Педагогические науки/ 2.Проблемы подготовки специалистов

К.б.н. Кулагина И.Г., д.б.н. Князева О.А.

Башкирский государственный медицинский университет, Россия

Специализированные ауторегуляторные системы бактериальных клеток (материалы к лекции по элективному курсу)

Элективный курс “Метаболизм микроорганизмов” проводится на кафедре биологической и биоорганической химии для студентов 3 курса (специальность “микробиология”), начиная с 2008 года. Выбор тем лекций курса не органичен обязательной программой, поэтому преподавателю предоставляется возможность ознакомить слушателей с последними достижениями в области теоретической и практической биохимии микроорганизмов.

Одним из перспективных направлений в микробиологии и прикладных областях медицины является исследование аутоиндукторов (АИ) микроорганизмов. К настоящему времени собрано достаточно доказательств существования у микроорганизмов специализированных ауторегуляторных систем, которые обеспечивают межклеточную и межвидовую коммуникацию и контролируют поведение микробной популяции в соответствии с изменяющимися условиями среды обитания или стрессорными воздействиями [5]. Показано, что ауторегуляторная система сообщества бактерий “включается”, когда достигается определенная плотность микробной культуры. В связи с этим исследователями было сформулировано понятие “quorum sensing” (QS) – регуляция роста культуры бактерий ее плотностью [6].

Обязательными сигнальными метаболитами межклеточного взаимодействия являются эндогенные низкомолекулярные факторы различной химической природы или пептидной природы, не имеющие строгой видовой специфичности. Наиболее распространенную и хорошо изученную группу АИ составляют лактоны N-ацетилированного гомосерина, производные 2-метил-2,3,4,5-тетрагидрокситетрагидрофурана, родственных адреналину соединения, производные индола и хинолина [4]. Продуцентами низкомолекулярных АИ являются как патогенные бактерии (родов Bacillus, Candida, Paracoccus), возбудитель холеры, Shigella и др., так и непатогенная, например, пропионовокислые бактерии, бифидо, лактобациллы, кишечная палочка.

Грамположительные бактерии продуцируют в среду обитания полипептидный фактор RF-белок и липоциклопептид, которые обладают функцией АИ и повышают устойчивость культур бактерий к воздействию окислителей, теплового шока, ультрафиолетового света.[1].

АИ взаимодействуют с рецепторными белками на плазматической мембране или цитоплазматическими рецепторами, если сигнальная молекула обладает гидрофобными свойствами. В отличие от классических мембранных механизмов эукариот, бактериальные рецепторные комплексы имеют более простое – двухкомпонентное или однокомпонентное строение. Эффекторной системой в бактериальной клетке являются гистидинкиназы, а также аденилатциклазы и дигуанилатциклазы. [3].

Различающиеся по гидрофобности АИ бактерий по-разному влияют на физико-химические свойства и функциональную активность ферментных белков. АИ пептидной природы грамположительных бактерий, связанные с гистидинкиназой, включают механизм фосфорилирования/дефосфорилирования киназы, после чего фосфорилированный регулятор ответа связывается с промоторной областью ДНК и активирует транскрипцию гена-мишени [2].

Комплексы АИ-цитоплазматический рецепторный белок связываются с промоторной областью оперонов, что приводит к индукции экспрессии определенных генов у бактерий. Изменение экспрессии генов обеспечивает протекание таких процессов, как коъюгация, спорообразование, синтез и секреция антибиотиков и факторов вирулентности.

АИ алкилоксибензолы и тиразол [1] за счет слабых физико-химических взаимодейcтвий образуют комплексы с макромолекулами, стабилизируют их пространственную структуру и рассеивают энергию повреждения, являясь, например, ловушками активных форм кислорода.

Исследования QS показали, что их использование может иметь огромное значение для практики. В биотехнологии сформировался новый подход к созданию эффективных лекарств против патогенности бактерий на основе ингибирования QS-систем. Установлено, что средства, направленные на ингибирование QS, подавляют только синтез факторов патогенности, но не обладают бактерицидным действием (в отличие от антимикробных лекарств).

Другим важным фактором является то, что подавление QS препятствует образованию биопленки, которая повышает устойчивость бактериальной колонии и создает трудности для медицинской практики [2].

Изучение химических факторов коммуникации выходит за рамки взаимодействия внутри бактериального сообщества. Представляет большой интерес вопрос о межвидовых взаимодействиях, о влиянии аутоиндукторов на иммунокомпетентные клетки хозяина, характере влияния гормонов и нейромедиаторов животных и человека на бактериальные сообщества.

Литература

1. Николаев Ю.А., Мулюкин А.Л., Степаненко И.Ю., Эль-Регистан Г.И. Ауторегуляция стрессового ответа микроорганизмов // Микробиология. – 2008. – Т. 75, №4. – С.489-496.

2. Хмель И.А. QUORUM-SENSING регуляция экспрессии генов: фундаментальные и прикладные аспекты, роль в коммуникации бактерий // Микробиология. – 2006. – Т. 75, №4. – С.457-464.

3. Шпаков А.О., Перцева М.Н. Системы сигнальной трансдукции прокариот // Журнал эволюционной биохимии физиологии. – 2008. – Т. 44, №2. – С.113-130.

4. Шпаков А.О. Сигнальные молекулы бактерий пептидной природы QS-типа // Микробиология. – 2009. – Т. 78, № 2. – С.163-175.

5. Эль-Регистан Г.И., Мулюкин А.Л., Николаев Ю.А. и др. Адаптогенные функции внеклеточных ауторегуляторов микроорганизмов // Микробиология. – 2006. – Т. 75, № 4. – С.446-456.

6. Waters C.M., Bassler B.L. Quorum sensing cell-to-cell communication in bacteria //Annu.Rev Cell Dev. Biol. – 2005. – V.21. – P.319-346.