробы восстанав ливают нитраты до нитритов, которые в желудке при подкислении образуют оксид и диоксид азота. Оба соединения оказывают бакте рицидный эффект на патогенные микроорганизмы, защищая макро организм от их внедрения, а первое из них (окись азота) выполняет еще и важные регуляторные функции.

Приведенные данные показывают, что микробиота дает значительную метаболическую и регуляторную поддержку ЖКТ и всему организму. Этими аспектами симбиоза, однако, метаболиче ские функции микробиоты не исчерпываются. Достаточно упомя нуть, что микрофлора активизирует моторную активность толстой кишки, поддерживает водный и ионный гомеостаз организма, вы полняет и ряд других важных функций [Шендеров, 1998, 2001, 2005;

Бондаренко и др. 2003]. В свете настоящей работы важно от метить, что короткоцепочечные жирные кислоты, продуцируемые нормальной микрофлорой, являются важным фактором защиты ор ганизма от внедрения патогенных микроорганизмов [Кондракова и др., 1998]. Уменьшение их концентрации при дисбиотических рас стройствах ослабляет защитные свойства системы макроорганизм микробиота и таким образом провоцирует возникновение инфекци онных заболеваний, вызываемых персистирующими, либо вновь внедрившимися бактериями [Шендеров, 1998, 2001;

Бондаренко и др. 2003].

Метаболическая регуляция в развитии высших организмов, ее экологическая и эволюционная роль Вопросы метаболической регуляции, осуществляемой пу тем выделения в среду определенных низкомолекулярных соедине ний, находятся на пересечении интересов ряда биологических наук, в том числе, затрагивают популяционные взаимоотношения расте ний и животных. Как выяснилось еще в начале прошлого века, спо собность к взаимной стимуляции оказалась присуща не только дрожжам и бактериям. Робертсон [Robertson, 1923] обнаружил ана логичный эффект в экспериментах с простейшими и обратил вни мание на его общность для эволюционно различных организмов.

Приблизительно в то же время в опытах на азиатской саранче было показано, что в зависимости от плотности естественных и экспери ментальных популяций изменяется скорость роста и развития жи вотных, их поведение и морфологические особенности [Шварц и др., 1976].

Еще раньше аналогичные закономерности были обнаруже ны в экспериментах с растениями [Остроумов, 1986]. В начале века де Кандоль пришел к выводу, что причиной самоингибирова ния роста растений является накопление в почве соответствующих соединений. В подтверждение своих выводов он описал экспери менты, в которых бобовые растения, погруженные в воду, содер жащую выделения других индивидуумов того же вида, увядали и погибали [Rose, 1960;

Райс, 1978]. После опубликования трудов де Кандоля за короткое время эффекты самоингибирования были об наружены для большого числа сельскохозяйственных растений, таких как клевер, огурцы, перечная мята, овес и некоторые другие злаки. По мнению академика В.Н. Сукачева лесоводы обращали внимание на подобные явления в природных фитоценозах по край ней мере с начала 17, отмечая в своих трудах такие явления, как отсутствие подроста ели вокруг ее стволов в смешанных лесах и его обилие вокруг стволов других деревьев [Сукачев, 1975].

В практике сельского хозяйства эффект самоингибирования отмечался еще в эпоху Древнего Рима. Для его уменьшения Плиний рекомендовал поддерживать определенный севооборот, а для борь бы с папоротником – обивать его ветки в пору пускания ростков, поскольку вытекающий из растения сок оказывал губительное влияние на его корни [Катон..., 1957].

Во 2-й половине 20 века предметом интенсивного изучения стал так называемый "эффект группы", аналогичный популяцион ному эффекту в микробиологии. Эксперименты с водными живот ными [Rose, 1960;

Шварц и др., 1976] позволили изучить не только непосредственное влияние особей друг на друга, но и действие так называемой "воды скоплений" (водной среды, образуемой в про цессе развития группы животных) одной группы животных на дру гую. В наибольшей степени метаболиты "воды скоплений" оказы вали влияние на близкородственных животных, потомков той же "супружеской пары", в то время как метаболиты генетически более далеких особей влияли в меньшей степени. Быстро развивающиеся животные оказывали угнетающее действие на медленно развиваю щихся собратьев, тогда как сами не испытывали с их стороны за метного влияния. При определенных условиях действие "воды ско плений", хотя и угнетало рост особей, в то же время способствовало ускорению смены стадий их развития, что в конечном итоге могло приводить к образованию нежизнеспособных организмов с недо развитыми органами.

Специфическое действие метаболитов имеет важный био логический смысл, поскольку при экологических катастрофах, свя занных с резким сокращением численности популяции, должно способствовать сохранению ее максимального разнообразия. В ус ловиях нормального существования оно может приводить к расши рению ареала обитания, возрастанию гетерогенности популяций, расширению экологической ниши, дифференциации вида, его эво люции и процессу видообразования [Шварц и др., 1976]. Метаболи ческое ингибирование при развитии популяций снимает налагае мый правилом Гаузе абсолютный запрет и делает возможным со существование видов с близкими пищевыми потребностями [Абро сов и др., 1982].

В популяциях наземных животных метаболическое взаимо действие может осуществляться через выделения, попадающие в почву или воздух. В специальных экспериментах запах индивидов своего вида вызывал у грызунов физиологические изменения, кото рые проявлялись в увеличении надпочечников и изменении ритми ки размножения, а запах больных крыс вызывал аналогичные забо левания у здоровых животных. Летучие метаболиты при этом ока зывали свое действие не только через органы обоняния, но и непо средственно.

Спектр соединений, выделяющихся через кожные покровы и органы дыхания, весьма обширен и насчитывает у человека до 1000 соединений, характеризующих как физиологическое состоя ние, так и его генетические особенности [Дмитриев и др., 1982, 1987]. Ориентируясь по запаху, животное никогда не спутает двух различных людей, если только эти люди не являются генетически идентичными близнецами [Шварц и др., 1976]. Обоняние животных можно использовать в диагностике ряда заболеваний, для предска зания припадков эпилепсии и понижения сахара в крови.

Как и в случае микроорганизмов, внутрипопуляционные взаимоотношения высших оказывают влияние на их репродуктив ную функцию. Из экологии и демографии известно, что снижении плотности популяции приводит, как правило, к увеличению рож даемости [Макфедьен, 1965;

Одум, 1986]. Эксперименты с расте ниями выявили существование наиболее оптимальной густоты по сева, при которой они развиваются лучше, чем при более редких или более густых плотностях [Сукачев, 1975]. На примере злака Anthoxantum odoratum было показано, что этот эффект определяется действием выделяемых растением метаболитов [Харборн, 1985].

Действие зависимых от плотности факторов может приво дить к повышению смертности в переуплотненной популяции и возникновению колебаний численности [Макфедьен, 1965;

Одум, 1986;

Гречаный и др., 1986]. Зависимость продолжительности жиз ни от плотности популяции описывается так называемым принци пом Олли. Обычно она характеризуется кривой куполообразной формы, максимальная продолжительность жизни на которой соот ветствует некоторой промежуточной (наиболее оптимальной) плот ности, ниже и выше которой продолжительность жизни особей уменьшается [Одум, 1986].

Длительное время механизм поддержания численности по пуляций связывали исключительно с действием неспецифических факторов, таких как условия внешней среды, ограниченность ис точников питания, конкурентная борьба видов и некоторых других.

Наиболее полно эти представления были сформулированы Ч.Дарвином, сам он, однако, отмечал, что на их основе не всегда удается объяснить наблюдаемые в природе процессы [Дарвин, 1987].

По мнению академика С.С.Шварца [Шварц, 1972;

Шварц и др., 1976] популяционные эффекты при развитии микроорганизмов и высших животных и растений могут быть объяснены с позиций теории метаболической регуляции. В ее основе лежит способность метаболитов воздействовать на свой собственный синтез, влияя на скорость ферментативных реакций или экспрессию соответствую щих генов. Выделяясь во внеклеточную среду, эти же самые мета болиты способны оказывать влияние и на другие клетки популяции, органа или макроорганизма и таким образом осуществлять согласо вание процессов в пространственно удаленных компартментах. Ме таболическая регуляция является низшей ступенью в иерархии ре гуляторных процессов, осуществляемых на клеточном, организ менном и популяционном уровнях.

Эксперименты показали, что внесение в окружающую сре ду типичных внутриклеточных метаболитов оказывает существен ное влияние на развитие водных животных. Так, например, в экспе риментах на планариях добавленные в воду гомогенаты мозга ин гибировали дифференциацию мозга у регенерата, а экстракты глот ки тормозили развитие гомологичного органа у реципиента. Внесе ние в воду типичного "внутреннего" гуморального регулятора ти роксина способствовало стимуляции развития животных. Ряд дан ных свидетельствовал о наличии аналогичного взаимовлияния ме жду парными органами макроорганизма, опухолевыми клетками и органами матери и плода [Braun, 1952,1958;

Лукас, 1964;

Роус, Ро ус, 1964;

Bullough, 1967;

Шварц и др., 1976]. Появившаяся и широ ко использующаяся у микроорганизмов эта система не утратила своего значения и на более высоких уровнях организации [Лукас, 1964;

Шварц и др., 1976;

Барбье, 1978;

Харборн, 1985;

Северцов, 1986]. Это положение отвечает одному из основных принципов теоретической биологии, принципу эпиморфизма [Рашевский, 1968], согласно которому в процессе эволюции происходит не кар динальная замена одних механизмов другими, а дополнение и со вершенствование уже существующих и эволюционно проверенных.

Метаболическая (химическая) коммуникация бактерий, таким обра зом, могла послужить основой для развития более сложных и более совершенных специализированных систем, таких как феромонная и гормональная [Шварц и др., 1976]. Одновременно с совершенство ванием старых, в процессе эволюции происходит появление новых систем регуляции, основанных на физических взаимодействиях:

зрительных, акустических, механических и электрических [Коган и др., 1977]. Эти системы принимают определенное участие и в регу ляции численности популяций, повышают надежность управления и берут на себя часть функций старых каналов, способствуя их бо лее узкой специализации, но не заменяя полностью. При опреде ленной экологической ситуации функции этих каналов могут быть восполнены и даже полностью замещены метаболической регуля цией. С ее функционированием может быть связан ряд необъяснен ных до сих пор закономерностей в поведении животных, физиоло гии растений, человека и развитии биосистем.

Концепция пробиотического препарата на основе экзометаболитов представителей нормальной микрофлоры Приведенные выше результаты и теоретические представле ния легли в основу концепции пробиотических препаратов на осно ве экзометаболитов представителей нормальной микрофлоры [Ва хитов и др., 2004;

Вахитов, Петров, 2004;

Вахитов и др., 2005б, Петров и др. 2006]. Как уже отмечалось, эти метаболиты обеспечи вают внутрипопуляционные и межвидовые взаимоотношения бак терий и оказывают непосредственное влияние на макроорганизм, включая его поведенческие, а, значит, и социальные функции. В основе концепции лежит положение о том, что при нарушении функционирования симбиотической системы человек-микрофлора в восстановительной терапии нуждаются обе подсистемы и что ре шающее значение в той и другой терапии могут играть низкомоле кулярные микробные экзометаболиты.

В рамках концепции взаимоотношения человека с микрофло рой рассматриваются с позиции взаимодействия двух равноправ ных биологических систем, опосредованного интегративными ре гуляторными, трофическими и иммунологическими связями между макроорганизмом и его нормальной микрофлорой. Это противоре чит антропоцентрической системе взглядов, в рамках которой мик рофлоре отводят вспомогательную роль. Существует, однако, и другая точка зрения, согласно которой основная биологическая функция хозяина заключается в создании удобной экологической ниши для микроорганизмов.

Стабильность гомеостаза макроорганизма тесным образом связана с выделяемыми микрофлорой регуляторными веществами.

Организм хозяина, в свою очередь, влияет на состав микрофлоры, используя для этого многочисленные информационные и трофиче ские связи (рис.1). Если состав микрофлоры перестает удовлетво рять потребностям организма, индуцируется ее отторжение, сопро вождающееся симптомами того или иного заболевания. Заболева ние может наступать и в том случае, когда организм перестает вы полнять свои функции по отношению к микрофлоре.

Множество видов, составляющих микробиоценоз, находится в тесном взаимодействии друг с другом. Одни из них многочислен ны, другие составляют десятые или сотые доли процента от общей численности бактерий. Малочисленность вида не является свиде тельством его малой значимости. В клинической практике к хоро шему терапевтическому результату часто приводит использование и тех бактерий, численность которых в норме не велика (например, E. coli).

• человек микрофлора Регуляторные вещества Трофические связи теплообмен Экологическая ниша Защита от патогенов Биологически активные вещества Рис.1. Функциональные связи между микробиоценозом и макроорганизмом Внутрипопуляционные, межпопуляционные и межвидовые контакты бактерий являются основой для развития микробиоценоза как единого целого. Низший иерархический уровень в этом взаимо действии занимают внутрипопуляционные связи, на их основе формируются межпопуляционные контакты, а затем уже и взаимо действия всего микробиоценоза с макроорганизмом (рис. 2).

Приводившиеся выше данные по изучению биологической активности экзометаболитов E.coli М-17 позволяют полагать, что эти соединения оказывают регуляторное воздействие на состав микрофлоры человека, то есть могут выполнять приблизительно те же функции, что и живые бактерии E.coli М-17 в составе препарата колибактерин. Чтобы проверить это предположение была разрабо тана технология выращивания микроорганизмов для получения вы сокоактивного препарата экзометаболитов E.coli М-17 Актофлор- и технология получения еще более активного препарата Актофлор 2, содержащего метаболиты, выделяемые E.coli М-17 в процессе голодания. Оба препарата прошли комплекс предклинических ис пытаний и получили разрешение на использование в качестве пи щевой добавки.

макроорганизм 2-я популяция 1-я популяция Ослабление потока Формирование Поглощение нового потока потока Усиление потока Рис.2. Взаимодействие микроорганизмов внутри популяции приво дит к формированию потоков метаболитов, действующих на другие популяции. Отдельные популяции могут усиливать или ослаблять эти потоки, которые в конечном итоге достигают клеток эпителия макроорганизма Кроме ожидаемых свойств – способности стимулировать рост нормальной микрофлоры, препараты обладали иммуномодулирующим действием, ускоряли развитие новорожденных животных, оказывали общеоздоравливающий эффект, подавляли рост опухолевых клеток [Вахитов и др., 2005б].

Наличие данных о составе и биологической активности компонентов препаратов Актофлор позволило поставить задачу создания синтетической композиции, не уступающую по биологическим свойствам натуральным препаратам.

С этой целью был проанализирован состав и биологическая активность 17 препаратов, полученных при различных условиях выращивания культуры продуцента, и отобраны 5 наиболее актив ных. Основными критериями активности служили способность препаратов инициировать рост бактерий при низких плотностях засева и их влияние на скорость роста культуры при низких и отно сительно высоких плотностях засева. Результаты, этой работы по казали, что близкой активностью могут обладать препараты, суще ственно различающиеся по своему составу, и что препарат макси мально активный в одном из тестов может оказаться менее актив ным при использовании других тестов. Эти данные практически исключали возможность прямого копирования одного из препара тов и требовали подбора определенных критериев качественного и количественного состава препаратов.

Кроме данных по составу и биологической активности пре паратов прототипов при создании искусственной композиции, на званной Актофлор-С (Актофлор синтетический), учитывались ста тистические данные, полученные при исследовании состава всех препаратов и наиболее активных из них, данные по индивидуаль ной активности метаболитов, их композиций и динамике в процессе роста культуры, а также участие каждого из соединений в поддер жании коммуникативных связей с макроорганизмом. Особое вни мание было уделено поддержанию соответствующего окислитель но-восстановительного потенциала, поскольку именно этот пара метр во многих случаях лимитирует рост бактерий при засеве низ ких концентраций.

На основании этих данных и выработанных в процессе ра боты принципов конструирования была создана базовая компози ция, включающая 13 основных соединений, содержащихся в коли чествах от 0,5 до 60%.

Удельная биологическая активность композиции оказалась приблизительно в 8-15 раз выше, чем наиболее активного из 17 ис следованных препаратов, что являлось следствием отсутствия бал ластных веществ и более оптимальных соотношений компонентов, обеспечивающих максимальное проявление синергетического эф фекта. В дальнейшем путем варьирования содержания отдельных компонентов активность композиции была увеличена еще прибли зительно в 1,2 раза.

В настоящее время получена капсулированная форма пре парата Актофлор-С и проведено экспериментальное доклиническое изучение его безопасности и фармакологической активности. В ак те Института токсикологии Минздрава РФ отмечено, что специфи ческая фармакологическая активность препарата оказалась сопос тавимой с активностью зарегистрированных в России аналогов.

По сравнению с прототипами (Актофлор) синтетическая композиция Актофлор-С обладает большей удельной активностью и большей насыпной плотностью, что позволяет приблизительно в 40 раз увеличить активность капсулированной дозы препарата.

Препарат не содержит никаких примесей высокомолекулярных ал лергенов и потенциально токсических микробных метаболитов, не требует дорогостоящего оборудования при изготовлении. Полная определенность состава упрощает контроль его приготовления.

В совокупности эти преимущества позволят использовать синтетический препарат в новом качестве. Так, если механизм дей ствия препаратов Актофлор рассматривался исключительно как регуляторный и, в соответствие с этим, ежедневная рекомендуемая доза составляла 2-3 капсулы, то для Актофлор-С, возможно увели чение ежедневной дозы до 10-15 и даже более капсул.

Предполагается, что увеличение дозы приема позволит не только воссоздать привычный для микрофлоры и макроорганизма метаболический климат, но и обеспечит дополнительное питание клеткам кишечного эпителия, то есть будет способствовать восста новлению нарушенного микробиоценоза как на регуляторном, так и на трофическом уровнях. Вполне возможно, что высокие дозы пре парата способны компенсировать уменьшение потока метаболитов от микробиоты внутрь макроорганизма даже при выраженных на рушениях состава микрофлоры (рис.3).

Актофлор-С Микрофлора Хозяин • Стимуляция роста Восстановление • Антагонистическая активность физиологической • Индукция кворума: активности хозяина:

a. Устойчивость к стрессам a. Питание эпителия b. Адгезивность b. Регуляторное воздействие Рис. 3. Согласно предлагаемой концепции эффект от применения препарата Актофлор-С складывается из его регуляторного воздей ствия на микрофлору (опосредованное действие на макроорганизм) и непосредственного действия (регуляторного и трофического) на организм хозяина Трофическая функция препарата Актофлор-С представля ется исключительно важной, поскольку при недостатке поступаю щих от микробиоты питательных веществ возможна деградация колоноцитов, сопровождающаяся полной или частичной утратой их функциональной активности. В такой ситуации образуется замкну тый круг: отсутствие микрофлоры приводит к утрате колоноцитами их физиологической активности, а утратившие физиологическую активность колоноциты оказываются неспособными взаимодейст вовать с бактериальными клетками. Разорвать порочный круг мож но путем совместного приема бактериальных препаратов и препа ратов, компенсирующих колоноцитам сниженный поток постав ляемых микрофлорой питательных веществ (рис.3).

Входящие в состав препарата экзометаболиты могут спо собствовать ориентации бактерий в пространстве кишечника. Так, например, известно, что клетки E.coli обладают в отношении ацета та отрицательной хемотаксической активностью. Двигаясь против градиента его концентрации, они способны находить свободные ниши в пристеночном пространстве кишечника. При использовании метаболитов в качестве лекарственных средств (препарат Актоф лор-С) формируемый градиент (высокая концентрация ацетата в просвете и более низкая в пристеночном пространстве кишечника) также должен способствовать движению бактерий в направлении стенки кишечника. Одновременно с этим повышенная локальная концентрация ацетата и ингибиторов роста может индуцировать экспрессию генов адгезии, точно так же, как это происходит при достижении культурой стационарной фазы.

Еще одно важное свойство метаболитов – вызывать у бак терий «чувство кворума», одним из проявлений которого является повышение устойчивости клеток к действию стрессовых факторов и появление у них способности формировать биопленку при ад сорбции на поверхности [Hentzer & Givskov, 2003]. Это означает, что входящие в состав препарата Актофлор-С метаболиты могут не только стимулировать рост представителей микрофлоры, но и уве личивать их колонизационную способность, ассоциированную с устойчивостью слизистой к воздействию патогенных и условнопа тогенных микроорганизмов.

Важной чертой метаболической регуляции является ее спе цифичность. Это означает, что теоретически возможно добиваться любого изменения состава сложных микробных сообществ путем изменения пейзажа низкомолекулярных метаболитов, на фоне ко торого эти сообщества развиваются. Разработка препарата Актоф лор-С является по существу попыткой использовать феномен соци ального поведения бактерий, или «чувство кворума», в лечебных целях. Аналогичные разработки проводятся и за рубежом, но имеют иной контекст и направлены на разработку антимикробных препа ратов, блокирующих социальное поведение патогенных бактерий, например, Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa [Hentzer & Givskov, 2003].

Список литературы 1. Абросов Н.С., Ковров Б.Г., Черепанов О.А. Экологические механизмы сосуществования в видовой регуляции.– Новосибирск: Наука, 1982.– 301 с.

2. Алешкин В.А., Афанасьев С.С., Поспелова В.В. и др.

Становление пробиотикотерапии в России // Вестник РАМН.– 2005.– №12.– С.3-13.

3. Бабин В.Н., Домарадский И.В., Дубинин А.В. и др. Новые подходы к разработке лекарственных средств // Росс. хим.

журн.– 1996.– Т.40.– №2.– С.125-130.

4. Бабин В.Н., Домарадский И.В., Дубинин и др. Биохимиче ские и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофлоры // Росс. хим. ж.– 1994.– Т.38.– №6.– С.66-78.

5. Барбье М. Введение в химическую экологию.– М.: Мир, 1978.– 229 с.

6. Блохина И.Н., Дорофейчук В.Г. Дисбактериозы.– Л.: Меди цина, 1979.– 176 с.

7. Богданов Е.А., Несвижский Ю.В., Воробьев А.А. и др.

Исследования пристеночной микрофлоры желудочно кишечного тракта крыс при пероральном введении пробиотических препаратов // Вестник РАМН.– 2006.– №2.– С.6-10.

8. Бондаренко В.М., Грачева Н.М., Мацулевич Т.В. Дисбакте риозы кишечника у взрослых.– М.: КМК, 2003.– 224 с.

9. Бухарин О.В., Гинцбург А.Л., Романова Ю.М., Эль Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. – М.:

Медицина, 2005.– 367 с.

10. Вахитов Т.Я., Добролеж О.В., Петров Л.Н. Влияние препа ратов «Актофлор» на выживаемость Escherichia coli M-17 и Salmonella enteritidis при голодании в смешанных культурах // Журн. микробиол. – 2000а.– №6.– С.67-68.

11. Вахитов Т.Я., Добролеж О.В., Петров Л.Н., Вербицкая Н.Б., Задаура Е.Ю. Сравнительное изучение действия препаратов аутостимуляторов роста Escherichia coli M-17 и фруктооли госахаридов на рост и антагонистичекую активность лакто бацилл // Журн. микробиол. – 2001.– №3.– С.80-83.

12. Вахитов Т.Я., Момот Е.Н., Петров Л.Н. Стимулятор роста клеток бактерий Escherichia coli: Патент России № 2233875, 2004 / Опубл. 10.08.2004.– Бюл. № 22.

13. Вахитов Т.Я., Момот Е.Н., Толпаров Ю.Н. Динамика и функции экзометаболитов в процессе роста периодической культуры Escherichia coli М-17 // Журн. микробиол.– 2005а.– № 1.– С. 16-21.

14. Вахитов Т.Я., Момот Е.Н., Шалаева О.Н., Петров Л.Н. Со став и биологическая активность экзометаболитов Escherichia coli M-17 // Журн. микробиол.– 2003б.– №6.– С.20-25.

15. Вахитов Т.Я., Петров Л.Н. Перспективы создания антипато генных лекарственных средств // Folia ORL et PR.– 2004.– Т.10.– №3-4.–С.48-59.

16. Вахитов Т.Я., Петров Л.Н. Регуляторные функции экзоме таболитов бактерий // Микробиология.– 2006.– №4 (в печа ти).

17. Вахитов Т.Я., Петров Л.Н., Бондаренко В.М. Концепция пробиотического препарата, содержащего оригинальные микробные метаболиты // Журн. микробиол.– 2005б.– № 5.– С.108-114.

18. Вахитов Т.Я., Протасов Е.А, Виснольд Н.В, Толпаров Ю.Н., Петров Л.Н. Выделение и идентификация аутостимулято ров роста Escherichia coli. // Журн. микробиол.– 2003а.– №2.– С.7-12.

19. Вахитов Т.Я., Яшина О.Ю., Петров Л.Н., Королюк А.М.

Изучение действия препарата аутостимуляторов роста Escherichia coli M-17 (препарат «Актофлор») на рост чис тых и смешанных культур бактерий. // Журн. микробиол. – 2000б.– №3.– С.20-24.

20. Вильшанская Ф.Л. Характеристика микрофлоры при дисбактериозе кишечника;

патогенетическое значение дисбактериоза при кишечных расстройствах и эффективность применения с лечебной целью колибактерина: Автореф. дис....докт. мед. наук.– М., 1970.– 31 с.

21. Гречаный Г.В., Никитин А.Я., Сосунова И.А. Плотность населения как фактор регуляции генетической структуры и численности популяций животных. Сообщение 11.

Наследственная обусловленность динамики численности моноклональных популяций дафний // Генетика.– 1986.– Т.22.– №6.– С.983-987.

22. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного от бора.– М.: Просвещение, 1987.– 383 с.

23. Дмитриев М.Т., Малышева А.Г., Растянников Е.Г.

Специфические органические соединения в продуктах жизнедеятельности // Космическая биология и авиакосмическая медицина.– 1987.– Т.21.– №4.– С.50-56.

24. Дмитриев М.Т., Растянников Е.Г., Волков С.А. и др.

Прецизионное исследование микропримесей, выделяемых организмом человека // Вопросы медицинской химии.– 1982.– Т.25.– Вып.6.– С.122-125.

25. Домарадский И.В., Хохоев Т.Х., Кондракова О.А. и др.

Противоречивая микроэкология // Росс. хим. ж.– 2002.– Т.46.– №3.– С.80-89.

26. Зефиров А.Л. Медиаторы, эволюция представлений // Вестник РАМН.–2005.– №1.– С.49-52.

27. Катон, Варрон, Колумелла, Плиний о сельском хозяйстве.– М.: Сельхозгиз, 1957.– 352 с.

28. Кировская Т. А. Исследования популяционной организации и межклеточной коммуникации у микроорганизмов в Со ветском Союзе (России) второй половины ХХ века: истори ко-научный анализ: Дисс…. канд. биол. наук: 07.00.10 / ИИЕТ РАН.– М., 2005.– 188 с.

29. Коган А.Б. Биологическая кибернетика.– М.: Высшая школа, 1977.– 408 с.

30. Кондракова О.А., Бабин В.Н., Вылегжанина Е.С. и др. Из бирательность действия низкомолекулярных метаболитов нормальной микрофлоры человека // Эпидемиология и ин фекционные болезни.– 1998.– №3.– С.30-35.

31. Куваева И.Б. Обмен веществ организма и кишечная микро флора.– М.: Медицина, 1976.– 248 с.

32. Лукас С. Экологическая роль метаболитов, выделяемых во внешнюю среду // Механизмы биологической конкуренции.– М.: Мир, 1964.– С.242-262.

33. Макфедьен Э. Экология животных.– М.: Мир, 1965.– 375 с.

34. Мейсель М.Н. Функциональная морфология дрожжевых организмов.– М.: Изд-во АН СССР, 1950.– 368 с.

35. Одум Ю. Экология.– М.: Мир, 1986.– Т.2.– 376 с.

36. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию.– М.:

МГУ, 1986.– 176с.

37. Перетц Л.Г. Значение нормальной микрофлоры для орга низма человека.– М.: Медгиз, 1955.– 436 с.

38. Петров Л.Н., Бондаренко В.М., Вахитов Т.Я., Воробьев А.А. QS-системы у бактерий и перспективы создания новых метаболитных пробиотических препаратов // Вестник Рос сийской АМН.– 2006.– №1.– С.38-45.

39. Пинегин Б.В., Мальцев В.Н., Коршунов В.М. Дисбактерио зы кишечника.– М.: Медицина, 1984.– 144 с.

40. Райс Э. Аллелопатия.– М.:Мир, 1978.– 392 с.

41. Ракитин В.Ю., Чугасова В.А., Финогенов Б.П. и др.

Регулирование состава ферментационной среды как метод управляемого культивирования микроорганизмов.– М.:

ВНИИСЭНТИ, 1986.– 36 с.

42. Рашевский Н. Модели и математические принципы в биологии // Теоретическая и математическая биология.– М.:

Мир, 1968.– С.48-66.

43. Роус С., Роус Ф. Выделение головастиками веществ, задерживающих рост // Механизмы биологической конкуренции.– М.: Мир, 1964.– С.263-276.

44. Северцов А.С. О причинах эволюционной стабильности популяций видов в природе // Журн.общ.биол.– 1986.– Т.47.– №6.– С.723-734.

45. Сукачев В.Н. О внутривидовых и межвидовых взаимоотношениях среди растений // Избранные труды.– Л.: Наука, 1975.– Т.3.– С.389-424.


46. Ткаченко А.Г. О соотношении селективного и аутометаболического типов регуляции численности и структуры бактериальных популяций // Факторы развития бактериальных популяций.– Свердловск: УНЦ АН СССР, 1980.– С.75-84.

47. Харборн Д. Введение в экологическую биохимию.– М.:

Мир, 1985.– 312 с.

48. Шварц С.С. Метаболическая регуляция роста и развития животных на популяционном и организменном уровнях // Известия АН СССР. Сер. биологическая.– 1972.– № 6.– С.822-835.

49. Шварц С.С., Пястолова О.А., Добринская Л.А., Рункова Г.Г.

Эффект группы в популяции водных животных и химическая экология.– М.: Наука, 1976.– 154 с.

50. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функ циональное питание: В 3 т.– М.: Грант, 1998, 2001.– Т-3.

51. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология:

некоторые итоги и перспективы исследований // Вестник РАМН.– 2005.– №12.– С.13-17.

52. Arnold C. N., McElhanon J., Lee A. et al. Global analysis of Escherichia coli gene expression during the acetate-induced acid tolerance response // J. Bacteriol.– 2001.– V.183.– №7.– P.2178-2186.

53. Braun W. Cell population dynamics and somatic change // J.Cell and Comp. physiol.– 1958.– V.52.– suppl.1.– P.337-369.

54. Braun W. Studies of population changes in bacteria and their relation to some general biological problems // The American Naturalists.– 1952.– V.86.– №831.– P.355-371.

55. Bullough W.S. The evolution of differentiation.– L.-N.Y.:

Acad.Press, 1967.– 206p.

56. Cummings J.H., Pomare E.W., Branch W.J. et al. Short chain fatty acids in human large intestine, portal, hepatic and venous blood // Gut.– 1987.– V.28.– P.1221-1227.

57. El-Gedaily A, Paesold G., Chen C.-Y. et al. Plasmid virulence gene expression induced by short-chain fatty acid in Salmonella dublin: identification of rpoS-dependent and rpoS-independent mechanism // J. Bacteriol.– 1997.– V.179.– №4.– P. 1409- 58. Fuqua W.C., Winans S.C., Greenberg E.P. Quorum sensing in bacteria: the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators // J. Bacteriol.– 1994.– V.176.– №2.– P.269-275.

59. Hentzer M., Givskov M. Pharmacological inhibition of quorum sensing for the treatment of chronic bacterial infections // J.

Clin. Invest.– 2003.– V.112.– № 9.– Р.1300-1307.

60. Kirkpatrick C., Maurer L. M., Oyelakin N. E. et al. Acetate and formate stress: opposite responses in the proteome of Escherichia coli // J. Bacteriol.– 2001.– V.183.– P.6466-6477.

61. Lin J., Lee I.S., Frey J. et al. Comparative analysis of extreme acid survival in Salmonella typhimurium, Shigella flexneri, and Escherichia coli // J. Bacteriol.– 1995.– V.177.– P.4097-4104.

62. Makinoshima H., Nishimura A., Ishihama A. Fractionation of Escherichia coli cell population at different stages during growth transition to stationary phase // Molecular Microbiology.– 2002.– V.43.– №2.– P.269-278.

63. Oh M. K., Rohlin L., Kao K. C. et al. Global expression profiling of acetate-grown Escherichia coli // J. Biol. Chem.– 2002.– V.277.– P.13175- 64. Polen T., Rittmann D., Wendisch V.F. et al. DNA microarray analyses of the long-term adaptive response of Escherichia coli to acetate and propionate // Appl. Environ. Microbiol.– 2003.– V.69.– P.1759-1774.

65. Robertson T. B. The chemical basis of growth and senescence.

Lippin-cott, Philadelphia, 1923.– 221 p.

66. Roe A. J., O'Byrne C., McLaggan D. et al. Inhibition of Escherichia coli growth by acetic acid: a problem with methionine biosynthesis and homocysteine toxicity // Microbiology.– 2002.– V.148.– P.2215-2222.

67. Rose S.M. A feedback mechanism of growth control in tadpoles // Ecology.– 1960.– V.41.– № 1.– P.188-199.

68. Weichart D.H., Kell D.B. Characterization of an autostimulatory substance produced by Escherichia coli // Microbiology.– 2001.– V.147.– P.1875-1885.

69. Xavier K.B., Bassler B.L. Regulation of uptake and processing of the quorum-sensing autoinducer AI-2 in Escherichia coli // J.

Bacteriol.– 2005a.– V.187.– P.238-248.

Популяционные эффекты в культурах микроорганизмов Т. Я. Вахитов Гос.НИИ особо чистых биопрепаратов, Санкт-Петербург Изучение популяционных эффектов в микробиологии свя занны, в свете современных воззрений, с обменом информацией между клетками. Анализ литературных данных первой половины 20 века позволяет отнести к популяционным эффектам следующие явления: зависимость продолжительности лаг-периода от плотно сти засева;

стимуляция и ингибирование роста выделяемыми в ок ружающую среду продуктами обмена;

«эффект толпы», приводя щий к остановке роста культуры при достижении определенной плотности;

изменение среднего объема бактерий в процессе роста культуры;

переход бимодального распределения размера клеток в унимодальное при увеличении плотности популяции;

зависимое от стадии роста и плотности культуры изменение производства тепла, потребления кислорода, Eh, рН, выделения СО2, H2S и других про дуктов;

аналогичное изменение устойчивости к действию физиче ских факторов, химических агентов и бактериофагов;

изменение подвижности клеток, их электрофоретического заряда и устойчиво сти к кислотной агглютинации;

диссоциация, изменение вирулент ности и антигенных свойств клеток. Механизмы большинства из этих явлений до сих пор остались неизученными. В заключитель ном разделе работы приводятся сведения относительно образования надклеточных структур (колоний) микроорганизмов.

Стимуляция роста культур продуктами собственного обмена Проблемы коммуникации микроорганизмов и регулятор ных функций бактериальных экзометаболитов возникли при изуче нии роста простых периодических культур. Наблюдения за динами кой численности микроорганизмов показали, что после засева в свежую питательную среду клетки начинают делиться не сразу, а по истечении некоторого промежутка времени. На первом этапе роста частота деления клеток увеличивается, достигает своего мак симального значения, а затем вновь уменьшается. Эти закономер ности позволили разделить весь процесс роста на ряд последова тельных стадий: лаг-период, стадия логарифмического роста и ста дия замедления роста [Muller, 1895;

Winslow & Walker, 1939].

Продолжительность лаг-периода зависела от многих факто ров, в том числе и от размера внесенного инокулята. Чем больше вносилось клеток в свежую питательную среду, тем короче был лаг период. При засеве слишком малого количества клеток рост мог и вовсе отсутствовать. Обсуждая эту проблему в работе «Мемуар о спиртовом брожении» Луи Пастера писал, что дрожжи, будучи раз ведены в чистой или сахарной воде, отдают ей часть своих жидких или растворимых элементов. В отфильтрованной жидкости обна руживаются белковые и минеральные вещества, наличие которых приводит к развитию и размножению дрожжей. Дрожжи сами со держат, по крайней мере частично, эти азотистые и минеральные легко растворимые вещества. Таким образом, как только их при бавляют к сахарной воде, они имеют все, что им необходимо для жизни [Пастер, 1960].

Начало систематического изучения этих веществ обычно связывают с работой студента 3 курса Лувенского университета (Бельгия) Е. Вильдье (Wildiers), выполненной в лаборатории биоло гической химии под руководством профессора М. Иде (M.Ide). Ра бота была представлена на конкурсе студенческих работ, удостоена премии и по этой причине вышла в печати только под одной фами лией Вильдье [Wildiers, 1901].

Сам Вильдье, получив в университете медицинское образо вание, научной работой больше не занимался и вскоре (1906) погиб при ликвидации эпидемии скарлатины. Как и Пастер, Иде и Виль дье обнаружили, что рост и брожение дрожжевой культуры на син тетической минеральной среде отсутствовали если в качестве по севной вносилось очень мало клеток. Брожение и размножение на блюдались, когда в культуру дополнительно вносился экстракт из дрожжей или количество клеток было сравнительно велико.

Вещество, или вещества, необходимые для роста или бро жения помимо основных источников азота и углерода, были назва ны «биос». В работе Вильдье отмечалось, что это название является условным и должно быть заменено на химическое после установле ния состава «биос». Сходные наблюдения принадлежали россий скому ученому Я.Никитинскому, который, как и Пастер, показал (1904), что в процессе роста дрожжей и плесневых грибов в среду выделяются вещества, способные активировать размножение раз нообразных микроорганизмов [Мейсель, 1950].

Объяснения, выдвинутые Иде и Вильдье, без точного дока зательства реальности существования вещества «биос» не удовле творили многих крупных ученых того времени, таких как Коссович, Виндиш, Дельбрюк, Прингсгейм, Линднер и некоторые другие [Одинцова, 1959]. Так, например, Дельбрюк полагал, что роль до бавленного органического вещества сводится к связыванию инги бирующих рост тяжелых металлов, Линдлер указывал на возмож ное «вредное» действие кислорода, Прингсгейм объяснял наблю даемые явления тем, что отмирающие дрожжевые клетки могут вы делять вещества, повышающие выживаемость других клеток [Мей сель, 1950].

В защиту представлений о «биосе» выступили Иде (Ide, 1907, 1921, 1931), его ученик Аман (Amand, 1902, 1904) и Р.Девло (R.Devloo, 1906). Систематическое изучение «биоса» было пред принято Миллером (L. Miller) и Кеглем (Kgl). В работах этих ав торов было показано, что различные фракции «биоса», адсорбируе мые теми или иными адсорбентами и растворимые в различных растворителях, обладают, хотя и сильно различающейся, но все же выраженной способностью стимулировать рост выбранных в каче стве индикаторных культур дрожжей. Работы школы Миллера при вели к важному выводу о комплексном строении «биоса». В 1928 г Исткот (Eastcott) определила, что активной частью одной из фрак ций («биос I») является давно известное вещество мезоинозит (гек саоксициклогексан). В 1936 г Кегль совместно с Теннисом выделил наиболее активный компонент биоса («биос II») и назвал его био тином. Это название было выбрано Кеглем в созвучие с названием «биос». В это же время Миллер показал, что некоторые аминокис лоты, входящие в состав биос-комплекса, обладают определенной активностью, а Вильямс и Рорман (Williams & Rohrman, 1936) представили доказательства высокой активности для дрожжей аланина.


Тремя годами ранее Вильямс с сотрудниками открыли фак тор, активирующий размножение дрожжей, названный пантотено вой кислотой. Позднее в состав биос-комплекса были включены витамин В6, парааминобензойная и фолиевая кислоты. В очень ма лых количествах для развития дрожжей оказались необходимыми некоторые аминокислоты, получившие по этой причине название «микроаминокислот» (лейцин, метионин, треонин, цистеин). Суще ственную роль играли глутаминовая кислота и аспарагин [Мейсель, 1950].

К 1950 г в составе биос-комплекса насчитывалось уже око ло 20 соединений. Все они, однако, включенные в питательную среду, в ряде случаев не обеспечивали того темпа роста, который имели эти же микроорганизмы на естественных питательных сре дах [Мейсель, 1950]. Разные виды и даже штаммы дрожжевых и родственных им организмов требовали различных витаминов и по разному реагировали на одни и те же витамины. Особенно сильно в своих потребностях различались штаммы Saccharomyces cerivisiae и Sacch. ellipsoids. Эта особенность не позволила использовать вита минные потребности в качестве систематических признаков, хотя подобные попытки и осуществлялись (Schultz, Atkin & Frey, 1940).

Некоторые микроорганизмы оказались способны синтези ровать витамины в очень слабой степени, не покрывающей их соб ственных потребностей. При систематических пересевах на безви таминных средах способность к синтезу витаминов могла быть зна чительно увеличена, а затем вновь утрачена, если последующие культивирования проводились на полноценных средах [Мейсель, 1950].

Подводя итог работам в области изучения состава «биос», следует отметить, что c современных позиций их первоначальную направленность можно рассматривать как изучение механизма ав тостимуляции роста дрожжей, в дальнейшем, однако, круг решае мых вопросов свелся к поиску ростовых факторов этих микроорга низмов. Вопрос о выполнении регуляторных функций включенны ми в состав «биоса» веществами остается открытым. Интерес к ре гуляторам роста дрожжей возобновился в последние годы в связи с изучением «чувства кворума» у микроорганизмов. В частности бы ло показано, что у Candida albicans функции автостимулятора вы полняет 2-(4-hydroxyphenyl)ethanol (tyrosol), получающийся из ами нокислоты тирозин [Chen et a., 2004]. В качестве содержащегося в культуральной жидкости экзометаболита грибов, включая C.

albicans, тирозол известен сравнительно давно, но его способность выполнять функции автостимулятора роста была показана впервые [Chen et a., 2004].

Начало исследованиям автостимуляторов бактерий поло жила работа Отто Рана, опубликованная в 1906 году [Rahn, 1906].

Ран вносил в питательную среду одного и того же состава различ ное количество клеток и показал, что увеличение их числа (концен трации) приводит к сокращению лаг-периода. Предполагая, что причиной сокращения лаг-периода являются изменения состава питательной среды, привносимые самими бактериями, Ран исполь зовал наряду со свежей питательной средой также среду, в которой данные бактерии уже выращивались, а затем были убиты нагрева нием. Засеянные в эту среду культуры имели укороченный лаг период или даже не имели его вовсе. На этом основании Ран заклю чил, что максимальная скорость роста культуры может быть дос тигнута при определенной концентрации некого термостабильного вещества, образуемого и выделяемого в среду самими бактериями.

Вслед за Иде и Вильдье Ран называет это вещество «биос». Чем выше была концентрация клеток, тем меньше времени требовалось для достижения необходимой для роста концентрации «биос» и, следовательно, быстрее завершался лаг-период.

Если убитые нагреванием бактериальные клетки удалялись фильтрованием, лаг-период засеянной в эту среду культуры был больше, чем в среде с неотфильтрованными бактериями. Сам Ран посчитал, что «биос» является нефильтруемым веществом, но в бо лее поздних работах отмечалось, что кажущаяся нефильтруемость «биос» могла быть вызвана его адсорбцией на материале фильтра (Topley & Wilson, 1934). Пенфолд [Penfold, 1914], критикуя работы Рана, тем не менее повторил его эксперименты и обнаружил сход ные зависимости. Чесни [Chesney, 1916] в аналогичных опытах об наружил, что продолжительность лаг-периода увеличивалась, если для засева использовали предварительно отмытые клетки. Обзор данных других авторов приводится в монографии Хенричи, пред ставляющей значительный (и не только исторический) интерес и в настоящее время [Henrici, 1928].

Эффект взаимной стимуляции оказался присущ не только дрожжам и бактериям. Робертсон [Robertson, 1923] обнаружил его в экспериментах с простейшими и первым обратил внимание на глу бокий биологический смысл данного явления, назвав его аллелока талитическим эффектом.

Работа Рана и другие аналогичные работы вызвали широ кий отклик, и вскоре в печати началась дискуссия о природе и сущ ности лаг-периода. По мнению Чесни [Chesney, 1916], всех прини мавших в ней участие можно было разделить на два больших лаге ря: на тех, кто предполагал найти причины лаг-периода во внекле точной среде и тех, кто искал их внутри клетки. Среди господство вавших в то время гипотез наиболее обоснованными были призна ны шесть [Topley & Wilson, 1934]. Первая из них основывалась на экспериментах Рана и была названа гипотезой «биос». Основная ее трудность заключалась в том, что пересеянная со стадии логариф мического роста культура росла без лаг-периода и, следовательно, по мнению оппонентов гипотезы, в «биосе» не нуждалась.

Согласно второй гипотезе [Penfold, 1914] остановка роста влечет за собой уменьшение концентрации веществ внутриклеточ ного пула, диффундирующих в окружающую среду, либо удаляю щихся каким-то иным способом. Длительность лаг-периода при этом определяется временем, необходимым для восстановления пула внутриклеточных компонентов.

Гипотеза Чесни [Chesney, 1916] основывалась на его собст венных экспериментах с пневмококками и предполагала, что при чиной лаг-периода является поврежденность бактерий, возникаю щая при действии накапливающихся в культуральной жидкости вещества. Чесни посчитал, что обнаруженный им эффект является достаточно общим. В дальнейших экспериментах, однако, было показано, что повреждение пневмококков вызывала накапливаю щаяся в среде перекись водорода (Avery & Morgan, 1924), отсутст вовавшая при росте других бактерий. На этом основании гипотеза Чесни подвергалась значительной критике, хотя и не была полно стью отвергнута [Topley & Wilson, 1934].

Следующая гипотеза получила название гипотезы селекции [Topley & Wilson, 1934]. Согласно ее концепции, индивидуальные клетки заметно различаются по способности к росту и, поэтому, приступают к нему не одновременно, а в течение некоторого про межутка времени – лаг-периода [Ledingham & Penfold, 1914].

Еще две очень схожие между собой гипотезы были названы гипотезами «инертности» и «омоложения». Первая из них предпо лагала наличие у бактерий стадии покоя, наступающей при дости жении стационарной фазы и, в некоторой степени, аналогичной стадии спорообразования [Buchanan, 1918], что во многом сходно с современными концепциями [Бухарин и др., 2005]. В терминах ги потезы «омоложения» клетки, достигшие стационарной фазы, явля лись «старыми», а на протяжении лаг-периода происходило их «омоложение». Основным признаком старых клеток считалась их повышенная устойчивость к стрессовым воздействиям [Sherman & Albus, 1923, 1924], так что в этом смысле они практически не отли чались от покоящихся клеток. На протяжении лаг-периода клетки постепенно утрачивали устойчивость к действию повреждающих факторов, то есть выходили из состояния покоя или «омолажива лись».

Подводя итог дискуссии, можно согласиться с авторами монографии [Topley & Wilson, 1934], что приведенные гипотезы не являются взаимоисключающими и добавить, что многие из поло женных в их основу фактов и предположений подтвердились в дальнейших исследованиях и остаются актуальными вплоть до на ших дней [Бухарин и др., 2005].

Существенное влияние на продолжительность лаг-периода оказывала концентрация углекислого газа [Walker, 1932]. При ее понижении путем продувания очищенного от СО2 воздуха размно жение E. coli в синтетической среде могло значительно замедляться или вообще прекращаться. Если концентрацию углекислого газа повышали, рост культуры возобновлялся с прежней скоростью.

Аналогичные результаты были получены и для других видов бакте рий [Gladstone et al., 1935]. Это позволяло предполагать, что про должительность лаг-периода определяется временем, необходимым для увеличения концентрации СО2 до необходимых для роста пре делов. Высказывались даже предположения, что именно СО2 явля ется «биосом» Вильдье.

Среди более поздних работ привлекают внимание работы Ланкфорда с соавторами. Начало их исследованиям положило на блюдение, казалось бы не имеющее непосредственного отношения к проблеме автостимуляторов: авторы [Lankford et al., 1957] обна ружили, что продукты термической деградации глюкозы, катализи руемой фосфатами (автоклавирование растворов глюкозы в фос фатном буфере), стимулируют рост Bacillus globigii. Стимулирую щим действием, по их мнению, обладал некий GP-фактор, являю щийся ненасыщенной гидроксикислотой. Действие GP-фактора оказалось идентичным действию пептона в концентрации 1 мг/мл или дрожжевого экстракта в концентрации 0,1 мг/мл. Если концен трация пептона или дрожжевого экстракта была меньше, то добав ление GP-фактора приводило к усилению стимулирующего эффек та. Аналогичное стимулирующее действие на лактобациллы (Ramsey, 1953) оказывали промежуточные продукты цикла Кребса.

Все это заставило авторов [Lankford et al., 1957] подробно исследо вать влияние на рост широкого спектра соединений. Стимулирую щий действие оказывало значительное количество веществ, в том числе янтарная, пировиноградная, -кетоглутаровая, фумаровая и некоторые другие. Максимальным эффектом характеризовались лимонная и щавелевая кислоты. Стимулирующая активность ве ществ коррелировала с их способностью образовывать комплексы с двухвалентными ионами металлов.

В дальнейших исследованиях было обнаружено, что длительность лаг-периода могла быть уменьшена при добавлении фильтратов культуральной жидкости (КЖ) бацилл. При плотности засева B.megaterium равной 60 кл/мл добавление в среду культивирования 1% среды, отобранной со стационарной фазы ее роста, приводило к сокращению лаг-периода c 14 до 4 часов. При увеличение дозы фильтрата дальнейшего сокращения не происходило [Lankford et al., 1966]. Зависимую от плотности популяции и количества добавленного фильтрата часть лаг периода авторы назвали инокулят-зависимым лаг-периодом в отличие от другой, постоянной или инокулят-независимой части.

Рост культуры B. subtilis var. niger существенно отличался от роста B. megaterium. При плотности засева ниже 100 кл/мл он не начинался вовсе или наступал только по истечении четырех суток.

При плотности засева от 104 до 106 кл/мл продолжительность лаг периода колебалась от 4 до 6 часов. После его окончания вслед за первым делением бактерий наступал так называемый вторичный лаг, продолжительностью около 2 часов, затем – новое увеличение численности и новый лаг-период. Чередование процессов роста и торможения продолжалось вплоть до достижения плотности кл/мл, после чего удельная скорость роста возрастала и быстро достигала максимального значения. Добавление фильтрата КЖ в суспензии культур B. subtilis var. niger приводило к сокращению лаг-периода до 4 часов и увеличению скорости роста на последующих этапах.

Приблизительно за час до окончания лаг-фазы в среде роста B. megaterium наблюдалось увеличение концентрации стимулирующих рост веществ (автостимуляторов) и одновременное падения их содержания внутри клеток. На стадии инициации роста концентрация автостимуляторов в среде оставалась некоторое время постоянной или даже падала, а внутри клеток – увеличивалась. Предполагалось, что клетки поглощали автостимуляторы из среды или, по крайней мере, не экскретировали их. Максимальная концентрация автостимуляторов достигалась к моменту остановки роста бактерий. В связи с этим авторы полагали, что наличие этих соединений было необходимо для поддержания роста на всех стадиях культивирования.

Автостимуляторы роста B. megaterium и B. subtilis var.

niger обладали одинаковой хроматографической подвижностью и не окрашивались нингидрином, концентрация их в КЖ B.megaterium, однако, была приблизительно в 100 раз выше.

Эксперименты по изучению специфичности действия автостимуляторов (шизокиненов) 6 видов бацилл показали, что наиболее интенсивное воздействие на свой собственный штамм оказывал лишь фильтрат КЖ B. subtilis 6633. КЖ остальных видов в большей степени стимулировали рост других микроорганизмов.

Предполагалось, что стимулирующая активность их фильтратов могла маскироваться сопутствующей активностью автоингибиторов, оказывавших различное действие на свой собственный и иные штаммы бактерий [Lankford et al., 1966].

В дальнейшей работе из культуральной жидкости было вы делено и идентифицировано соединение, способное образовывать комплексы с железом и относящееся к классу гидроксамовых ки слот [Byers et al., 1967]. Авторы посчитали, что именно это вещест во ответственно за стимулирующий эффект КЖ, то есть является искомым автостимулятором («шизокиненом»). Правомерность та кого вывода, однако, вызывает определенные сомнения, поскольку сидерофоры, к которым и относится «шизокинен», способны уско рять рост только в условиях жесткой лимитации источником желе за, возможной при достижении высокой плотности культуры или при использовании специально очищенных от ионов железа воды и сред.

Автостимуляторы роста были обнаружены в экспериментах с двумя штаммами клостридий [Коровина и др., 1974]: при добав лении в ростовую среду 2% фильтратов КЖ рост бактерий заметно ускорялся. Более подробно эффект автостимуляции изучался в опытах с E.coli M-17 [Барихин и др., 1974;

Пшеничнов и др., 1975а].

В ряде экспериментов было показано, что автостимуляторы влияют не только на скорость роста культуры, но и на ее экономический коэффициент, причем это влияние во многом зависит от плотности популяции [Ткаченко, Октябрьский, 1980;

Пшеничнов и др., 1981].

Изменение стимулирующей активности КЖ в этих экспе риментах носило явно выраженный периодический характер. Пер вое и наиболее значительное ее увеличение наблюдалось на лаг периоде, после чего величина индекса стимуляции (ИС) понижа лась и достигала даже отрицательных значений (ингибирование роста). После каждого увеличения активности (ИС) наблюдалось интенсивное размножение клеток, а в периоды спада концентрация клеток оставалась практически постоянной.

Колебания стимулирующей (ингибирующей) активности наблюдались и после достижения культурой стационарной фазы роста – на протяжении ее последующей инкубации и сопровожда лись соответствующими колебаниями численности бактерий [Пше ничнов и др., 1975а,б]. Аналогичные колебания наблюдались в экс периментах с клостридиями [Коровина и др., 1974] и K. aerogenes [Harrison, 1960], причем и в том и другом случае их появление было вызвано добавлением фильтратов КЖ.

Автостимуляторы и автоингибиторы E.coli M-17 обладали достаточно выраженной специфичностью, о чем свидетельствовали соответствующие индексы стимуляции [Пшеничнов и др., 1975а], полученные при изучении их действия на изогенную (E.coli M-17), гомологичную (E.coli ) и гетерологичную (Shigella flexneri 170) культуры. В опытах с автостимуляторами соответствующие значе ния ИС составляли: 5,9, 1,2 и 1,3.

Положительный эффект кооперативности роста популяции бактерий был обнаружен в экспериментах с непрерывной культурой [Шилин и др., 1983], скорость роста которой была выше в более плотных суспензиях.

Действие автостимуляторов и автоингибиторов оказалось тесно связанным с гетерогенностью популяции по скорости роста отдельных ее членов, r- и К-стратегов. Из-за недостаточного содержания автостимуляторов (при низких плотностях засева) на начальной стадии роста селективное преимущество получали быстро растущие клетки, а на завершающей, напротив, выигрывали менее чувствительные к действию ингибиторов медленно растущие бактерии. Разнонаправленность селекционных процессов на этих стадиях способствовала поддержанию определенной гетерогенности популяции [Пшеничнов, Ткаченко, 1977;

Пшеничнов и др., 1977], хотя полного ее восстановления к окончанию роста все же не наблюдалось [Ткаченко, 1980].

Последовательные пересевы быстро и медленно растущих субкультур могли приводить к изменению их ростовых характеристик, при этом соответствующим образом менялась и чувствительность бактерий к ингибирующим и стимулирующим рост экзометаболитам [Пшеничнов и др., 1977;

Ткаченко, 1980].

Соотношение r- и К-стратегов зависело, по-видимому, не только от присутствия автостимуляторов, но и от концентрации других экзометаболитов. Изучение состава внеклеточной среды показало, что в процессе развития популяции он претерпевал существенные изменения. Рост E.coli M-17 на богатых средах сопровождался увеличением содержания отдельных аминокислот, в то время как концентрация других падала, а уровень гистидина, аланина и лейцина оставался приблизительно постоянным. Эти же аминокислоты выделялись совместно с треонином при выращивании клеток на минимальной среде М-9, причем их добавление в среду выращивания приводило к ускорению роста и сокращению лаг-фазы культуры [Маслов и др., 1980]. В литературе отмечалось, что состав формируемого бактериями внеклеточного фонда аминокислот может являться их видоспецифичной характеристикой, играть существенную роль в их жизнедеятельности и служить в качестве таксономического признака для их дифференциации [Thompson et al, 1986].

Формирование внеклеточного фонда экзометаболитов по видимому тесно связано с функционированием системы мембранной регуляции, способствующей быстрой перестройке метаболизма бактерий и его приспособлению к условиям окружающей среды. Осуществляемый этой системой выброс метаболитов и регуляторных соединений может приводить к согласованию процессов развития у пространственно удаленных клеток [Плакунов, 1979, 1986;

Плакунов и др., 1985], самосинхронизации культур после окончания лаг-периода или при достижении стационарной фазы роста [Culter & Evans, 1966;

Ricciuti, 1972;

Плакунов, 1979]. Способность к мембранной регуляции вероятно различна у медленно и быстро растущих бактерий.

Различия в периодах адаптации r- и К-стратегов могут проявляться при выращивании отъемно-доливных культур. В специально моделировавшихся условиях "неоптимальной" подпитки культура E.coli испытывала периодическое голодания по глюкозе. При добавлении ограниченного количества субстрата одни бактерии делились сразу после его внесения, тогда как деление других задерживалось и происходило только по истечении определенного времени. В конечном итоге исходная культура подразделялась на две автономные размножающиеся синхронные субпопуляции [Buckley & Anagnostopoulos, 1975].



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.