ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 3, с. 256-263
УДК 577.1+579.8
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ЛЕКТИНЫ САПРОФИТНЫХ ШТАММОВ БАКТЕРИЙ РОДА Bacillus (ОБЗОР)
© 2014 г. В. С. Подгорский*, Э. А. Коваленко*, И. С. Карпова**, Е. В. Сащук*, Е. И. Гетьман*
*Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАН Украины, Киев, 03680
e-mail: kovalenko@serv.imv.kiev.ua **Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, 03680 Киев Поступила в редакцию 20.09.2013 г.
Рассмотрены собственные и имеющиеся в литературе данные о синтезе и свойствах внеклеточных сиалоспецифичных лектинов сапрофитных бактерий рода Bacillus. Показано, что представители этого рода бацилл, выделенные из разных экологических ниш, обладают различной способностью к синтезу лектинов. Установлены двухфазный характер синтеза лектинов в среде роста и зависимость образования лектинов от условий культивирования. Охарактеризованы преимущества технологической схемы выделения и очистки данных биополимеров. Особое внимание уделено редко встречающейся углеводной специфичности бациллярных лектинов к сиаловым кислотам, как основе широкого спектра их биологической активности. Высказано предположение, что для выживания в постоянно изменяющихся условиях внешней среды сапрофитные бациллы выработали адаптивные механизмы с участием углеводузнающих белков — лектинов.
DOI: 10.7868/S0555109914030283
Лектины представляют собой гетерогенную группу белков, которые способны избирательно и обратимо связывать углеводы, не вызывая изменения их химической структуры. Эти белки присутствуют в любой живой системе от вирусов до человека и играют фундаментальную роль в процессах углевод-белкового узнавания [1—5]. Интерес к лектинам постоянно возрастает в связи с пониманием их участия в регуляции целого ряда процессов, происходящих в живой природе, а также перспективой их использования в качестве эффективных фармакологических препаратов [4, 6—9]. Молекулярные механизмы, определяющие их физиологическую активность, в настоящее время недостаточно изучены.
Впервые лектины были обнаружены в растениях, которые считаются наиболее рентабельными источниками их коммерческого получения [1, 5, 6]. В последнее время интенсивно исследуются лектины высших животных и человека. Показано, что они участвуют в таких фундаментальных процессах, как оплодотворение, эмбриогенез, иммунный ответ, рост, пролиферация и др. [4]. В литературе имеется достаточное количество сведений о лектинах патогенной микрофлоры и их роли в инициировании и развитии патологического процесса [8]. В то же время лектины сапрофитных микроорганизмов долгое время были вне научных интересов исследователей, а их особенности и биологическая роль практически не изучены [10]. Предполагают их участие в таких фи-
зиологических процессах, как адгезия, коммуникативность, образование бактериальных пленок и ансамблей, рост и деление, адаптация, защита от стрессовых воздействий, доставка питательных веществ, нейтрализация токсинов и другие, которые осуществляются нормальной микрофлорой [1, 5, 6, 11, 12].
В связи с этим представляет интерес обзор исследований, посвященных изучению особенностей внеклеточных лектинов сапрофитных бацилл, выделение которых в качестве лекарственных препаратов нового поколения имеет технологические преимущества.
Продуценты лектинов. Известно, что лектины входят в состав любой живой клетки, однако их качественный и количественный состав может существенно различаться. В результате масштабного поиска нами было обнаружено значительное количество лектинпродуцирующих штаммов различных видов сапрофитных микроорганизмов (бацилл, дрожжей, молочнокислых бактерий, корине- и нокардиоподобных бактерий, актиноми-цетов, стрептомицетов и др.) [10, 13—23]. Особый интерес представляли бактерии рода Bacillus, способные продуцировать большие количества лек-тинов в среду роста, что значительно упрощало технологический процесс их выделения.
Лектины известны уже более 100 лет и интерес к ним постоянно возрастает. Их важнейшими характеристиками являются лектиновая (агглютинирующая) активность (ЛА) и углеводная специ-
Таблица 1. Штаммы бактерий рода Bacillus, способные продуцировать внеклеточные лектины
Вид Штамм, количество
исследованные продуцирующие лектин
B. subtilis 224 67
B. licheniformis 25 7
B. cereus 19 5
B. pumilis 13 1
B. firmus 8 2
B. polymyxa 6 3
B. megaterium 5 2
B. micilaginosus 2 2
B. coagulans 2 1
B. thuringiensis 1 1
B. brevis 1 0
B. laterospora 1 0
B. macerans 1 0
B. mesentericus Flage 1 0
B. sphaericus 1 0
Всего: 310 90
фичность. При изучении бациллярных лектинов нами использованы традиционные методические подходы анализа ЛА в культуральной жидкости (КЖ) по интенсивности реакции прямой гемаг-глютинации (РПГА) и их углеводной специфич-
ности в реакциях торможения гемагглютинации набором из 73 углеводов и гликоконъюгатов [24, 25]. В результате скрининга 310 культур, принадлежащих к 15 видам бацилл, выделенных из различных экологических ниш, было обнаружено 90 штаммов, продуцирующих внеклеточные лектины, что составило 29.0% от общего количества исследованных штаммов (табл. 1) [10, 15, 16]. Это указывает на существенную физиологическую роль углевод-белковых взаимодействий, контролируемых внеклеточными лектинами, в формировании различных симбиотических ассоциаций, которые создаются при разных условиях обитания.
Среди бацилл, обитающих в различных экологических нишах (табл. 2), наивысшей ЛА характеризовались штаммы, изолированные из организма человека. Эта активность (60.0—61.9%) почти вдвое превышала ЛА бацилл, выделенных из лечебных грязей (35.8%) и желудочно-кишечного тракта сельскохозяйственных животных (29.3%) и в три раза — из почвы (22.7%). В то же время ЛА продуцентов из филлосферы растений, гомогена-та насекомых и длительно пересеваемых музейных культур была в пять-шесть раз ниже [10].
Известно, что лектины бактерий участвуют в процессе взаимодействия с организмом хозяина, который включает симбиотические отношения, поддержание равновесия между микроорганизмом и хозяином при синтезе и утилизации метаболических продуктов, включение антистрессовых и других защитных механизмов [7, 9, 11, 26, 27].
Очевидно, в процессе эволюции для выживания в постоянно меняющихся и разнообразных
Таблица 2. Лектинпродуцирующие штаммы бактерий рода Bacillus, обитающие в различных экологических нишах
Источник выделения Штаммы
исследуемые продуцирующие лектин
количество % ГАА*, титр-1, РПГА**
Желудочно-кишечный тракт человека 21 13 60.0 8-256
Кровь человека 5 3 61.9 8-32
Желудочно-кишечный тракт сельскохозяйственных 65 19 29.30 2-256
животных
Желудочно-кишечный тракт лабораторных животных 16 0 0 0
Почва 44 10 22.7 8-256
Лечебные грязи 109 39 35.8 8-256
Гусеницы шелкопряда 17 2 11.8 16-32
Филлосфера яблони 14 2 14.3 8-16
Музейные культуры 19 2 10.5 4-8
Всего: 310 90 29.0
* ГАА — гемагглютинирующая активность, выраженная как титр 1 РПГА, ** РПГА — реакция прямой гемагглютинации.
условиях обитания сапрофитные бациллы также выработали приспособительные механизмы с участием углеводузнающих белков — лектинов.
Динамика накопления. Исследований, посвященных физиологическим особенностям образования лектинов микроорганизмами, не много и они касаются, в основном, патогенной микрофлоры [4, 8, 10]. Микробные культуры одного и того же вида в зависимости от стадии роста могут продуцировать различные лектины [10]. Изучена взаимосвязь между ростом патогенных бактерий и образованием ими токсичных для животных и человека лектинов. На основании изучения условно патогенного микроорганизма Pseudomonas aeruginosa была высказана гипотеза об участии бактериальных лектинов в регуляции процессов роста и деления [2, 8, 10]. Предполагают, что лектины про-биотических сапрофитных микроорганизмов, которые представляют большой практический интерес, играют сигнальную роль в регуляции межклеточных взаимодействий между бактериальными клетками, а также в системе бактерия—хозяин [6].
Детальное изучение динамики образования лектинов сапрофитными бактериями рода Bacillus позволило выявить как общие черты, так и штаммовые особенности накопления лектинов в среде роста. Общим для всех изученных штаммов бацилл был волновой характер проявления ЛА в КЖ в условиях периодического культивирования в течение 48 ч выращивания, который описывался кривой с двумя максимумами [10, 28, 29].
Выявлена четкая взаимосвязь ЛА с определенной фазой роста. Активность лектинов обнаруживалась в начале экспоненциальной фазы (лог-фазы) роста клеток и достигала максимальных значений ЛА в фазе замедления роста. Переход культуры к стационарной фазе сопровождался падением ЛА. Второй значительно меньший по активности максимум ЛА совпадал с началом фазы отмирания клеток, после чего следовало падение уровня внеклеточных лектинов до нулевых значений.
Второй максимум активности, по-видимому, связан с автолизом культуры и выходом в КЖ ранее образовавшихся лектинов. В пользу этого предположения свидетельствовало отличие динамики накопления ЛА в КЖ при непрерывном культивировании. В этих условиях максимальная ЛА достигалась после 18—20 ч выращивания и поддерживалась в дальнейшем на постоянном уровне. Эти данные представляют практический интерес, поскольку в условиях хемостата можно достичь оптимального выхода внеклеточных лектинов.
Обнаружение двух максимумов активности в КЖ может свидетельствовать о возможном продуцировании культурами бацилл в разные фазы роста нескольких лектинов, как это было показано ранее для патогенных микроорганизмов [2, 4].
Сравнение углеводной специфичности лектинов с использованием 54 углеводов и 19 гликоконъ-югатов выявило сродство лишь к восьми углеводам (N-ацетилнейраминовой, N-гликолилнейрамино-вой, D-глюкуроновой, фосфоглюконовой и глюко-зо-6-фосфорной кислотам, фруктозо-1,6-бисфос-фату, D-галактозамину и D-глюкозамину) и пяти гликоконъюгатам (муцину подчелюстной железы быка, фетуину, фибриногену, коломиновой кислоте и иммуноглобулину человека) [10, 30, 31]. Лектины всех изученных штаммов бацилл обладали сродство
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.