Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов

Обзор посвящен современным концепциям и данным, свидетельствующим о целостном характере микробных популяций (колоний, био-плёнок и др.) как своеобразных "суперорганизмов". При этом особое внимание уделяется таким явлением как апоптоз, бактериальный альтруизм, эффект кворума, коллективная дифференцировка микробных клеток, формирование структур колониального уровня типа внеклеточного матрикса, а также способам и конкретным агентам межклеточной коммуникации в микробной популяции. Подчёркивается эволюционно-консервативный характер многих средств коммуникации и форм межклеточных взаимодействий, а также роль колониальной организации и межклеточной коммуникации в системах "паразит/комменсал/симбионт –многоклеточный организм-хозяин".

This review covers the modern concepts and recent data demonstrating the integrity and coherence of microbial populations (colonies, bio-films, etc.) as peculiar "superorganisms’. Special attention is given to such relevant phenomena as apoptosis, bacterial altruism, quorum effects, collective differentiation of microbial cells, and formation of population-level structures such as extracellular matrix. Emphasis is placed on the channels and agents of intercellular communication in a microbial population. The involvement of a large number of evolution-conserved communicational facilities and patterns of intercellular interactions is underscored. Much attention is also given to the role of colony organization and intercellular communication in "parasite/commensal/symbiont-multicellular host organism" systems.

Настоящая работа посвящена данным о том, что бактерии и эукариотические одноклеточные организмы существуют в виде целостных структурированных колоний. Подобно колониям многоклеточных животных (кишечнополостных, мшанок) и семьям социальных насекомых и некоторых млекопитающих (бесшерстных кротов), микробные колонии вполне заслуживают название "суперорганизмы". Микробные колонии характеризуются функциональной специализацией слагающих их клеток и предоставляют этим клеткам ряд преимуществ "социального образа жизни", таких как повышенная устойчивость к антибактериальным агентам, более эффективное использование питательных субстратов, особенно в пространственно ограниченных экологических нишах, включая организм многоклеточного животного (растения) как хозяина. Микробные колонии как целостные структуры стали модным предметом исследований в 90-е годы (см. например [1]), однако нельзя забывать разработки на эту тему классиков микробиологии. Корифей отечественной микробиологии И.Д. Иерусалимский фактически предварил сегодняшние дискуссии на тему организации микробных колоний (плёнок, зооглей, флоков и др.), возражая в своей докторской диссертации [2] против примитивного органицизма – прямолинейного уподобления микробной колонии многоклеточному организму (здесь мы опираемся на комментатора И.Д. Иерусалимского Е.Л. Головлева [3]). Положения работ Иерусалимского скорее соответствовали представлению о микробной колонии как надорганизменной (биосоциальной) системе [4, 5], которая, подобно социумам муравьев или даже млекопитающих, характеризуется:

• пространственной обособленностью микроколоний каждого вида ("микробных муравейников") в естественных местообитаниях;

• фенотипической гетерогенностью культуры как основой для дифференциации клеток по социальным ролям;

• целостностью культуры в процессе развития, наличием у ней интегральных свойств, отсутствующих у отдельных индивидов;

• способностью колонии влиять на характеристики окружающей среды при достаточной плотности популяции (это свойство ныне отражено в понятии "кворума" – см. ниже).

В работах 80-х годов С.Г. Смирнов высказывает по сути аналогичные взгляды, рассматривая микробную колонию как "пространственно-временной континуум", состоящий из "клеточных кластеров" с различающимися свойствами. Причём, на каждом этапе развития культуры доминирует свой субколониальный кластер [6].

Тема микробной колониальной организации уже разрабатывалась авторами в предшествующих статьях [3, 4, 7], однако настоящая работа привлекает новейшие данные и соответственно расширяет список охватываемых в обзоре рубрик за счёт таких популярных в последние годы направлений исследований как бактериальный апоптоз и альтруизм, эффекты кворума и др.

В последние годы опубликован ряд серьёзных обзорных работ по микробной колониальной организации и био-коммуникации (см., например, [1, 8-16]), однако недостаточно разработанными в литературе остается вопрос о роли эволюционно-консервативных (т. е. химически идентичных или явно гомологичных у различных форм живого) сигнальных молекулах, выступающих как факторы межклеточной коммуникации и социального поведения, а у многоклеточных животных и растений также и в более специализированных ролях (гистогормоны, гормоны, нейромедиаторы). На эволюционно-консервативный характер многих сигнальных молекул ранее обратил внимание А. М. Уголев, обосновывая свою теорию эволюции живого "на основе комбинирования ограниченного числа универсальных функциональных блоков" [17, С. 143]. Для Уголева химические сигналы и рецепторы к ним представляли яркий пример подобных функциональных блоков, которые близки или идентичны у организмов на разных уровнях биологической эволюции.

Из доступных нам работ по микробной коммуникации, существенное внимание к эволюционно-консервативному характеру сигнальных молекул уделяется в работах А.С. Капрельянца с соавт. (см. обзор [14]). Тем не менее, авторы делают основной упор только на белковые/пептидные сигнальные вещества, которые они называют цитокинами по аналогии с внутриорганизменными информонами животных. Настоящая работа поэтому (отдавая дань пептидам и белкам), уделяет значительное внимание непептидным факторам коммуникации, среди которых, наряду с уникальными для микроорганизмов, имеются и разнообразные эволюционно-консервативные агенты, в том числе нейромедиаторы (по функции у многоклеточных животных), которым посвящены собственные исследования авторов [18, 19]. Настоящий обзор также исследует вопрос о роли колониальной организации и межклеточной (особенно плотностно-зависимой) коммуникации во взаимодействиях симбиотической (паразитической) микробиоты и макроорганизма-хозяина.

Форма и структура микробных колоний

Происходящая в настоящее время постепенная смена микробиологической парадигмы – переход от представлений об одноклеточности микроорганизмов к представлению о микробных колониях как целостных "сверхорганизмах" – находит своё отражение в нарастающем интересе к форме, рисунку, макро- и микроструктуре бактериальных колоний. "Колонии практически всех прокариотических видов демонстрируют способность к клеточной дифференцировке и многоклеточной организации. Эта способность, конечно, имеется у бактерий и в их природных местообитаниях, где они в основном существуют в виде био-плёнок, цепочек, матов и микроколоний." [1, p.598]. В современной микробиологии как бы тем самым намечается постепенный переход к биосоциальному ("биополитическому" [3, 4, 19, 20]) подходу к микроорганизмам, чему способствует детальный анализ межклеточных (межпопуляционных) взаимодействий с помощью генетической инженерии, поточной цитофлуориметрии, сканирующего электронного микроскопа, цейтраферной видеосъёмки и т. д.

Многочисленные работы по колониальной организации микроорганизмов свидетельствуют о морфологической и физиологической гетерогенности входящих в её состав клеток. Колония как бы сложена из нескольких различных "тканей" [1, 21] – клеточных кластеров в понимании С.Г. Смирнова [6]. В качестве типичных кластеров у шигелл он рассматривал 1) активно делящиеся; 2) покоящиеся и 3) спонтанно автолизирующиеся клетки [17]. Хорошо известны сходные данные работ А.С. Капрельянца с сотрудниками. Так, популяция голодавшей в течение 3-6 месяцев бактерии Micrococcus luteus состояла из живых, покоящихся и нежизнеспособных клеток, как показывает исследование с помощью клеточного сортера (по связыванию родамина 123) и в бифазной системе водных растворов полимеров [14, 22-24].

Имеется как вертикальная слоистость колонии, так и наличие в ней горизонтально разделённых зон (секторных и концентрических). Вертикальные слои хорошо заметны при наблюдении окрашенных (толуидиновая синяя, метиленовая синяя) срезов колоний. Так, в колониях Escherichia coli [1, 25] иShigella flexneri [21] обнаружены три слоя: 1) нижний окрашенный (толщиной 6 мкм в исследованной колонии E. coli [25]); 2) средний, в основном светлый, по-видимому, сложенный из нежизнеспособных клеток (часто неправильной формы [21]), в который погружены отдельные хорошо прокрашенные жизнеспособные клетки; толщина этого слоя у E. coli – 16 мкм [25]; 3) верхний окрашенный (40 мкм у E. coli), в котором в случае E. coli хорошо заметна дальнейшая дифференциация на два слоя – более нижний тонкий (толщиной 1-3 клеточных слоя), с чёткой границей и особенно ярко окрашенный и толстый слой (40 мкм у E. coli), содержащий отдельные не окрашенные клетки [25]. Интересно, что окраска на β-галактозидазу при использовании генноинженерных штаммов E. coli с геном lac Z даёт в целом сходную картину: узкий слой β-галактозидазосодержащих клеток, прилегающих к субстрату, сменяется (по мере движения вверх) слоем клеток без β-галактозидазы, выше которого лежат β-галактозидазосодержащие клетки. Самый верхний слой колонии имеет смешанное строение, включающее группы β-галактозидазосодержащих клеток и клетки, не содержащие этот фермент [25]. Слои из морфологически и биохимически различающихся клеток наблюдали в колониях возбудителя холеры Vibrio cholera ещё в 1920 г. [26].

Многие исследователи отмечают в своих работах наличие в колониях также системы воздухоносных микрополостей, часто пересечённых "балками" из клеточных тяжей. Сложная система микрополостей фактически превращает колонии в совокупность частично изолированных друг от друга очагов сгущения (микроколоний). Микроколонии, сформированные слизистым матриксом и разделённые открытыми (часто заполняемыми водой) каналами, характерны также и для внутренней структуры био-плёнок. Это своего рода аналог примитивной "циркуляторной системы", доставляющей питательные субстраты и убирающей продукты метаболизма [27]. В колониях бактерии Alcaligenes sp., штамм d₂, обнаружены поры и каналы, а также более специализированные структуры ("газовые баллоны"), окруженные своеобразной "мембраной" и содержащие внеклеточные гемопротеины. Предположительно, такие структуры способствуют транспорту О₂ к клеткам в колониях (агрегатах), т. е. речь идёт об аналоге дыхательной системы органов [28-30].

Уже отмечено, что помимо вертикальной слоистости, колониям микроорганизмов на плотных средах свойственны также секторные и концентрические зоны. Сектора соответствуют генетически различающимся клонам, что находит своё отражение в их различной окраске, консистенции, форме, скорости роста, активности ферментов и др. Наглядный пример – фазовая диссоциация бактерий на R-, S- и М-формы, различающиеся толщиной клеточной стенки (так, у представителей бруцелл толщина клеточной стенки у R-варианта больше, чем у S-варианта [31]), наличием или отсутствием микрокапсулы, характеристиками фибриллярного (R- и S-варианты) или везикулярно-тубулярного (М-вариант) межклеточного матрикса и др. Фазовые диссоцианты обусловливают различие в архитектонике секторов колоний. В S-варианте клетки родококков распределены по толщине колонии равномерно, число контактирующих между собой клеток невелико [31]. Что касается R-варианта, то в соответствующем секторе клетки нижних слоёв располагаются перпендикулярно или под углом к питательной среде, клетки верхних слоёв – радиально и параллельно к поверхности агара. В М-секторе клетки лежат крупными группами и не контактируют между собой [32].

Концентрические зоны отражают стадии "онтогенеза" бактериальных клеток – они соответствуют различным этапам программ индивидуального развития клеток. Сектора могут быть выявлены (например, у E. coli на минимальной синтетической питательной среде М9) простым визуальным наблюдением [33]. На агаризованной среде с триптоном и глюкозой концентрические круги могут быть выявлены при добавлении в агар 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого, который восстанавливается клетками некоторых (не всех) секторов до окрашенного в красный цвет формазана. В результате колония оказывается состоящей из белых и красных концентрических колец [33]. Шапиро [1, 34] визуализировал эти кольца у E. coli, на индикаторной среде, позволяющей выявить наличие или отсутствие у клеток b -галактозидазной активности (как описано выше, различия по этому параметру имеются и между вертикальными слоями клеток в колонии).

Если на пути распространяющейся бактериальной колонии создают механическое возмущение, например, помещают стеклянные волокна (в естественных местообитаниях роль препятствий могут играть, например, складки и крипты в кишечнике как экологической нише для микробиоты), то возникает лишь локальное изменение в соответствующих концентрических кольцах, которые всё равно не теряют своей непрерывности. Когда препятствие остается позади фронта колонии, кольца формируются за этим препятствием по тем же геометрическим законам, что и в других участках колонии [35]. Немеханическое по своей природе возмущение для нормального развития колонии создаётся в том случае, если клетки несут мутацию по важному для онтогенеза гену. Так, мутант E. coli с повреждённым (путём инсерции) геном ДНК-полимеразы I в первые часы развития формирует аномальные микроколонии из нитевидных клеток. Однако, и в этом случае колония находит пути преодоления дефекта: через 2-4 дня мутанты колонии становятся морфологически неотличимыми от нормальных колоний, клетки – от клеток дикого типа [36]. Преодоление генетического дефекта существенно ускоряется, если по соседству имеются зрелые (возраст 2 дня) нормальные колонии, которые, по-видимому, выделяют диффундирующие химические факторы коммуникации [36]. Более старые колонии заставляют более молодые, также в результате воздействия коммуникативных агентов, "подстраивать" свой возраст под возраст "старших" – например, формироватьвнешние концентрические кольца без предварительного формирования внутренних колец [1] (подробнее о коммуникации у микроорганизмов см. соответствующий раздел обзора).

Если концентрическая зональность колонии сочетается с секторной, то у более быстро растущих секторов концентрические кольца как бы оттянуты к краю [34], т.е. формирование колец регулируется не в пространстве (путем взаимодействия соседних клеток), а во времени (пульсации "биологических часов"). Последнее наиболее очевидно для видов бактерий (например, для представителей р. Proteus, Serratia и Salmonella, для E. coli), периодически формирующих швермеры [37] -- клетки с избыточным количеством жгутиков и не способные к делению. Швермеры формируют колониальную структуру из концентрических террас в результате чередования следующих процессов: 1) рост и деление вегетативных клеток (лаг-фаза перед очередным формированием швермеров); 2) массовое формирование центробежно мигрирующих швермеров; 3) превращение швермеров в вегетативные клетки с формированием очередной "террасы" (стадия консолидации) [38].

Полученные данные о зависимостиритма "биологических часов" от плотности клеточной популяции, в частности, о связи между плотностью инокулята Proteus mirabilis и продолжительностью лаг-фазы перед появлением первой "волны" швермеров, указывает на наличие сложной системы внутриколониальной коммуникации. У Serratia liquefaciens идентифицирована природа химического сигнального агента, представляющего собой ацилированное производное лактона гомосерина [39] (класс распространенных сигнальных молекул грамотрицательных бактерий, см. ниже). По мере развития колонии имеется тенденция ко всё большей синхронизации поведения отдельных клеток со всё более совершенной циркулярной симметрией колонии в целом, вопреки возмущающим факторам [40]. Эта тенденция к синхронному поведению сохраняется при снижении концентрации глюкозы как питательного субстрата и при повышении концентрации агар-агара в среде. В последнем случае снижается скорость перемещения швермеров, чьи жгутики нуждаются в капельно-жидкой влаге, поглощаемой ими из агарового геля с помощью специального полисахарида капсулы [40, 41]. У Serratia marcescens сами клетки вырабатывают увлажняющий циклический липопептид [42]. Существует генетический триггер, переключающий клетки с синтеза белков поздних стадий клеточного деления на синтез белка жгутиков (флагеллина) и таким образом детерминирующий взаимопревращение швермеров и делящихся вегетативных клеток [43].

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов доклада