МИКРОБИОЛОГИЯ, 2013, том 82, № 1, с. 3-13
= ОБЗОРЫ
УДК 579.24+579.2525:57.055
ГЕТЕРОГЕННОСТЬ КАК АДАПТИВНОЕ СВОЙСТВО БАКТЕРИАЛЬНОЙ ПОПУЛЯЦИИ
© 2013 г. Л. А. Магданова1, Н. В. Голясная
Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермь Поступила в редакцию 24.04.2012 г.
Обзор посвящен гетерогенности популяции — надорганизменному свойству бактерий, способствующему их адаптации к условиям окружающей среды на популяционно-коммуникативном уровне. Внимание к этому явлению возрастает в рамках изучения коллективных форм поведения микроорганизмов и механизмов выживания клеток в сообществе. Гетерогенность бактериальных популяций может быть дискретной и непрерывной, может возникать в результате как фенотипических, так и генотипических изменений. Неоднородность клеток микроорганизмов возникает в результате взаимодействия внешней и внутренней среды, а также за счет случайных колебаний биохимических и физиологических признаков. Гетерогенность клеток повышает выживаемость бактериальной популяции в неоднородных либо изменяющихся условиях среды, а также при воздействии стрессовых факторов. Учет данного явления необходим как при разработке стратегий культивирования биотех-нологически важных микроорганизмов, так и при рациональной терапии инфекций.
Ключевые слова: гетерогенность бактерий, изменчивость, популяционный уровень организации, неспецифические адаптации.
DOI: 10.7868/S0026365613010072
ПОНЯТИЕ ГЕТЕРОГЕННОСТИ БАКТЕРИЙ
Гетерогенность фенотипов — универсальное свойство любой популяции живых организмов, которое проявляется в том, что в популяции одновременно присутствуют особи, отличающиеся друг от друга по совокупности наследуемых либо ненаследуемых признаков. От полиморфизма популяции гетерогенность отличается, прежде всего, тем, что в первом случае предполагается наличие в популяции двух или нескольких устойчивых генетических разновидностей, находящихся в длительном равновесии друг с другом. Тогда как во втором случае неоднородность свойств индивидуальных организмов является следствием реализации тех адаптивных возможностей, которые уже заложены в геноме организма [1].
Явление гетерогенности бактериальных популяций привлекает пристальное внимание исследователей в контексте изучения механизмов адаптации микроорганизмов к стрессовым факторам среды [2]. Это связано с особенностями функционирования и развития бактерий как кло-нальных популяций одноклеточных организмов с простым строением клетки, небольшим размером гаплоидного генома, коротким циклом развития и набором специализированных систем ре-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: lakonic@rambler.ru).
гуляции социального поведения. В данном случае разнообразие генотипов и фенотипов становится не только материалом для отбора, но и оперативно регулируемым средством защиты популяции от повреждающих факторов, гарантией ее выживания. Прокариоты способны изменять уровень гетерогенности своих популяций, поддерживая его адекватным условиям среды. В частности, это проявляется в явлении гистерезиса, когда условия предварительной инкубации популяции микроорганизмов определяют ее реакцию на внешние воздействия [3, 4].
Понятие "полиморфизм бактерий", как правило, используется для обозначения генетического разнообразия штаммов в пределах одного вида, но не клеток или изолятов в пределах одной популяции [5]. В то же время нередко встречается не совсем корректное употребление термина "полиморфизм" для обозначения некоторых проявлений гетерогенности бактерий [6]. Это связано, во-первых, с проблематичностью определения границ популяции бактерий; во-вторых, с тем, что термин "полиморфизм культуры", подразумевающий наличие в популяции клеток с различной морфологией, возник независимо от термина "полиморфизм" в теории эволюции макроорганизмов, поэтому сегодня мы наблюдаем некоторую конвергенцию понятий. Так, например,
Н.А. Красильников [7] в своих работах середины XX века называет полиморфизмом культуры индивидуальные различия клеток одной и той же культуры, выраженные в разной степени в зависимости от возраста, вида, условий роста и наличия либо отсутствия стресса. При этом он подчеркивает, что полиморфизм культуры следует отличать от полиморфизма вида, т.е. наличия в пределах данного вида микроорганизмов феноти-пически либо генетипически различных штаммов.
Приведенное разграничение понятий необходимо для того, чтобы, во-первых, сузить круг рассматриваемых вопросов, во-вторых, избежать в дальнейшем путаницы понятий и, в третьих, акцентировать внимание читателя на том, что гетерогенность популяции представляет собой результат реализации адаптивного потенциала, изначально свойственного конкретному микроорганизму. Иными словами, она является инструментом раскрытия новых приспособительных возможностей одного и того же бактериального генома.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОСТИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
90-е годы XX века характеризовались всплеском внимания мирового микробиологического сообщества к надорганизменному уровню организации бактерий. Во-первых, это было связано с развитием технологической базы и появлением возможности анализа индивидуальных клеток с помощью проточных цитометров [8]. Во-вторых, с открытием универсальной природы химических коммуникативных сигналов бактерий и введением понятия "чувство кворума" (quorum sensing) [9]. В-третьих, с накоплением данных об архитектонике бактериальных колоний и формированием концепции биопленки [10, 11].
Будет справедливым отметить, что исследования надорганизменного, или популяционно-коммуникативного [12], уровня организации микроорганизмов проводились в России с середины XX века. На фоне всеобщей увлеченности проточным культивированием выявлены и описаны закономерности развития бактериальной культуры, отмечен ряд важных особенностей, касающихся фенотипической и генотипической изменчивости, гетерогенности и адаптивной эволюции микроорганизмов [12]. Идеи, касающиеся функционирования бактериальной популяции, развивались в лучших традициях русской научной мысли, с применением комплексного, системного подхода, восходящего еще к В.И. Вернадскому, Н.В. Тимофееву-Ресовскому, С.Н. Ви-ноградскому и др. К сожалению, эти идеи остались практически не замеченными и не получили должного внимания за рубежом. Все основ-
ные положения концепции бактериальной культуры как целостной структуры, подобной многоклеточному организму, были сформулированы еще в конце 40-х—начале 50-х гг. XX века в работах Н.Д. Иерусалимского, а затем заново открыты в 80-х—90-х гг. зарубежными учеными, такими как Дж. Шапиро, И. Сазерланд и др. [12].
В зарубежной микробиологии гетерогенность популяции — достаточно новая идея, интерес к которой возрос в конце 90-х—начале 2000-х гг. Долгое время предполагалось, что клетки, пребывающие в специфической фазе периодического роста, например экспоненциальной или стационарной, эквивалентны [8, 13]. Сообщения о неоднородности свойств клеток поступали из различных областей исследования, но рассматривались преимущественно в рамках анализа регуляции метаболизма и влияния на него условий среды и случайных процессов. При этом значение гетерогенности как универсального системного свойства любой популяции бактерий не подчеркивалось. Концепция однородной популяции большей частью является результатом экспериментальной методологии, использующей методы, основанные на популяци-онном подходе, для изучения бактериальной физиологии. С помощью этих исследований получено огромное количество информации, выведены закономерности поведения клеток в ответ на разнообразные стимулы либо изменения среды [8]. Однако относительно недавнее появление методов анализа единичных клеток показало, что гетерогенность в пределах бактериальных популяций, находящихся в определенной фазе периодического культивирования, игнорировать нельзя [14, 15]. В настоящее время растет объем данных, выявляющих роль клеточных подтипов в бактериальных сообществах. При этом можно выделить 4 основных направления исследований: анализ фенотипической изменчивости отдельных клеток культуры, в частности, в проточных цитометрах [8, 13]; изучение фазовых вариаций бактерий и различных морфотипов колоний в пределах популяции [16, 17]; описание, изучение и моделирование стохастической гетерогенности [18], обуславливающей выбор метаболического пути в искусственных [19] и естественных бистабильных системах (формирование персистеров, функционирование /ас-оперона и др.) [2, 20]; исследование клеток колоний и биопленок [10, 11]. Кроме того, в последнее время появился интерес к микрогетерогенности генов 168 рРНК в популяциях бактерий [21, 22].
В России гетерогенность бактериальных популяций изучалась в разнообразных аспектах различными исследовательскими группами. Исторически первой (30-х—40-х гг. XX в.) сформировалась область исследования гетероморфизма бактерий, то есть наличия в популяции разных клеточных типов (гетероцисты, L-формы, мини-
бактерии, гигантские клетки, покоящиеся формы и др.). Чуть позже Н.Д. Иерусалимский на основе своих исследований культур микроорганизмов формулирует среди прочих тезис о гетерогенности бактериальных популяций [12]. В 60-е— 80-е годы в рамках бума хемостатного культивирования появляются исследования фенотипиче-ской [23] и генотипической [24] гетерогенности клеток в пределах чистой проточной культуры. С 60-х гг. И.Л. Работновой, Е.С. Милько, В.В. Высоцким активно изучается диссоциация бактерий, подразумевающая появление в популяции фазовой вариабельности, сопровождаемой значительными, как правило, обратимыми изменениями биохимических и морфологических свойств как самих клеток, так и образуемых ими колоний [25]. В последнее время эти работы часто сопряжены с изучением покоящихся форм микроорганизмов [26]. Исследования стохастической гетерогенности, индивидуальных различий клеток планктонной культуры, архитектоники колоний и строения биопленок в СССР и России не носили массового характера, приоритет зарубежной науки в данных областях неоспорим.
Можно отметить, что некоторые идеи наших соотечественников предвосхищали аналогичные выводы, сдел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.