Факторы межклеточной коммуникации у бактерий.

Выделяют химические и физические факторы межклеточной коммуникации у микроорганизмов.

Физические факторы.

Например, в 1992 г. Николаев показал, что гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от неё слоем стекла.

Физический контакт клеток необходим также при коммуникации посредством поверхностных органелл, таких как, например, пили, и компонентов экзоплимерного матрикса, покрывающего отдельные клетки, их группы, всю колонию в целом. Все эти поверхностные клеточные структуры синтезируются с помощью так называемых S (social) генов, ответственных за коллективные, координированные перемещения клеток и формирование структур надклеточного уровня. Им противопоставляют также имеющиеся у миксобактерий А (adventurous) гены, позволяющие индивидуальным клеткам покидать край растущей колонии.

В ряде случаев предполагается синергидное действие различных каналов межклеточной коммуникации, а именно химических сигналов и физических полей. Клетки Bacillus carbonifillus повышают свою резистентность к антибиотикам и их рост стимулируется в ответ на сигналы, посылаемые другой микробной культурой (того же или иного вида бактерий); опыт ставили так, что донор и реципиент сигналов культивировали на двух половинах одной чашки Петри, разделенных сплошной стеклянной перегородкой. В качестве конкретных физических факторов гипотетически предлагаются: 1) электромагнитные волны (УФ лучи); 2) ультразвук.

Данные о физических (в частности, электромагнитных) факторах межклеточных и – беря шире – межорганизменных – взаимодействий могут послужить толчком к изменению современной парадигмы биологии в пользу более континуального, резонансного, полевого видения биологических объектов. Сам одно- или даже многоклеточный организм при этом представляется как своего рода сгусток физических полей (и также, сгусток химических градиентов сигнальных агентов), без резких границ переходящий в обволакивающее этот объект поле. Своего рода материализацией обволакивающего биологические индивиды поля выступает рассмотренный в тексте лекции межклеточный матрикс.

См. также Дистанционные взаимодействия микроорганизмов и разработка на их основе новых методов антимикробной терапии. М.В. Трушин (mtrushin@mail.ru) Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Казань

Химические факторы.

Появление мутантных клеток с повреждённым геном ДНК-полимеразы I в колонии E. coli в первые часы развития формирует аномальные микроколонии из нитевидных клеток, а через 2-4 дня генетический дефект исправляется. Этот процесс происходит особенно быстро, если по соседству имеются зрелые (возраст 2 дня) нормальные колонии, которые, по-видимому, выделяют диффундирующие химические факторы коммуникации. Более старые колонии заставляют более молодые (также в результате воздействия коммуникативных агентов) "подстраивать" свой возраст под возраст "старших" – например, формировать внешние концентрические кольца без предварительного формирования внутренних колец.

Новое биологическое направление — микробная эндокринология исследует роль эволюционно-консервативных химических факторов, выступающих как гормоны и/или медиаторы у высших животных и человека и в то же время как сигнальные молекулы — агенты межклеточной коммуникации в микробном и, в частности, в прокариотическом мире. Т.е. роль внутриорганизменных сигнальных агентов (гормоны, медиаторы) высших животных и человека в клеточной дифференцировке, социальном поведении и коммуникации одноклеточных существ. Начало микробной эндокринологии было положено обнаружением у микроорганизмов соединений, идентичных или аналогичных гормонам животных.

Например, инсулин был обнаружен во многих исследованных микроорганизмах. У Neurospora crassa инсулин принимает участие в регуляции метаболизма углеводов. Этот грибок содержит ген, гомологичный инсулиновому гену млекопитающих. Кроме того, у микроорганизмов обнаружены специфические рецепторы, с высоким сродством связывающие сигнальные вещества животных/человека (например, кортикостероид-связывающего белка у дрожжей Candida albicans).

Другие гормоны, идентифицированные у микроорганизмов: кортикотропин, соматостатин, прогестерон и др. (примеры приведены в таблице).

Особый интерес представляет микробиологическая роль нейромедиаторов (серотонин, норадреналин, дофамин, окись азота, аспарагиновая и γ-аминомасляная кислоты и др.). Подобные агенты, по-видимому, опосредуют взаимодействие макро- и микроорганизма в ходе инфекционного процесса (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996). Отметим в порядке сопоставления, что серотонин, катехоламины, и ряд других нейротрансмиттеров синтезируются также многими растениями (Рощина, 1991); наряду с этим серотонин представляет близкий химический аналог ауксинов, одной из основных групп растительных ростовых гормонов.

5-окситриптамин (серотонин) - известен как важный нейромедиатор и гормон у животных, участвующий в восприятии болевых раздражений (и в блокировке болевой чуствительности в экстремальных ситуациях), координации моторной активности, эмоциональном поведении, поддержании ритма сна и бодрствования (наряду с мелатонином), терморегуляции, а также во многих других процессах. Серотонин регулирует кишечную перистальтику, вызывает сокращение мускулатуры матки, бронхов и других гладкомышечных органов у животных и человека. В то же время, серотонин ускоряет рост микроорганизмов: дрожжей C. guillermondii, бактерий Streptococcus faecalis, Escherichia coli, Rhodospirillum rubrum и Bacillus brevis; вызывает агрегацию клеток E. coli, R. rubrum и миксобактерий ; у последних он также стимулирует формирование плодовых тел.

Многообразны микробиологические функции такого нейротрансмиттера и полифункционального (регуляторного и цитотоксического) агента, как окись азота, также играющего важную роль в ходе взаимодействия макро- и микроорганизма, в частности во время инфекционного процесса.

Макроструктура колоний E. coli формируется под влиянием образуемого ее клетками градиента атрактанта — аспарагиновой кислоты, в то же время представляющей собой нейротрансмиттер у млекопитающих.

Значительный интерес представляет такой нейромедиатор (функционирующий также как гормон надпочечников) как норадреналин.Установлено, что норадреналин стимулирует рост некоторых бактерий семейств Enterobacteriaceae и Pseudomonadaceae. У патогенных штаммов E. coli норадреналин стимулирует синтез адгезина К99 и Шига-подобных токсинов I и II (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996). Норадреналин присутствует в пищеварительном тракте, и его синтез резко интенсифицируется в ответ на проникновение инфекционного агента, такого как патогенные штаммы E. coli . Поэтому стимуляция роста E. coli норадреналином интерпретируется в литературе (Lyte, 1993) как свидетельство эволюционной адаптации, позволяющей патогенным штаммам этой бактерии использовать ради ускорения собственного развития продукт защитной реакции макроорганизма.

Что касается серотонина, окиси азота, аспарагиновой, глутаминовой и γ-аминомасляной кислот, то все эти сигнальные агенты вырабатываются, по-видимому, обоими партнерами во взаимодействии макроорганизма и населяющих его микробных биоценозов — микробиоты (в кишечнике, кожных покровах, дыхательных путях, мочеполовой системе и др.). Причем, не только бактерии реагируют на "хозяйские" медиаторы (см. выше о микробных эффектах серотонина и норадреналина), но и макроорганизм-хозяин — на микробные сигнальные агенты.

Важной иллюстрацией способности микробиоты поставлять хозяину сигнальные молекулы является образование γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) в реакции декарбоксилирования глутамата. ГАМК является одним из основных тормозных нейромедиаторов. Кроме того, бактериальная ГАМК оказывает влияние на моторную деятельность толстой кишки. Снижение ее выработки микробиотой и поступления в нервную ткань толстой кишки приводит, как мы полагаем, к снижению порога болевой чувствительности". Подобные факты свидетельствуют об участии эволюционно-консервативных сигнальных молекул во взаимоотношении макроорганизма и его микрофлоры. Жизнедеятельность макроорганизма и населяющих его поверхность и внутренние органы микроорганизмов регулируется по принципу обратной связи. Неполноценное функционирование симбиотической микрофлоры дестабилизирует организм животного. В то же время дисбаланс в функционировании животного макроорганизма (дистресс, неправильное питание, инфекционный процесс и др.) вызывает, по имеющимся данным, изменение состава эндогенного микроценоза. Эти исследования имеют несомненное медицинское значение, в том числе и при разработке диет, учитывающих тот факт, что мы кормим не только себя, но и целый "мир прокариот", чье гармоничное функционирование жизненно важно для человека.

Таблица 1. Синтез сигнальных веществ высших животных (гормоны, нейротрансмиттеры и др.) микроорганизмами (по данным работ: Мак-Мюррей, 1980; Hsu et al., 1986; Страховская и др., 1993; Lenard, 1993; Lyte, 1993; Zumft, 1993; Бабин и др., 1994; Budrene, Berg, 1995; Lyte et al., 1996; Олескин и др., 1998)

Сигнальные вещества	Микроорганизмы
1. Амины
Серотонин	E. coli, Rhodospirillum rubrum, Streptococcus faecalis, Candida guillermondii , по-видимому, многие другие про- и эукариотические микроорганизмы
Норадреналин (норэпинефрин)	Патогенные штаммы (ЕНЕС 0157:Н7 и др.) E. coli . Примечание: эндогенный синтез не установлен. Есть данные (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996) о специфической стимуляции роста и токсинообразования добавленным норадреналином
Гистамин	Симбиотическая микрофлора кишечника человека
Тирамин	То же
2. Аминокислоты
Аспарагиновая кислота	E. coli и др. компоненты симбиотической микрофлоры кишечника человека
Глутаминовая кислота	Симбиотическая микрофлора кишечника человека
γ-ΐμ иномасляная кислота	То же
Сигнальные вещества	Микроорганизмы
β-ΐλ анин	То же
3. Пептиды
Инсулин	E. coli , грибок Neurospora crassa , другие про- и эукариотические микроорганизмы
Кальцитонин	Инфузория Tetrahymena pyriformis
β-έν дорфин	T. pyriformis, Amoeba proteus
Глюкагон	Neurospora crassa
Гонадотропин	Pseudomonas maltophila
Гонадотропин-высвобождающий гормон (α-фактор)	Дрожи Saccharomyces cerevisiae
Релаксин	Инфузория T. pyriformis
Соматостатин	T. pyriformis, Plasmodium falciparum, E. coli, Bacillus subtilis
Тимозин α1	T. pyriformis, Mycobacterium sp.
Тиротропин	Clostridium perfringens, Yersinia autolytica
4. Стероиды
Эстрадиол	Saccharomyces cerevisiae
Прогестерон	Дрожжи Candida albicans, Coccidioides immitis , грибок Trychophyton sp.
Метаболизированные производные желчных кислот	Симбиотическая кишечная микрофлора человека
5. Неорганические соединения
Окись азота	Pseudomonas stutzeri, Thiobacillus denitrificans , грибки Fusarium oxysporum, Dictyostellium discoideum и многие другие микроорганизмы