Сады Старой Руссы
Саженцы Садоводство Ярмарки Старая Русса
Главная » Каталог

Каталог саженцев и посадочного материала «Садов Старой Руссы»

Базовый микробный состав


Выращивание овощей по Джону Джевонсу – небывалый урожай при минимальном уходе

В большинстве случаев письма приходят в течение одной минуты, но иногда для этого требуется до 10 минут. Возможно письмо еще не успело прийти. Проверьте пожалуйста внимательно папку Входящие (Inbox). В некоторых случаях письмо может попасть в папку Спам (Spam).

  Логин или e-mail: Или войдите с помощью этих сервисов:

www.ogorod.ru

Раствор Бессараба - как приготовить микробный эликсир, рецепт

раствор бессарабаСегодня у многих садоводов встает вопрос, что лучше органическое земледелие или использование химических подкормок? К первому склоняются те, кто использует раствор Бессараба. Что это, как его делать и применять?

Рабочие микроорганизмы

раствор эффективных микроорганизмовСегодня уже многие понимают, что нарушение слоев почвы перекапыванием и внесение удобрений приводит к тому, что полезные насекомые, живые организмы исчезают из земли. Например, сельскохозяйственные угодья после нескольких лет обработки пестицидами не могут восстановиться 3 года. А за многолетнее применение химических препаратов происходит очень глубокое истощение грунта.

Помочь могут микроорганизмы, то есть маленькие строители – бактерии. Сегодня уже во многих странах применяется технология Эффективных микроорганизмов (ЭМ). Фактически за 2 недели после внесения эти помощники полностью оживают и начинают работать, уничтожая различные грибковые заболевания почвы и улучшая ее структуру.

Препараты на основе ЭМ применяются в течение всего вегетационного периода в качестве подкормок, при подготовке семян и рассады к выращиванию. Из них готовятся растворы для уничтожения грибковой инфекции, ускоряется приготовление компоста.

Что собой представляет раствор Бессараба и условия внесения

Бессараб Анатолий Петрович, применяя технологию ЭМ, создал микробный состав, способный помочь человеку ухаживать за своим садом.

основа рабочего раствора сывороткаОсновой данного средства является молочная сыворотка, которая получается при сворачивании молока. Она содержит сывороточные белки, аминокислоты, витамины и соли. При внесении в почву такие вещества приносят огромную пользу на дачном участке.проливание почвы

Применение раствора Бессараба достаточно эффективно, но здесь соблюдаются определенные требования:

  1. Раствор первый раз вносится при прогреве почвы до 10 градусов.
  2. Бактерии выводятся из спячки при повышении столбика термометра до +14.
  3. Семена и рассада не высаживаются в первые 2 недели, потому что микроорганизмы должны очнуться ото спячки. В этот момент они могут принять культурные семена за не нужные и начать бороться с ними.

Не допускается внесение большей концентрации микроорганизмов в почву, чем положено по инструкции.

рабочий растворПри правильном применении эффект не заставит себя ждать.

Полезные свойства раствора

хороший урожай после применения раствора бессараба

Содержащиеся в растворе Бессараба микроорганизмы преображают фактически безжизненный участок до неузнаваемости, их преимущества в следующем:

  1. Уничтожение болезнетворных бактерий за счет кислой среды.
  2. Профилактика болезней.
  3. Насыщение земли минеральными веществами и витаминами.
  4. Повышение иммунитета растений к мучнистой росе и фитофторе.
  5. Увеличение урожайности плодоовощных культур.
  6. Уничтожение насекомых-вредителей.
  7. Ускорение созревания компоста.плодородная почва

Приготовление сывороточного раствора

Для подкормки растений используется как покупная сыворотка, так и приготовленная в домашних условиях:

  1. Молоко, перелитое в стеклянную или пластиковую посуду, ставится в теплое место.
  2. Для более быстрого созревания добавляется кефир или сметана.
  3. Кислое молоко переливается в кастрюлю и подогревается. прогревание кислого молока
  4. Творог отделяется от жидкости, отжимается через марлечку. собрать творог
  5. Готовый раствор и является сывороткой. свежая сыворотка

Если молочная сыворотка не используется сразу, то ее ставят в холодильник.

Приготовление раствора Бессараба

 

Подробный рецепт микробного раствора Бессараба, рассмотренный ниже, может быть приготовлен даже начинающим садоводом:

  1. Берется литровая банка сыворотки, куда добавляется одна чайная ложка сметаны.смешать сыворотку со сметаной
  2. В 1000 мл отстоянной воды растворяется 20 г меда. смешать мед с водой
  3. Оба раствора смешиваются.
  4. При желании добавляются половина столовой ложки дрожжей.
  5. Ставится все в теплое помещение или при хорошей погоде на улицу, примерно на 2 недели.

Для применения разбавляется в ведре воды 100 мл приготовленной жидкости.приготовление рабочего раствора

Хранится полученная масса в темном месте, закрытой, в стеклянной посуде, железная убивает микроорганизмы.

Зная, как приготовить микробный раствор Бессараба, каждый садовод и огородник пытается внести некоторые дополнения в коктейль, используя характеристики почвы и климата на своем участке, а также в зависимости от того, что будет посажено.

коровьякВ некоторых случаях к сыворотке и меду добавляется коровяк. Иногда используется зола, солома, листовой опад.древесная зола

Внесение раствора проводится, когда пасмурно или ближе к вечеру, так как полезные бактерии не любят солнца.

Применение для культур

раствор бессараба для томатовЭликсир Бессараба для каждого вида растений имеет свои особенности применения. А каждый садовод может дополнить рецепт или слегка изменить его для своего участка.

Культура Условия применения
Огурцы и перцы Ведро навоза разводится раствором и ставится в теплицу. Происходит выделение углекислого газа, который необходим для фотосинтеза.
Картофель Опрыскивается по листьям. Обрабатывается также семенной.
Томаты, свекла Подкормка производится увлажнением листовых пластин.
Капуста Добавляется коровяк.
Чеснок 3-4 раза за сезон.
Кусты Внекорневая подкормка после появления листвы. Применяется для профилактики грибковых заболеваний.
Клубника Кормится в середине мая, перед цветением и в период появления цветов.

Сама жидкость применяется не только к овощам и фруктам, ей проливаются и декоративные растения и кустарники. Очень хорошо отзываются на такое удобрение розы, однолетние цветы.

Результаты применения раствора Бессараба

хороший урожайВ сравнительной таблице представлены показатели урожайности культур при применении эффективных микроорганизмов на одну сотку, по отношению к средней статистике.

Наименование культуры Средний показатель в кг Количество килограмм с сотки при применении раствора (в тыс)
Картофель 400 3,5
Зерновые 50 0,11
Бахчевые 400 1,45
Цукини 350 0,5
Капуста белокочанная 900 1,7
Томаты 800 1,9
Свекла, редька, дайкон 450 1,2
Огурцы 550 2,2
Чеснок 5000 1,1
Лук репка 900 2,5

Показатель явно превышает среднестатистические данные в несколько раз. По наблюдениям хозяев огороднических товариществ поражаются растения бактериальными инфекциями также намного меньше, даже, если летом идут затяжные дожди, способствующие развитию болезней.

Изучив рецепт Бессараба, каждый может попробовать сотворить чудо у себя на участке.

Препарат с эффективными микроорганизмами готовим сами — видео

glav-dacha.ru

Микробный раствор = небывалый урожай. Метод Джевонса.

«Моя чудесная дача» zen.yandex.ru

Для повышения нашего с вами урожая, нужно будет следовать советам.
Начиная с похолодания после лета, с Сентября, заизвестковать огород. Земля осенью влажная из-за погоды и дождей, уже начиная с зимы, эта влага замерзнет и сожмется и сделает дополнительные прорези (полости). Придется весна и все начнет таять, но почва будет рыхлой. Всё начинает просыпаться и микробы с червями начинают активничать и усилять рыхлый эффект до 1 м в глубину. Из любых органических отходов можно приготовить компост, начиная с весны и до осени. Если вы конечно захотите, это конечно не обязательно, но все же можете обработать ваш компост микробным раствором, для этого добавьте 1 ст.л. раствора в 10 литровую емкость воды.

Компост? Нужно регулярно заготавливать

Забудьте про удобрения, так как микробы боятся щелочей, солей и кислоты. У овощей без химии не будет тенденций к росту, поэтому они будут расти медленно и с трудом. Но это не тупик, это не конец света, так как у нас есть еще вариант – внекорневая подкормка – по листьям. Только уменьшите дозу, иначе навредите растениям. Пример: 0,5 л удобр. на 10 л воды.

Теперь давайте посмотрим как это применяется на примерах:

Возьмем к примеру чеснок (самый полезный продукт). Чеснок высаживают в первый месяц осени, он должен быть обработан и подготовлен в соответствии с лунным календарем. Между рядами обычно землю разрыхливают с помощью плоскореза и добавляют подкормку несколько раз, а именно 3 или 4, с перерывами (3 дня). Как только чеснок начнет расти, то в это время поливаем нашим с вами микробным раствором. Следующие поливы происходят по необходимости и всегда с раствором. Приблизительно за неделю до полного созревания его выкапывают, сушат и обрезают корни вместе с ботвой.

Или например клубника. Так же засаживаем её с Сентября по Ноябрь. Три раза вносятся удобрения внекорневым путем: после и во время цветения и после схода снега.

Если поливать ваши растения постоянно этим самым раствором, то это однозначно поможет вашим растениям.

Итак, какой же состав микробного состава?

Базовый состав:

— — в 1 литровой сыворотке растворяют сметану (1 чайную ложку), в 1 литр воды вносят 1 столовую ложку меда, их смешивают и наливают больше воды, вплоть до 10 литров. А чтобы улучшить состав путем улучшения деятельности микробов, добавьте 10 грамм дрожжей. Хранить в темном месте и настаивать 2 недели.

И конечно же вы понимаете, это не все секреты данного садовода, но этого хватит чтобы поменять привычный уклад работы и взгляд на методики выращивания растений. Но его комбинация микробного раствора, а это в первую очередь бактерии + наши с вами посаженные растения, все это приводит к небывалому урожаю.

sadovodka.ru

Микробный состав бессараба — Огород и прочее

Цитата сообщения Любаша_Бодя Практическое применение метода Джевонса:

Что такое «Овощеводство по Джевонсу»? Это новая высокоурожайная технология выращивания овощей на дачных участках. В ее основе – открытия ученых: аэробные и анаэробные микробы.

Что это за микробы?

На это я нашел ответ в статье «Микробы против болезней».

Оказывается, это обычный раствор коровяка (1/3 ведра коровяка, остальное – вода). После того, как все перебродит, а это 5-7 дней (все зависит от температуры окружающей среды), добавляются сыворотка, пахта, обрат – отходы молочного производства, прелое сено (2/3 ведра + вода).

Указанные микробы уничтожают мучнистую росу, антракноз, фитофтороз, различные гнили и т.д.

 

Технология Джевонса

Весь участок разбивается на грядки и тропинки. Ширина грядок до 1.2 м, длина – произвольная, ширина тропинок 0,3-0,5 м. Ходим только по тропинкам, на грядки не наступаем в любое время года. Сажается все поперек грядок.

В технологии Д. Джевонса подготовка почвы заключается в двойной перекопке с использованием перегноя или компоста слоем 5-7 см, т.е. насыпали на грядку слой перегноя 5-7 см, перекопали на штык, вынули перекопанную почву, еще раз насыпали 5-7 см перегноя, вновь перекопали то, что раньше перекопали, вернули назад, на грядку.

Каждому огороднику известно, какую роль играет горстка компоста и перегноя весной, при посадке. Начинают работу пахари-черви и все обитатели аэробного слоя почвы: уничтожают гнили, фитофтору, мучнистую росу, антракноз и т.д. Растение не тратит на это свою энергию, оно быстро растет.

При проведении стадии известкования почвы я столкнулся с еще одним явлением, которое не описано наукой. Мы привыкли к тому, что раз известкуем, значит, добиваемся изменения рН почвы. Но оказывается, известкованием почвы мы не только меняем рН, мы меняем состав почвы.

Поэтому сорняки плохо растут либо на продолжительное время исчезают (например, мокрица). Идет рыхление почвы вглубь на значительную глубину. Если придерживаться тех величин, что дает наука, то глубина рыхления при известковании 90-120 см.

Рыхлая почва после известкования пропускает воздух и воду без ограничений, почва не слипается, не комкуется, остается рыхлой 4-5 лет. Все знакомы с явлением роса, когда при достижении определенной температуры пары влаги из воздуха переходят в жидкое состояние, оседают на предметы, траву, почву, которая пропитывается влагой.

 

Невидимые помощники в огороде

С осени произвестковал всю землю, весной разбил ее на грядки и тропинки. Девять лет не копаю! Кто же рыхлит почву и делает ее пригодной к посадке овощей? Осень дождями мочит почву, морозы сковывают льдом. При замерзании вода расширяется, но она находится в почве. Весной уходят морозы, почва рыхлая. Ни один агрегат не создаст такую мелкодисперсную рыхлую почву.

Рыхлой делают ее и подземные обитатели – аэробные микробы, черви и др. При известковании почва рыхлится вглубь на 90-120 см до 5-6 лет. Зачем копать? Граблями поправил кромки грядок, задержал влагу. Я взял в помощники микробов, и все работы выполняю с их помощью: обработку семян, высадку рассады, подготовку компоста. Рабочий раствор микробов неизменен – от 1 ч. л. до 1 ст. л. микробов на 10 л воды.

Я привел выше три микробных состава (коровяк, отходы молочной промышленности, прелое сено). В конце статьи приведу еще одну рецептуру, по которой работаю.

Что касается схемы посадки, то с целью лучшего использования площади растения нужно размещать растения в шахматном порядке, чтобы они от стебля до стебля или от центра до центра ямки были одинаковыми. Для распространенных овощных культур они такие: баклажаны – 45 см, бобы – 20 см, арбуз, тыква, томат – 46 см, капуста, кабачок, дыня, кукуруза сахарная – 38 см, горох – 7,5 см, фасоль – 15 см, морковь – 8 см, петрушка – 13 см, лук, чеснок, буряк столовый -10 см, картофель – 23 см, редька – 5 см, огурец, сладкий перец – 30 см.

Заготавливаю с весны до осени компост из всех органических остатков. Для массы скашиваю траву, что примыкает к торцу огорода со стороны речушки. Раньше послойно сбрызгивал траву покупным препаратом из отходов сахарного производства, затем стал применять рабочие микробные растворы, а потом вообще перестал обрабатывать.

Трава, высыхая, запревает (преет) – затравка готова. К осени получаю в глубине кучи компост, а на следующий год почти вся трава перерабатывается на компост. Его использую при посадке, разношу на грядки.

Полив: в ведро воды (10 л) добавляю от 1 ч. л. до 1 ст. л. микробов и таким рабочим раствором поливаю, обрызгиваю кусты и растения для профилактики болезни и лечения самой болезни, если будет. За 9 лет ни одно растение не заболело.

Микробов хранят и получают в стеклянной, деревянной, пластиковой посуде, но не в металлической, даже если это нержавеющая емкость. Микробы боятся ультрафиолета и погибают от него – нельзя хранить на свету. Микробы погибают от растворов солей, кислот, щелочей (это для тех огородников, кто захочет совместить полив микробным раствором с удобрением). Микробы работают во влажной среде.

Без химических удобрений трудно вырастить овощи. Если я буду применять удобрения так. как написано в инструкции, и поливать под корень или на участок земли, я уничтожу своих помощников – аэробных микробов. Остался у меня один выход – по листьям, т.е. внекорневая подкормка. А чтобы не опалить и не сжечь листья растений, дозу удобрений надо уменьшить в несколько раз по сравнению с корневыми подкормками. Я за основу взял 0,5 л на 10 л воды. И здесь меня ждало еще два открытия.

Первое – все, что цветет, завязывается и дает плод. Ни один цветок не опал и не пропал! Второе – растения развиваются более интенсивно, становятся выше ростом, более урожайные.

Все это я использовал при выращивании овощей. Прошу заметить: удобрения не заражают почву. не накапливаются в растениях. Растения развиваются гармонично и энергично. Вкус, аромат, хранение – все на высшем уровне. Отрицательного я ничего не заметил. Приведу ряд примеров по выращиванию овощей.

Чеснок

Сажаю подготовленный и обработанный чеснок в сентябре по лунному ькалендарю. Весной рыхлю плоскорезом междурядья, подкармливаю внекорневой подкормкой 3-4 раза полным комплексным удобрением с интервалом 3 дня.

Чеснок интенсивно идет в рост. Почва влажная, я поливаю рабочим микробным раствором – микробы работают на полную мощь. Затем поливаю по мере необходимости, но все равно с микробами. За неделю до срока готовности, а то и раньше, выкапываю чеснок, сушу в тени, обрезаю ботву и корни.

Картофель

Обрабатываю посадочный материал и проращиваю. Сажаю 23×23 см, сажал и по схеме 23×10-11 см – результаты все равно отличные. В посадочную яму бросаю горстку компоста, 1 ст. л. древесной золы. Если картофель крупный, режу на доли, чтобы было 2-3 ростка. Если мелкий, делаю надрез, но не до конца, чтобы было больше ростков. Бросаю в лунку и луковую шелуху, обрабатываю и покупным препаратом для предпосадочной обработки – всем, что под рукой. Все результаты были хорошие.

После посадки картофеля всю поверхность обрабатывал рабочим микробным раствором. При высоте 10-12 см междурядья окучником в форме плужка одновременно и окучивал, и делал канавку для полива.

Больше никакой работы на земле до копания не делаю. Копаю с узкого торца в направлении невыкопанной части. Если копать по старинке, режется много картофеля. Колорадского жука собираем вручную веником в емкость.

В этом году с двух грядок длиной 4,9 м, высотой 1,2 м получили 7-8 полных 10-ЛИ-тровых ведер картофеля. Сажали все то, что осталось после зимы и в пищу не использовалось. По моим подсчетам, урожай от 980 до 1100 кг в расчете на сотку.

Кустарники

Под каждый куст осенью рассыпаю по 1 ведру компоста, по стакану древесной золы. Весной крыжовник обработал от мучнистой росы. Все кустарники до распускания почек получили внекорневую подкормку, затем, после распускания – еще раз.

И здесь я вновь наблюдал: все, что цвело, завязывалось и дало урожай. На почву не было сброшено ни одного цветка!

Клубника

Подкармливалась внекорневыми подкормками трижды: сразу же после схода снега, перед цветением, во время цветения. Хоть и осенью посажена плантация, но урожай на удивление обильный, с внекорневой подкормкой я не наблюдаю серой гнили на клубнике вообще.

 

9 лет без прополки и борьбы с сорняками

Мои помощники, микробы, вырастили мне урожай. Есть возможность получать и второй, и даже третий!

Я же выращиваю сидераты. В качестве культуры остановился на горчице. Первыми освобождаются грядки из-под чеснока, затем из-под лука и т.д. А на тех грядках, где растут помидоры и перец, разбрасываю семена горчицы между растениями.

Здесь я поступаю двояко: первое – прикапываю сидераты, второе – оставляю до весны.

Тогда сидераты, а вернее то, что от них остается, зимой задерживают снег, а весной замедляют таяние, почва насыщается целебной талой водой. Весной граблями убираются остатки и либо направляются в компостную кучу, либо измельчаются и возвращаются на грядку для переработки микробами и червями. Все грядки получают компост из общей кучи. 

Девять лет я не ко паю землю на грядках. Возникает вопрос: а как же прополка, борьба с сорняками? На грядках сорняков нет или практически нет. Сорняки только на тропинках, да и то залетные.

Во время полнолуния и новолуния плоскорезом убираю сорняки, и на эту работу затрачивается очень мало времени.

 

Рекомендации

Итак, для того чтобы повысить урожайность на своем участке, нужно следовать нескольким рекомендациям. 

— С осени заизвестковать весь огород. Дожди обильно смочат почву, зимой влага замерзнет и за счет расширения создаст дополнительные полости. Весной жидкость тает, а почва остается рыхлой. 
— Весной активизируются аэробные микробы и черви, которые усиливают рыхлый эффект на глубинах до 1 м. 
— Компост заготавливается с весны до осени из любых органических отходов. Дополнительно его можно обрабатывать микробным раствором, который продается в магазине. Для полива в 10-литровое ведро воды добавляется 1 ст. л. микробного раствора. 

Микробы погибают от растворов солей, кислот и щелочей. Поэтому о подкормках удобрениями придется забыть. 

Но совсем без «химии» вырастить овощи трудно. Остается вариант внекорневой подкормки – по листьям. Рекомендуемую дозу нужно уменьшить в 3-4 раза, чтобы не сжечь листья. Например, в соотношении 0,5 л удобрений на 10 л воды. 

Секрет микробного состава 

Базовый рабочий микробный состав готовят так: 
— в 1 л сыворотки растворяют 1 ч. л. ложку сметаны; 
— в 1 л воды (любой, кроме как из-под крана) вносят 1 ст. л. меда; 
— оба состава перемешивают и добавляют воды, чтобы получилось 10 л раствора; 
— для улучшения деятельности микробов можно добавить 10 г дрожжей; 
— стеклянная, деревянная или пластиковая тара хранится в местах, лишенных света. 

Настаивается состав около двух недель. Готовый раствор вносят по мере необходимости. 

Храню в местах, где нет света. При открывании герметично закрытой тары, где хранятся микробы, слышен хлопок. Это говорит о том, что микробы есть и они работают.
 

Это не все секреты технологии Джевонса, однако даже их достаточно, чтобы изменить привычный взгляд на методики выращивания растений. Естественная природная комбинация «бактерии+растения» способна подарить небывалый урожай.

Источник: vsaduidoma.com  Автор А.П.Бессараб

 

 

 

БОГАТОГО  ВАМ  УРОЖАЯ !!!

Ваша  ЛЮБАША  БОДЯ



Source: www.liveinternet.ru

ogorod.ahuman.ru

Микробиом — Википедия

Микробиом — совокупность генов микробиоты (микрофлоры) различных экологических ниш. Термин часто используется как синоним «микробиоты» или «микрофлоры»[1], и впервые его употребили в статье 1952 года, посвященной загрязнению воды канализацией[2]. Собственным микробным сообществом (микробиомом) обладают все экосистемы, начиная от тканей и органов отдельных организмов[3] и заканчивая целыми средами обитания[4]. Микробиом участвует в важнейших экосистемных процессах, собствуя как метаболизму хозяина в локальном масштабе[5], так и биогеохимическому круговороту питательных веществ в глобальном[6].

Микробиомы почв[править | править код]

Почвенные микробиомы — это самые генетически разнообразные экосистемы на Земле, включающие сложные комплексы бактерий, архей и эукариот[7]. Почва содержит около 108 клеток микроорганизмов при расчёте на грамм[8], что в десять раз превышает их содержание при расчёте на миллилитр в Мировом Океане[9]. Почвенные микроорганизмы играют важнейшую роль в поддержании геохимического состава биосферы[9]. Они ответственны за циркуляцию биогенных элементов (N, C и P и др.), их преобразование в доступный для растений вид, а также за поддержание структуры почвы[10]. Микроорганизмы фиксируют атмосферный азот и углерод, производят органические вещества и иммобилизуют достаточное количество азота и других питательных веществ, чтобы инициировать процессы круговорота азота в молодой почве[10]. Почва также представляет собой резервуар видов микроорганизмов, которые напрямую поддерживают (полезные симбионты) или препятствуют (патогены) росту растений, а также изменяют биодоступность питательных веществ и токсинов[11]. Микробиом почв влияет на взаимодействие между наземными и подземными биомами, водными экосистемами и земной атмосферой, а также обеспечивает обмен между геологическими запасами и биосферой[12].

Среди наиболее важных представителей почвенного микробиома, вносящих наибольший вклад в формирование почвенного микробного сообщества — бактерии родов Pseudomonas (производят различные антибиотики, литические ферменты, а также этилен, ауксины и гиббереллины), Azotobacter, Clostridium, Rhizobium и Bradyrhizobium (усваивают атмосферный азот)[13], а также актиномицеты (Streptomyces), и грибы — Mycorrhizae.

Микробиомы вод[править | править код]

Океаны и моря[править | править код]

Океанический микробиом — это сильно разбавленная микробная система, которая покрывает большую часть поверхности Земли. Его границы простираются от полярных регионов Арктики и Антарктики до кипящих гидротермальных источников в морских глубинах и известковых илов[14]. В совокупности на океанический микробиом приходится ~0,0001 % объёма морской воды[15]. Микробиом океана оказывает влияние на климат нашей планеты, участвует в круговороте азота и других питательных веществ. Одно из важнейших свойств океанической микробиоты — наличие в ней первичных продуцентов. В отличие от других микробиомов, в океаническом присутствуют организмы, способные к преобразованию световой энергии, что вносит существенный вклад в циркуляцию энергии по земной экосистеме[16].

Наиболее распространенные представители микробиома океана — бактерии Vibrio, Pelagibacter ubique, Prochlorococcus[en], Cyanobacteria[17]; а также археи Halobacteria, Haloquadratum walsbyi[18], Pyrolobus fumarii[en].

Реки[править | править код]

Отличительной чертой экосистемы реки является подверженность постоянным изменениям из-за наличия течений. В связи с этим вдоль течения реки наблюдаются изменения в разнообразии микробиома, которые могут быть постепенными в местах со слабыми движениями водных масс, или резкими, происходящими на стыках с другими экосистемами[19]. Разложение органических веществ, продуцирование парниковых газов, эвтрофикация, усвоение металлических загрязнителей, разложение ксенобиотических соединений — это лишь малая часть процессов, осуществляемых речным микробиомом[19]. Особое практическое значение имеет факт того, что у членов микробиома загрязнённых рек выявляются гены, способные расщеплять различные токсины и ксенобиотики. Учитывая, что реки являются источниками питьевой воды, данные изменения могут отразиться на человеке и животных[20].

Наиболее распространенные представители - бактерии Actinobacteria, Betaproteobacteria[en], Flavobacteriia[en][21].

Роль бактерий в метаболизме растений

Микробиомы растений[править | править код]

Микробиомы растений очень разнообразны. Они состоят из вредных патогенов, потенциальных эндофитов и полезных симбионтов[22]. Потребности растения в азоте, фосфоре и железе удовлетворяются за счёт активности микроорганизмов в почве, на её поверхности и в непосредственной близости от неё[23]. В свою очередь, источником углерода для представителей растительного микробиома могут служить как исключительно корневые экссудаты растений (например, род Myxococcus), так и органическое вещество почвы (например, отряд Sphingomonadales[en])[24]. Почвенные микроорганизмы колонизируют корни растений. Комменсальные, симбиотические или патогенные бактерии и грибы надземных частей растений, также частично происходят из корней и почвы. На формирование микробного сообщества в ризосфере оказывают влияние генотип растения-хозяина, тип почвы и методы выращивания[25], изменяют фенологию и время цветения[26], влияют на выработку сухого вещества побегов растений[27] и вызывают системную устойчивость к болезням[28]. Также вероятно, что микробиомы влияют на качество смол, фруктов, мёда и эфирных масел[29].

Микробиомы животных[править | править код]

Микробиомами обладают практически все живые организмы: начиная от губок[30] и заканчивая человеком. Наличие и состав резидентных микробных сообществ в организме животного напрямую влияет на его физиологическое состояние[31]. Микробные сообщества наиболее часто заселяют пищеварительную систему и внешнюю поверхность тела животных, а иногда и репродуктивные органы[32]. У некоторых животных есть специализированные органы, в которых обитают определённые группы микроорганизмов[33]. При этом ассоциации между животными и конкретными видами не случайны[34]. В организме хозяина формируются комплексные приспособления для обеспечения полезных микроорганизмов пищей, подходящей средой обитания и защитой от других представителей[35].

Хорошо известно, что микробиом может участвовать в процессах пищеварения, расщепляя соединения, недоступные для собственных ферментативных систем хозяина, что расширяет животным кормовую базу[36]. Микроорганизмы способны нейтрализовать токсины, синтезировать различные молекулы, необходимые для метаболизма хозяина (витамины и др.)[37]. Микробы, населяющие поверхность тела, защищают хозяина от патогенов. Возможно, микроорганизмы оказывают влияние не только на физиологическое состояние животного, но и на его поведение, путём синтеза сигнальных молекул[38].

Таргетное секвенирование ампликонов[править | править код]

Для определения таксономического разнообразия в изучаемом образце используется секвенирование гена 16S рибосомальной РНК, присутствующей во всех живых организмах. Недостатки метода:

  1. Использование 16S рРНК в качестве индикатора разнообразия зачастую не позволяет различить виды из-за отсутствия у них различий в этом гене[39].
  2. Микробное сообщество часто определяется стабильным видовым составом, но такая стабильность не всегда соблюдается при многократном заборе проб (микробное сообщество не гомогенно на всем своём протяжении, его состав также может колебаться с течением времени)[40].

После секвенирования ампликонов для определения состава микробного сообщества используются методы молекулярной филогении. Это делается путём кластеризации ампликонов в оперативные таксономические единицы (OTU[en]) и выведения филогенетических связей между последовательностями ДНК.

Метагеномное секвенирование[править | править код]

Альтернативой исследованиям маркерных генов (16S рРНК) является метагеномный анализ с помощью секвенирования методом дробовика. Получаемый набор последовательностей может охватить весь геном отобранных микроорганизмов, а не только отдельный маркерный ген. Такой подход может выявить функциональную комплиментарность внутри изучаемого образца и на основе этого предложить взаимодействия между его членами. Однако сборка и присвоение функции и таксономии метагеномным последовательностям — сложная задача, которая часто порождает множество предсказаний с низкой достоверностью[41]. Часто также возникает неоднозначность относительно того, каким именно организмам принадлежит конкретно взятая последовательность, так как не всегда доступен полный геном организма.

Метапротеомика и метатранскриптомика[править | править код]

Помимо изучения геномов, особый интерес представляют транскриптомы и протеомы микроорганизмов в составе сообществ. Комплексное изучение молекул белка и молекул РНК в составе образца, содержащего в себе представителей различных видов бактерий называются соответственно метапротеомикой и метатранскриптомикой. Эти подходы, в отличие от описанных выше, позволяют не просто оценить генетический потенциал сообщества, а получить представление об активных генах и синтезируемых молекулах белка и метаболитах[42].

Для метатранскриптомных исследований обычно проводится пиросеквенирование РНК, выделенной из всего сообщества[43]. Данные для метапротеомики получают выделением белков из клеток сообщества с их последующим анализом методом масс-спектрометрии.

Определение взаимодействий внутри микробиома[править | править код]

Данная схема демонстрирует способы изучения взаимодействий между видами в микробиоме

Существует трёхфазный подход для выявления причин и последствий микробных взаимодействий[44]. Он основан на:

  1. поиске паттернов в видовом составе микробных сообществ
  2. изучении роли отдельных видов в функционировании всего сообщества
  3. поиске конкретных механизмов, обуславливающих эту роль.

Для выявления паттернов совместной встречаемости видов в составе сообществ, которые могут быть объяснены взаимодействиями внутри них, используются метагеномные исследования in situ. Для изучения межвидовых взаимодействий в составе сообществ, используются экспериментальные микробные сообщества: изучается изменение фенотипа сообщества в попарных скринингах или при удалении отдельного вида из сообщества для установлении его роли в нём. Для идентификации генетических и молекулярных механизмов, лежащих в основе этих микробных взаимодействий, используются транскриптомные, метаболомные и скрининги, а также исследуются генетически модифицированные микроорганизмы[45].

Влияние взаимодействий внутри микробиома на эволюцию микроорганизмов[править | править код]

Идентифицирование взаимосвязей между микробиомами

Эволюционные исследования показали, что некоторые характеристики микроорганизмов, включая метаболизм, стрессоустойчивость и вирулентность, могут быстро эволюционировать в популяции с последовательной сменой поколений[46]. Взаимодействия между микроорганизмами могут ингибировать фенотипическую и генетическую эволюцию конкретного вида путём сокращения размеров популяции и уменьшения потенциальной генетической изменчивости для отбора. А могут способствовать адаптации, когда результатом взаимодействия является смена экологической ниши эволюционирующего вида. Исследования нескольких представителей рода Pseudomonas показали, что конкуренция со стороны других видов может как ингибировать[47], так и стимулировать их эволюцию[48]. Ещё одним примером может служить появление в микробиоме функциональной специализации у микроорганизмов, часто являющиеся результатом эндосимбиоза. Так, ассоциация между бактериями Candidatus «Moranella endobia» и Candidatus «Tremblaya princeps», живущих внутри клеток червеца цитрусового Planococcus citri, привела к разделению между ними промежуточных звеньев путей синтеза фенилаланина, аргинина и изолейцина[49].

Экологическое перекрывание или эквивалентность могут лежать в основе часто наблюдаемых таксономических различий между образцами, взятыми из одних и тех же или похожих мест обитания. Наиболее убедительным примером этого является отсутствие постоянного «основного» микробиома во многих органах человека[50]. Так, S.M. Huse et al. (2012) в исследовании, проведённом в рамках международного проекта «Микробиом человека»[51], показали, что чёткая категоризация микробиоты фактически невозможна и правильнее говорить не о существовании энтеротипов[en], а о наличии непрерывного градиента микробных сообществ[52][53]. Хотя не представляется возможным выявить «основной кишечный» микробиом, все же при более точном определении можно охарактеризовать основной микробом «здорового толстого кишечника с высоким содержанием белка и жиров животного происхождения». Преемственность может также играть роль, например, при детерминировании зубного налёта: один и тот же участок может быть занят «ранними» или «поздними» сообществами, которые возникают после нарушения[5]. Также при исследовании распределения операционных таксономических единиц[en] в микробиомах почвы, озёрной воды и солёных отложений было выявлено отсутствие перекрывания между ними даже при уменьшении порога идентичности последовательностей до 89 %[54].

В последние годы область изучения микробиома быстро прогрессировала от поиска взаимосвязей между хозяином и микробиомом до механистического понимания его роли в развитии заболеваний. Манипулирование нативной микробной флорой человека открыло уникальную возможность для повышения эффективности комменсальной флоры и снижения рисков возникновения с ней связанных заболеваний. Появились микробно-центрированные терапевтические стратегии, которые обеспечивают или воссоздают желаемую функцию интересующего микробного сообщества, либо подавляют или устраняют определённый нежелательный или патогенный элемент[55]. Например, бактериотерапия[en] была успешно использована при инфекциях Clostridium difficile, за счёт пересадки фекальных микробиомов[en] от здоровых доноров пациенту, что привело к восстановлению нормальной микробиоты[56]. В других случаях благодаря методам системной биологии идентифицировали отдельных микроорганизмов и некоторые их консорциумы, которые могут в значительной степени повторять эффекты пересадки фекальных микробиомов[en][57].

Также существуют методики модификации микробиома in situ. Для этих целей используются CRISPR/Cas9 системы. Они способные узнавать определённые участки генома патогенов, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, и приводить к их деградации. Для доставки этих систем в бактериальные клетки используются бактериофаги. При этом CRISPR/Cas9 нуклеазы, благодаря специфичности своего устройства, поражают только определённые штаммы потенциально опасных бактерий. В связи с этим их использование безопасно для нормальной микрофлоры, и может предотвращать развитие дисбактериоза[58].

Помимо выше затронутого проекта «Микробиом человека», существует также проект «Микробиом Земли» — это инициатива по сбору природных образцов и анализу микробного сообщества по всему миру. Микроорганизмы очень распространены, разнообразны и играют важную роль в экологической системе[6]. Тем не менее, по состоянию на 2010 г. было подсчитано, что в окружающей среде отсеквенировано менее 1 % от общей ДНК, обнаруженной в литрах морской воды или грамме почвы[59]. А конкретные взаимодействия между микроорганизмами остаются неизвестными. Цель проекта «Микробиом Земли» состоит в том, чтобы обработать до 200 000 образцов в различных биомах, создав полную базу данных микроорганизмов на Земле, чтобы охарактеризовать окружающую среду и экосистемы по микробному составу и взаимодействию. Используя эти данные, можно предложить и протестировать новые экологические и эволюционные теории[60].

  1. ↑ Microbiome : [англ.] // Merriam-Webster.com Dictionary. — Merriam-Webster. — Дата обращения: 12.04.2020.
  2. Mohr JL. Protozoa as indicators of pollution. (англ.) // The Scientific Monthly. — 1952.
  3. E. K. Costello, K. Stagaman, L. Dethlefsen, B. J. M. Bohannan, D. A. Relman. The Application of Ecological Theory Toward an Understanding of the Human Microbiome // Science. — 2012-06-06. — Т. 336, вып. 6086. — С. 1255–1262. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.1224203.
  4. Sean M Gibbons, Jack A Gilbert. Microbial diversity — exploration of natural ecosystems and microbiomes // Current Opinion in Genetics & Development. — 2015-12. — Т. 35. — С. 66–72. — ISSN 0959-437X. — doi:10.1016/j.gde.2015.10.003.
  5. 1 2 Dirk Gevers, Rob Knight, Joseph F. Petrosino, Katherine Huang, Amy L. McGuire. The Human Microbiome Project: A Community Resource for the Healthy Human Microbiome // PLoS Biology. — 2012-08-14. — Т. 10, вып. 8. — С. e1001377. — ISSN 1545-7885. — doi:10.1371/journal.pbio.1001377.
  6. 1 2 P. G. Falkowski, T. Fenchel, E. F. Delong. The Microbial Engines That Drive Earth's Biogeochemical Cycles // Science. — 2008-05-23. — Т. 320, вып. 5879. — С. 1034–1039. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.1153213.
  7. T. P. Curtis, W. T. Sloan, J. W. Scannell. Estimating prokaryotic diversity and its limits (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2002-08-06. — Vol. 99, iss. 16. — P. 10494–10499. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.142680199.
  8. Xavier Raynaud, Naoise Nunan. Spatial Ecology of Bacteria at the Microscale in Soil (англ.) // PLoS ONE / Francesco Pappalardo. — 2014-01-28. — Vol. 9, iss. 1. — P. e87217. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0087217.
  9. 1 2 W. B. Whitman, D. C. Coleman, W. J. Wiebe. Prokaryotes: The unseen majority // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1998-06-09. — Т. 95, вып. 12. — С. 6578–6583. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.95.12.6578.
  10. 1 2 Anamika Dubey, Muneer Ahmad Malla, Farhat Khan, Kanika Chowdhary, Shweta Yadav. Soil microbiome: a key player for conservation of soil health under changing climate // Biodiversity and Conservation. — 2019-04-04. — Т. 28, вып. 8—9. — С. 2405–2429. — ISSN 1572-9710 0960-3115, 1572-9710. — doi:10.1007/s10531-019-01760-5.
  11. Mm Roper, V Gupta. Management-practices and soil biota (англ.) // Soil Research. — 1995. — Vol. 33, iss. 2. — P. 321. — ISSN 1838-675X. — doi:10.1071/SR9950321.
  12. Kate H. Orwin, Bryan A. Stevenson, Simeon J. Smaill, Miko U. F. Kirschbaum, Ian A. Dickie. Effects of climate change on the delivery of soil-mediated ecosystem services within the primary sector in temperate ecosystems: a review and New Zealand case study (англ.) // Global Change Biology. — 2015-08. — Vol. 21, iss. 8. — P. 2844–2860. — doi:10.1111/gcb.12949.
  13. Satyavir Singh Sind, Sita Ram Choudh. Suppression of Rhizoctonia solani Root Rot Disease of Clusterbean (Cyamopsis tetragonoloba) and Plant Growth Promotion by Rhizosphere Bacteria // Plant Pathology Journal. — 2015-02-01. — Т. 14, вып. 2. — С. 48–57. — ISSN 1812-5387. — doi:10.3923/ppj.2015.48.57.
  14. Michael Pester, Christa Schleper, Michael Wagner. The Thaumarchaeota: an emerging view of their phylogeny and ecophysiology // Current Opinion in Microbiology. — 2011-06. — Т. 14, вып. 3. — С. 300–306. — ISSN 1369-5274. — doi:10.1016/j.mib.2011.04.007.
  15. J. A. Fuhrman, J. A. Steele, I. Hewson, M. S. Schwalbach, M. V. Brown. A latitudinal diversity gradient in planktonic marine bacteria // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2008-05-28. — Т. 105, вып. 22. — С. 7774–7778. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0803070105.
  16. Yinon M. Bar-On, Rob Phillips, Ron Milo. The biomass distribution on Earth // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2018-05-21. — Т. 115, вып. 25. — С. 6506–6511. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1711842115.
  17. Ricardo Beiras. Chapter 16 - Biological Tools for Monitoring: Biomarkers and Bioassays (англ.) // Marine Pollution / Ricardo Beiras. — Elsevier, 2018-01-01. — P. 265–291. — ISBN 978-0-12-813736-9. — doi:10.1016/b978-0-12-813736-9.00016-7.
  18. W Stoeckenius. Walsby's square bacterium: fine structure of an orthogonal procaryote. (англ.) // Journal of Bacteriology. — 1981. — Vol. 148, iss. 1. — P. 352–360. — ISSN 1098-5530 0021-9193, 1098-5530. — doi:10.1128/JB.148.1.352-360.1981.
  19. 1 2 Domenico Savio, Lucas Sinclair, Umer Z. Ijaz, Philipp Stadler, Alfred P. Blaschke, Georg H. Reischer. Bacterial diversity along a 2 600 km river continuum (неопр.). dx.doi.org (7 октября 2014). Дата обращения 24 марта 2020.
  20. F.F Reinthaler, J Posch, G Feierl, G Wüst, D Haas. Antibiotic resistance of E. coli in sewage and sludge // Water Research. — 2003-04. — Т. 37, вып. 8. — С. 1685–1690. — ISSN 0043-1354. — doi:10.1016/s0043-1354(02)00569-9.
  21. Caroline S Fortunato, Alexander Eiler, Lydie Herfort, Joseph A Needoba, Tawnya D Peterson. Determining indicator taxa across spatial and seasonal gradients in the Columbia River coastal margin (англ.) // The ISME Journal. — 2013-10. — Vol. 7, iss. 10. — P. 1899–1911. — ISSN 1751-7370 1751-7362, 1751-7370. — doi:10.1038/ismej.2013.79.
  22. Mónica Rosenblueth, Esperanza Martínez-Romero. Bacterial Endophytes and Their Interactions with Hosts // Molecular Plant-Microbe Interactions. — 2006-08. — Т. 19, вып. 8. — С. 827–837. — ISSN 0894-0282. — doi:10.1094/mpmi-19-0827.
  23. Ben Lugtenberg, Faina Kamilova. Plant-Growth-Promoting Rhizobacteria // Annual Review of Microbiology. — 2009-10. — Т. 63, вып. 1. — С. 541–556. — ISSN 1545-3251 0066-4227, 1545-3251. — doi:10.1146/annurev.micro.62.081307.162918.
  24. Feth el Zahar Haichar, Christine Marol, Odile Berge, J Ignacio Rangel-Castro, James I Prosser. Plant host habitat and root exudates shape soil bacterial community structure // The ISME Journal. — 2008-08-28. — Т. 2, вып. 12. — С. 1221–1230. — ISSN 1751-7370 1751-7362, 1751-7370. — doi:10.1038/ismej.2008.80.
  25. Gaston Zolla, Dayakar V. Badri, Matthew G. Bakker, Daniel K. Manter, Jorge M. Vivanco. Soil microbiomes vary in their ability to confer drought tolerance to Arabidopsis (англ.) // Applied Soil Ecology. — 2013-06. — Vol. 68. — P. 1–9. — doi:10.1016/j.apsoil.2013.03.007.
  26. Kevin Panke-Buisse, Angela C Poole, Julia K Goodrich, Ruth E Ley, Jenny Kao-Kniffin. Selection on soil microbiomes reveals reproducible impacts on plant function (англ.) // The ISME Journal. — 2015-04. — Vol. 9, iss. 4. — P. 980–989. — ISSN 1751-7370 1751-7362, 1751-7370. — doi:10.1038/ismej.2014.196.
  27. Susanne Schreiter, Guo-Chun Ding, Holger Heuer, Günter Neumann, Martin Sandmann. Effect of the soil type on the microbiome in the rhizosphere of field-grown lettuce // Frontiers in Microbiology. — 2014-04-08. — Т. 5. — ISSN 1664-302X. — doi:10.3389/fmicb.2014.00144.
  28. Santosh Babu, Ngangom Bidyarani, Preeti Chopra, Dilip Monga, Rishi Kumar. Evaluating microbe-plant interactions and varietal differences for enhancing biocontrol efficacy in root rot disease challenged cotton crop (англ.) // European Journal of Plant Pathology. — 2015-06. — Vol. 142, iss. 2. — P. 345–362. — ISSN 1573-8469 0929-1873, 1573-8469. — doi:10.1007/s10658-015-0619-6.
  29. Günter Brader, Stéphane Compant, Birgit Mitter, Friederike Trognitz, Angela Sessitsch. Metabolic potential of endophytic bacteria (англ.) // Current Opinion in Biotechnology. — 2014-06. — Vol. 27. — P. 30–37. — doi:10.1016/j.copbio.2013.09.012.
  30. J. Pamela Engelberts, Steven J. Robbins, Jasper M. de Goeij, Manuel Aranda, Sara C. Bell. Characterization of a sponge microbiome using an integrative genome-centric approach (англ.) // The ISME Journal. — 2020-01-28. — ISSN 1751-7370 1751-7362, 1751-7370. — doi:10.1038/s41396-020-0591-9.
  31. Delaney L Miller, Audrey J Parish, Irene LG Newton. Transitions and transmission: behavior and physiology as drivers of honey bee-associated microbial communities (англ.) // Current Opinion in Microbiology. — 2019-08-01. — Vol. 50. — P. 1–7. — ISSN 1369-5274. — doi:10.1016/j.mib.2019.08.001.
  32. D. C. Woodhams, L. A. Rollins-Smith, R. A. Alford, M. A. Simon, R. N. Harris. Innate immune defenses of amphibian skin: antimicrobial peptides and more // Animal Conservation. — 2007-11. — Т. 10, вып. 4. — С. 425–428. — ISSN 1469-1795 1367-9430, 1469-1795. — doi:10.1111/j.1469-1795.2007.00150.x.
  33. Holly L. Lutz, S. Tabita Ramírez-Puebla, Lisa Abbo, Amber Durand, Cathleen Schlundt, Neil Gottel. A simple microbiome in the European common cuttlefish, Sepia officinalis (неопр.). dx.doi.org (11 октября 2018). Дата обращения 6 апреля 2020.
  34. Stéphane Hacquard, Ruben Garrido-Oter, Antonio González, Stijn Spaepen, Gail Ackermann. Microbiota and Host Nutrition across Plant and Animal Kingdoms (англ.) // Cell Host & Microbe. — 2015-05. — Vol. 17, iss. 5. — P. 603–616. — doi:10.1016/j.chom.2015.04.009.
  35. Heather L. Eisthen, Kevin R. Theis. Animal–microbe interactions and the evolution of nervous systems // Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. — 2016-01-05. — Т. 371, вып. 1685. — ISSN 0962-8436. — doi:10.1098/rstb.2015.0052.
  36. Margaret McFall-Ngai, Michael G. Hadfield, Thomas C. G. Bosch, Hannah V. Carey, Tomislav Domazet-Lošo. Animals in a bacterial world, a new imperative for the life sciences (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2013-02-26. — Vol. 110, iss. 9. — P. 3229. — doi:10.1073/pnas.1218525110.
  37. Paul Baumann. Biology bacteriocyte-associated endosymbionts of plant sap-sucking insects // Annual Review of Microbiology. — 2005. — Т. 59. — С. 155–189. — ISSN 0066-4227. — doi:10.1146/annurev.micro.59.030804.121041.
  38. Jialei Xie, Igor Vilchez, Mariana Mateos. Spiroplasma Bacteria Enhance Survival of Drosophila hydei Attacked by the Parasitic Wasp Leptopilina heterotoma // PLoS ONE. — 2010-08-13. — Т. 5, вып. 8. — С. e12149. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0012149.
  39. Duccio Medini, Claudio Donati, Hervé Tettelin, Vega Masignani, Rino Rappuoli. The microbial pan-genome (англ.) // Current Opinion in Genetics & Development. — 2005-12. — Vol. 15, iss. 6. — P. 589–594. — doi:10.1016/j.gde.2005.09.006.
  40. J. G. Caporaso, C. L. Lauber, W. A. Walters, D. Berg-Lyons, C. A. Lozupone. Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions of sequences per sample // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2010-06-03. — Т. 108, вып. Supplement_1. — С. 4516–4522. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1000080107.
  41. T. Prakash, T. D. Taylor. Functional assignment of metagenomic data: challenges and applications // Briefings in Bioinformatics. — 2012-07-06. — Т. 13, вып. 6. — С. 711–727. — ISSN 1477-4054 1467-5463, 1477-4054. — doi:10.1093/bib/bbs033.
  42. Pierre-Alain Maron, Lionel Ranjard, Christophe Mougel, Philippe Lemanceau. Metaproteomics: A New Approach for Studying Functional Microbial Ecology (англ.) // Microbial Ecology. — 2007-05-04. — Vol. 53, iss. 3. — P. 486–493. — ISSN 1432-184X 0095-3628, 1432-184X. — doi:10.1007/s00248-006-9196-8.
  43. Yanmei Shi, Gene W. Tyson, Edward F. DeLong. Metatranscriptomics reveals unique microbial small RNAs in the ocean’s water column (англ.) // Nature. — 2009-05. — Vol. 459, iss. 7244. — P. 266–269. — ISSN 1476-4687 0028-0836, 1476-4687. — doi:10.1038/nature08055.
  44. Kastman et al. Biotic Interactions Shape the Ecological Distributions of Staphylococcus Species // mBio. — 2016.
  45. Casey M Cosetta, Benjamin E Wolfe. Causes and consequences of biotic interactions within microbiomes (англ.) // Current Opinion in Microbiology. — 2019-08-01. — Vol. 50. — P. 35–41. — ISSN 1369-5274. — doi:10.1016/j.mib.2019.09.004.
  46. Richard E Lenski. Experimental evolution and the dynamics of adaptation and genome evolution in microbial populations // The ISME Journal. — 2017-05-16. — Т. 11, вып. 10. — С. 2181–2194. — ISSN 1751-7370 1751-7362, 1751-7370. — doi:10.1038/ismej.2017.69.
  47. James P. J. Hall, Ellie Harrison, Michael A. Brockhurst. Competitive species interactions constrain abiotic adaptation in a bacterial soil community // Evolution Letters. — 2018-09-25. — Т. 2, вып. 6. — С. 580–589. — ISSN 2056-3744. — doi:10.1002/evl3.83.
  48. Quan-Guo Zhang, Richard J. Ellis, H. Charles J. Godfray. THE EFFECT OF A COMPETITOR ON A MODEL ADAPTIVE RADIATION // Evolution. — 2012-01-23. — Т. 66, вып. 6. — С. 1985–1990. — ISSN 0014-3820. — doi:10.1111/j.1558-5646.2011.01559.x.
  49. John P. McCutcheon, Carol D. von Dohlen. An Interdependent Metabolic Patchwork in the Nested Symbiosis of Mealybugs // Current Biology. — 2011-08. — Т. 21, вып. 16. — С. 1366–1372. — ISSN 0960-9822. — doi:10.1016/j.cub.2011.06.051.
  50. Susan M. Huse, Yuzhen Ye, Yanjiao Zhou, Anthony A. Fodor. A Core Human Microbiome as Viewed through 16S rRNA Sequence Clusters // PLoS ONE. — 2012-06-13. — Т. 7, вып. 6. — С. e34242. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0034242.
  51. ↑ Human Microbiome Project, HMP (неопр.).
  52. Susan M. Huse, Yuzhen Ye, Yanjiao Zhou, Anthony A. Fodor. A Core Human Microbiome as Viewed through 16S rRNA Sequence Clusters (англ.) // PLOS ONE. — 2012. — Vol. 7, iss. 6. — P. e34242. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0034242.
  53. Ситкин, С. И., Ткаченко, Е. И., Вахитов, Т. Я. Филометаболическое ядро микробиоты кишечника // Альманах клинической медицины. — 2015). — № 40. — С. 12—34. — doi:10.18786/2072-0505-2015-40-12-34.
  54. Diana R. Nemergut, Elizabeth K. Costello, Micah Hamady, Catherine Lozupone, Lin Jiang. Global patterns in the biogeography of bacterial taxa // Environmental Microbiology. — 2010-08-01. — Т. 13, вып. 1. — С. 135–144. — ISSN 1462-2912. — doi:10.1111/j.1462-2920.2010.02315.x.
  55. Travis Whitfill, Julia Oh. Recoding the metagenome: microbiome engineering in situ (англ.) // Current Opinion in Microbiology. — 2019-08-01. — Vol. 50. — P. 28–34. — ISSN 1369-5274. — doi:10.1016/j.mib.2019.09.005.
  56. Wenjia Hui, Ting Li, Weidong Liu, Chunyan Zhou, Feng Gao. Fecal microbiota transplantation for treatment of recurrent C. difficile infection: An updated randomized controlled trial meta-analysis // PLOS ONE. — 2019-01-23. — Т. 14, вып. 1. — С. e0210016. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0210016.
  57. Luciano Adorini. Faculty of 1000 evaluation for Precision microbiome reconstitution restores bile acid mediated resistance to Clostridium difficile. (неопр.). F1000 - Post-publication peer review of the biomedical literature (29 ноября 2014). Дата обращения 24 марта 2020.
  58. David Bikard, Chad W Euler, Wenyan Jiang, Philip M Nussenzweig, Gregory W Goldberg. Exploiting CRISPR-Cas nucleases to produce sequence-specific antimicrobials (англ.) // Nature Biotechnology. — 2014-11. — Vol. 32, iss. 11. — P. 1146–1150. — ISSN 1546-1696 1087-0156, 1546-1696. — doi:10.1038/nbt.3043.
  59. Jack A. Gilbert, Folker Meyer, Dion Antonopoulos, Pavan Balaji, C. Titus Brown. Meeting Report: The Terabase Metagenomics Workshop and the Vision of an Earth Microbiome Project (англ.) // Standards in Genomic Sciences. — 2010. — Vol. 3, iss. 3. — P. 243–248. — ISSN 1944-3277. — doi:10.4056/sigs.1433550.
  60. Jack A Gilbert, Ronald O'Dor, Nicholas King, Timothy M Vogel. The importance of metagenomic surveys to microbial ecology: or why Darwin would have been a metagenomic scientist (англ.) // Microbial Informatics and Experimentation. — 2011-12. — Vol. 1, iss. 1. — P. 5. — ISSN 2042-5783. — doi:10.1186/2042-5783-1-5.

ru.wikipedia.org

Химический состав микробов — Студопедия

Клетки микробов состоят из воды, белков, углеводов, жиров и минеральных веществ.

Вода является основным по содержанию компонентом бактериальной клетки (до 80—90%). Она находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение и связана с другими компонентами клетки. Свободная вода необходима бактериальной клетке для осуществления биохимических процессов. Она является универсальной дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллоидов. Высушивание — удаление воды из клетки — ведет к замедлению жизненных процессов.

Белки составляют 40—80% сухой массы бактерий, большая часть которых представляет собой сложные белки — нуклеопротеиды, хромопротеиды. Бактерии могут содержать до 2000 различных белков, составляющих структуру клетки и участвующих в метаболических реакциях. Количественное и качественное разнообразие белковых соединений придает бактериям видовую специфичность, определяет отношение к окрашиванию, обеспечивает вирулентность, токсигенность, антигенные и иммуногенные свойства. Большая часть белков выполняет ферментативные функции клетки.

Нуклеиновые кислоты в бактериях выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения: молекула ДНК (нуклеоид) обеспечивает наследственные свойства, рибонуклеиновые кислоты (информационная, транспортная и рибосомальная) выполняют соответствующие функции. На долю последней приходится около 80% всей бактериалыюй РНК.


Углеводы в бактериальной клетке находятся в виде простых веществ (моно- и дисахариды) и комплексных соединений. Полисахариды выполняют пластическую функцию, входя в структуру клетки; играют основную роль в обеспечении энергией процессов клеточного метаболизма. Часть внутриклеточных полисахаридов — крахмал, гликоген и др. — являются запасными питательными веществами.

Липиды являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. В некоторых бактериях они выполняют роль запасных питательных веществ.

Колебания содержания липидов в бактериях очень велики — от 1,5 до 40% — и связаны с видовой принадлежностью. Количество липидов зависит и от физиологического состояния клетки, от возраста культур. Наиболее богаты липидами микобактсрии туберкулеза — до 40%. Бактериальные липиды представлены в основном фосфолипидами, жирными кислотами, глицеридами.


Органические вещества бактерий не находятся в клетке в виде отдельных компонентов, а представляют собой сложные соединения с большой молекулярной массой.

Минеральные вещества — фосфор, калий, магний, сера, железо, кальций, йод, цинк, молибден и др. — входят в состав различных клеточных структур бактерий. Они необходимы для регулирования осмотического давления, рН, окислительно-восстановительного потенциала, для активации ферментов. Общее содержание минеральных веществ составляет от 2 до 30% сухой массы бактериальной клетки.

В практических бактериологических лабораториях широко применяют микро- и экспресс-методы для ориентировочного изучения биохимических свойств микроорганизмов. Для этой цели существует множество тест-систем. Наиболее часто используют систему индикаторных бумаг (СИБ). СИБы представляют из себя диски фильтровальной бумаги, пропитанные растворами сахаров или других субстратов в сочетании с индикаторами. Такие диски опускают в пробирку с выросшей в жидкой питательной среде культурой. По изменению цвета диска с субстратом судят о работе фермента. Микро-тест системы для изучения идентификации энтеробактерий представлены одноразовыми пластиковыми контейнерами со средами, содержащими различные субстраты, с добавлением индикаторов. Посев чистой культуры микроорганизмов в такие тест-системы позволяет быстро выявить способность бактерий утилизировать цитраты, глюкозу, сахарозу, выделять аммиак, индол, разлагать мочевину, лизин, фенилаланин и т.д.

studopedia.ru

Микробиота. История изучения и методы исследования / «Атлас» corporate blog / Habr

Мы получили много комментариев к последней статье и решили с Атласом дополнить серию материалом о том, какие еще есть методы изучения микробиоты. В конце статьи добавили, что нужно помнить об исследованиях бактерий кишечника на сегодняшний день, чтобы они не навредили вашему здоровью.


Автор иллюстраций Rentonorama

С чего началось изучение микробиоты


Микробиоту кишечника называют новым органом в теле человека. О других органах мы более или менее знали давно, но о том, что бактерии выполняют важные для человека функции, стало известно только в конце XX века. Началось изучение микробиоты еще в XVII веке. Создатель микроскопа и «отец микробиологии» Антони Ван Левенгук впервые рассмотрел и описал бактерии полости рта и фекалий.

В 1828 году Кристиан Эренберг вводит новый термин Bacterium. В тот момент он изучал кишечную палочку (Escherichia coli) — вид бактерий без спор. Для спорообразующих бактерий Кристиан придумал термин Bacillus. Этот вид бактерий активно изучал Роберт Кох. Он же выявил взаимосвязь между патогенными представителями этого рода и заболеваниями, такими как сибирская язва и туберкулез.

Уже в XIX веке исследователям было понятно, что здоровье человека тесно связано с бактериями. Однако полноценно изучать микробиоту стало возможно после открытия технологии секвенирования генов Фредериком Сенгером. В чашках Петри способны жить и расти далеко не все виды, поэтому подробно классифицировать и определить функции бактерий было сложно.

Одновременно с развитием технологий в 70-х годах микробиолог Карл Вёзе предложил классифицировать микроорганизмы на основе секвенирования молекулы 16s рРНК, по которой удобно сверять нуклеотидные последовательности и определять степень родства. По данным анализа Карл разделил все микроорганизмы на археи, бактерии и эукариоты. Эта классификация используется и сейчас.

Эукариоты отличаются наличием ядра, а у бактерий и архей его нет. Археи — это простые одноклеточные микроорганизмы, которые живут в экстремальных условиях (в гейзерах, на дне морей и океанов). А еще они самые древние: археи существуют на Земле примерно 4 миллиарда лет. Также среди них нет паразитарных и патогенных микроорганизмов, а среди бактерий есть, хотя не так много как нам кажется — около 1%.

В кишечнике человека археи производят метан. Также чем их больше, тем ниже риск ожирения, но причинно-следственная связь остается неясной. Археи есть далеко не у всех и редко выходят за пределы 1–2%.

Бактерии живут в самых разных средах и мы контактируем с ними намного больше, чем с археями. Они отличаются рядом функций. Например, бактерии могут разрывать молекулы углеводов и производить жирные кислоты, а археи — нет.

Как изучают микробиоту


Перед тем как погружаться в исследования, давайте сначала освежим знания о работе ДНК, РНК и синтезе белка.

Для правильной работы организму нужны белки. Тканям кожи, чтобы поддерживать защитную функцию, — требуются одни; клеткам глаз, чтобы орган работал правильно, — другие. Иногда разным клеткам и тканям требуется один и тот же белок. Чтобы создавать белки, клетки используют ДНК как инструкцию.

Сначала определяется участок, в котором содержится нужная информация. Двуспиральная ДНК разматывается и копируется только одна ее сторона. Затем ДНК сматывается обратно, а копию ее одной стороны (РНК) подхватывает рибосома. Она считывает последовательность и строит по ней цепочку аминокислот, которая потом приобретает форму и становится белком.

Это можно сравнить с готовкой по старинной книге рецептов. Сначала мы выписываем рецепт, чтобы не использовать лишний раз хрупкую, но ценную книгу. Далее по рецепту мы соединяем разные продукты, как рибосома аминокислоты, чтобы получить готовое блюдо. Для клетки блюдо — белок, который она использует дальше для своих нужд. Кроме белка микроорганизмы производят другие соединения, например жирные кислоты, которые считаются метаболитами.

Для изучения микроорганизмов в основном используют четыре подхода: метагеномное — исследование ДНК, метатранскриптомное — изучение РНК, метапротеомика — изучение белков, метаболомика — изучение метаболитов.

Метагеномное секвенирование


Метагеном — набор генов всех организмов в изучаемой среде. Суть такого анализа в секвенировании гена 16s рРНК, который отвечает за работу рибосомальной РНК, или в секвенировании всей ДНК. Такое исследование отвечает на вопросы «какие организмы находятся в образце и какие функции они потенциально выполняют?» Подробно об этой технологии мы рассказывали в предыдущей статье, так как на ней строится тест «Генетика микробиоты».

Обычно под исследованием микробиоты имеют в виду именно этот тип анализа, потому что его первым стали масштабно использовать для изучения бактерий. После появления технологии секвенирования ДНК ученые запустили глобальный проект по изучению почв, морей, горячих источников. Благодаря метагеномному анализу, база данных микроорганизмов росла в геометрической прогрессии. Секвенирование позволяет изучать бактерии в естественной среде, тогда как в лабораторных условиях многие из них погибают.

В 2007 году исследователи США начали проект по изучению микробиома тела человека Human Microbiome Project. Он стал толчком к масштабному изучению состава бактерий кишечника на основе метагеномных данных. Вслед за HMP в Европе в 2008 году запустили похожий проект по изучению микробиоты человека — MetaHit.

Суть метагеномных исследований в том, чтобы понять, какие микроорганизмы живут в образце, сколько их там и какие функции они выполняют. Анализ не позволяет напрямую оценить, какие соединения производит сообщество бактерий. Однако, благодаря множеству метагеномных исследований, мы можем прогнозировать это опосредованно. Например, если у человека больше бактерий-производителей масляной кислоты — его микробиота, вероятно, хорошо ее вырабатывает.

Метагеномные исследования получили широкое распространение потому, что их проще провести в сравнении с другими методами. Для изучения РНК, белков и метаболитов требуется сложная очистка образцов и более трудоемкие анализы.

По метагеномным данным мы имеем больше всего результатов. Это наглядно видно по базе всех научных статей и клинических исследований PubMed. Поиск по запросу metagenomic microbiome выдает около 4500 различных статей, запрос metatranscriptomic microbiome — всего 225, metaproteomic microbiome — 100, metabolomic microbiome — 1600.

Метатранскриптомное секвенирование


Транскриптом — совокупность всех молекул матричной РНК (мРНК), которые синтезирует одна клетка или группа микроорганизмов. При метатранскриптомном анализе изучают непосредственно РНК, а не ген, который ее кодирует.

Бывает так, что бактерия есть, но она никак не участвует в жизни микробного сообщества: у нее есть неактивные гены, которые не копируются молекулой РНК. Метатранскриптомные исследования позволяют оценить именно активную часть микробиоты. Однако молекула РНК не так стабильна, как ДНК, и быстро распадается. Поэтому выделить и сохранить ее для анализов сложнее и дороже.

Часто транскриптомные исследования используют для изучения определенных функций генов. В таком случае результаты исследования РНК сверяют с метагеномными данными. Так ученые получают более полную информацию о работе микроорганизмов. Метатранскриптомные исследования микробиома могут быть полезны, чтобы более точно определить потенциал к синтезу различных метаболитов.

Метапротеомика


При таком подходе изучаются все белки, которые находятся в образце. Метапротеомика дает информацию о структуре, функциях и динамике микробного сообщества. Ученые узнают больше о том, как организмы взаимодействуют друг с другом, соревнуются за питание, производят метаболиты.

Сначала из образца выделяют белки. Часто для этого используют жидкостную хроматографию. Затем проводят дополнительный анализ для определения молекулярной массы — масс-спектрометрию. Так мы получаем информацию о фрагментах белка (пептидах), но не о белке целиком. Чтобы собрать осколки в единое целое, используется специальные программы, и ученые получают готовые данные.

Метопротеомика в настоящий момент менее популярна, чем исследование ДНК и РНК. Это связано со сложностью проведения исследований и высокой вероятностью ошибки. В образце может быть много белков человека или еды. Однако метапротеомика может помочь ученым пролить свет на взаимодействия между бактериями и нарушения работы микробиоты у людей с заболеваниями.

Метаболомика


При таком типе анализа исследуются метаболиты — вещества, которые бактерии производят. Это могут быть аминокислоты, липиды, сахара, жирные кислоты (в том числе масляная) и другие соединения. Сейчас описано около 40 000 метаболитов тела человека, и все они зафиксированы в большой базе данных.

В качестве образца для исследования метаболитов можно использовать любую жидкость из тела человека: кровь, слюну, мочу, кишечный лаваж (смыв) и даже спинномозговую жидкость. В среднем в плазме крови содержится около 4200 метаболитов, в моче — 3000, спинномозговой жидкости — 500, а слюне — 400. Однако для исследования микробиоты в качестве биоматериала используют лаваж.

Процедура исследования метаболитов похожа на анализ белков. С помощью той же жидкостной или газовой хроматографии сначала метаболиты выделяют, а затем измеряют их молекулярную массу с помощью масс-спектрометра.

Исследование метаболитов имеет свои ограничения. Например, на основе этого исследования мы не можем узнать точно, какие метаболиты выделяет именно микробиота кишечника, а какие мы получили с пищей.

Также по нему невозможно подсчитать, сколько тех или иных бактерий содержится в микробиоте. Поэтому для более полной картины данные по метаболитам сопровождаются результатами метагеномных анализов. Такой подход иногда используют, чтобы изучить, как микробиота и ее метаболиты участвуют в развитии заболеваний.

Что нужно запомнить


Пока ни один метод исследования микробиоты не используется в регулярной клинической практике. Иногда для полной картины врач может порекомендовать провести именно метагеномное исследование микробиоты, чтобы оценить состав бактерий кишечника.

Мы предупреждаем пользователей, что тест «Генетика микробиоты» подходит только в образовательных целях и разработан для здоровых людей, которым интересно познакомиться со своими бактериями. Если человек болен, то он сможет узнать состав бактерий, но рекомендации в этом случае будут не актуальны. Микробиота людей с заболеваниями сильно отличается, и для них «нормальный» профиль будет другим.

Мы не советуем проводить исследование детям, потому что по их микробиоте данных намного меньше. А лишнее вмешательство и ограничение рациона детей по результатам исследования — потенциально опасно, так как ребенок может недополучать необходимых нутриентов или пострадать от гипердиагностики.

Сегодня жителям России и стран СНГ предлагают исследование метаболитов микробиоты для детей и взрослых по образцу крови или слюны методом газовой хроматографии и масс-спектрометрии. По его результатам, как утверждают разработчики этого метода, можно оценить наличие и отсутствие воспалений в организме.

Однако в международных клинических гайдлайнах нет подобных рекомендаций. Диагностика воспалений и заболеваний должна проводиться методами, которые имеют высокий уровень доказательности, определенную степень чувствительности, низкую вероятность ложноположительных результатов и осложнений гипердиагностики.

Остальные статьи о микробиоте кишечника:

  1. Что это за орган и зачем он нам;
  2. Какие бактерии живут в кишечниках россиян;
  3. Как бактерии кишечника влияют на заболевания
  4. Как заботиться о бактериях кишечника
  5. Как лекарства влияют на состав бактерий кишечника
  6. Как работает тестирование

habr.com

Микробная биомасса | Состав и недостаток микробной биомассы

Микробная биомасса

Производство микробной биомассы призвано возместить острый дефицит пищевого и кормового белка: белок одноклеточных – SCP (single cell protein) – целые высушенные неживые клетки водорослей, бактерий, дрожжей или грибов, предназначенных для корма животным и в некоторых случаях как добавка в пищу людям.

В мире ежегодно производится 2 млн т SCP. Главное пользование SCP – белковая добавка к кормам.

Микробная биомасса – хорошая белковая добавка для животных с однокамерным желудком и жвачных, а также для домашних животных, птиц и рыб. Производство микробной биомассы особенно важно для стран, не культивирующих в больших масштабах сою. Если в качестве белковых добавок использовать микробные препараты, то сою и рыбу можно в большей степени употреблять в пищу. При получении микробных белковых препаратов учитывают самое важное преимущество микробных систем перед традиционным сельским хозяйством – высокую скорость роста микроорганизмов, клетки которых наполовину состоят из белка.

В табл.3.2 представлен приблизительный состав биомассы различных микроорганизмов и для сравнения состав сои и рыбной муки – традиционных кормовых добавок. В целом микробная масса богата лизином, но бедна серусодержащими аминокислотами и в этом отношении сходна с белками сои. Самое низкое содержание белка в нитчатых грибах, самое высокое – в бактериях. Дрожжи и водоросли занимают промежуточное положение. Метионин – лимитирующая аминокислота во многих микробных препаратах. Но получают синтетический D-метионин, он недорог и может быть добавлен к таким препаратам, чтобы улучшить качество белка. В бактериальном белке наиболее высокое содержание метионина и цистина.

Примерный состав и недостаток микробной биомассы

Общий состав, %ВодорослиНитчатые грибыДрожжиБактерииСояРыбная мука
Белок47-6331-5047-5672-834564
Жир7-202-82-61,5-319
Зола7268618
Лизин2,41,54,24,12,84,7
Метионин+Цистин1,70,81,72,31,32,8
Нуклеиновые кислоты3-89,26-128,16

Недостаток микробной биомассы часто усматривают в высоком содержании нуклеиновых кислот (Особенно РНК), которых в ней гораздо больше, чем в традиционной растительной или животной пище. Известно, что у бактерий, содержащих больше белка, уровень нуклеиновых кислот также выше, чем у других. Но для употребления микробной биомассы в кормах нет необходимости снижать содержание в ней нуклеиновых кислот, поскольку мочевая кислота, возникающая при деградации последних, у всех млекопитающих, кроме человека, под действием уратоксидазы превращается в алантоин, который переходит в мочу.

В недавнем прошлом Россия была единственно страной, производящей микробиологический белок для кормления животных – БВК. Из объема свыше 1 млн т/год 60% продукции выпускалось на основе парафинов нефти, а 40% — на основе гидролизатов древесины. Организация производства белка осуществлялась и с использованием спирта и природного газа. Такие технологические процессы экономически выгодны при отсутствии соевого белка для кормления животных. По содержанию незаменимых аминокислот и витаминов дрожжевая масса не уступает, а иногда даже и превосходит соевые белки. Добавка БВК в корма экономит фуражное зерно (5 т на 1 т БВК) и увеличивает привесы животных.

Подсчитано, что из 1 т углеводородов можно получить 0,5 т белков, и менее 1% перерабатываемой в настоящее время нефти могло бы хватить для компенсации недостатка белка на всей планете. Но имеющиеся запасы н-парафинов в мире ограничены, поэтому интерес ряда стран в последнее десятилетие переключился на другие виды сырья, в частности на метан и метанол.

Метан – самый дешевый вид сырья для производства SCP. Однако метан используют только бактерии, а их культивирование связано с рядом трудностей.
В промышленных масштабах культивируют зеленые микроводоросли родов Chlorella и Scenedesmus  и синтезируемые водоросли (цианобактерии) рода Spirulina. Больше всего изучалась хлорелла, и её используют чаще других микроводорослей в Японии, странах Азии и на Дальнем Востоке.

недостаток хлореллы заключается в неспособности фиксировать молекулярный азот, поэтому для получения SCP приходится вносить аммонийные соли.
У зеленых водорослей клеточная стенка плохо разрушается и содержит необычные жирные кислоты, которые не перевариваются сельскохозяйственными животными.

Для получения SCP предпочтение отдают тем видам, выход белка из биомассы которых составляет более 50%. Микроводоросли обычно дефицитны по серусодержащим аминокислотам, а особенно по метиону.

Некоторые микроводоросли отличаются высоким содержанием белка, хорошим вкусом и с незапамятных времен употреблялись в пищу. Спирулина (циано–бактерии Spirulina sp.) – подвижные нитчатые цианобактерии широко распространены в щелочных, водах озера Чад и других африканских озер.

Спирулина хорошо переваривается, имеет приятный аромат и может содержать до 70% белка отличного качества. В ней мало нуклеиновых кислон (4%), много витамина B12 и других витаминов и микроэлементов. Мукопротеиновая оболочка хорошо переваривается в отличие от целлюлозной клеточной стенки многих других питательных водорослей.

Спирулина совершенно не токсична. Ее липиды включают холестерин. Все это делает спирулину не только питательным, но и диетическим продуктом для лиц, страдающих болезнями сердца и ожирением. Вера в исключительную полезность спирулины особенно распространена на Востоке. Большой завод по производству спирулины работает в Мехико.

Высокой питательной ценностью обладают также микроводоросли Scenedesmus, которые дали положительные результаты при испытании на плохо питающихся детях. В ФРГ имеется промышленное производство по выпуску селенных водорослей Scenedesmus. Добавление их в пищу не должно превышать 20 г биомассы в сутки. Крупные установки по производству хлореллы (1500 т/год) работают в Японии.

Как добавку в пищу людям в Японии используют дрожжи Candida, вращенные на мелассных средах.

Промышленное освоение новых технологий производства белковых продуктов из растительного сырья сегодня – одно из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия и инструмент совершенствования структуры питания населения. Из известных растительных источников пищевого белка наибольшее распространение получили продукты и ингридиенты из семян сои.

Известно, что в сое может содержаться до 40% белка и 20% масла. Соевые белки – самые полноценные растительные белки, включающие все незаменимые аминокислоты, а по лечебно-профилактическим свойствам им нет равных. При этом себестоимость белков сои по сырью в 27 раз ниже по сравнению с белками животного происхождения. Соя является важным фактором для сбалансированного развития АПК. Применяя соевые белки при существующем поголовье скота, можно удвоить производство мяса и молока. Соя, как культура, рентабельна даже при урожае 5 ц/га, а реальная ее урожайность 20-25 ц/га. Именно с учетом этих обстоятельств строится соевая политика во всем мире, а теперь и в нашей стране. Вот почему развитие соеводства – это создание качественно новых условий в борьбе с бедностью, за оздоровление нации.

В решении проблемы дефицита белка за последние два десятилетия определилось новое биотехнологическое направление — получение пищевых объектов с повышенным содержанием и улучшенным качеством белка методами генетической инженерии.

 

food-chem.ru

Изучение микробиологического состава напитка «Исток ЭМ»

Г.Х. Селектор,
зам. Руководителя ПО «ЭМ – Кооперация – Казань», Н.И. Глушко, зав. лабораторией по разработке аллергенов, Л.Т. Баязитова, зав. микробиологической лабораторией Казанского НИИ эпидемиологии и микробиологии, г. Казань.

С 1.02.03 по 20.05.03 г. в Казанском НИИ эпидемиологии и микробиологии выполнялась работа по изучению микробиологического состава четырех вариантов напитка «Исток ЭМ», приготовленного на основе концентрата молочнокислого напитка «Курунга».

Методы исследований

В работе использовали микробиологические и микологические методы исследования. Для культивирования бактерий использовали следующие среды:

1) Кровяной мясопептонный агар (5%)

2) Среда Эндо

3) Среда Эндо с добавлением крови

4) Среда Сабуро

5) Желточно-солевой агар

6) Тиогликолевый бульон

7) Бифидум-среда

8) Молочная среда

Бактериологический анализ проводился с цельными образцами и в разведениях от 10-1 до 10-5 степени с высевом на питательные среды (с каждого разведения).

Для выявления и дифференциации дрожжеподобных грибов использовали следующие среды:

1) Среда Сабуро

2) Среда Сабуро с добавлением антибиотиков

3) Среда Чапека

4) Среда Городковой для выявления аскоспор

5) Среды с сахарами для ассимиляции и ферментации углеводов: с ахароза, глюкоза, мальтоза, галактоза, лактоза.

Выращивание и дифференциацию микроорганизмов, а также учет результатов проводили общепринятыми микробиологическими методами.

Результаты работы

Для исследования были предложены 4 варианта (с двумя подвидами) готовых напитков «Исток ЭМ» (таблица 1), а также сухой исходный препарат «Курунга» и полупродукт - молочная сыворотка для закваски.

Во всех предложенных вариантах не было обнаружено патогенных грибов и бактерий.

В исходной закваске «Курунга» обнаружен интенсивный рост неферментирующих газообразующих бактерий (НФ ГОБ), рост бифидум- и лактобактерий при посеве в разведении от 10-1 до 10-10 степени - слабый. Обнаружено 4 вида дрожжеподобных грибов в концентрациях 102- 103 КОЕ/мл. Следует отметить, что для оживления бифидум- и лактобактерий из сухой закваски необходимо продолжительное время - до 5 суток, что говорит о слабой жизнеспособности микроорганизмов в сухом концентрате.

В сыворотке для закваски, приготовленной на цельном молоке из сухого продукта «Курунга», бифидумбактерии обнаружены в количестве > 10- 6 КОЕ/мл, лактобактерии - > 10- 6 КОЕ/мл, НФ ГОБ - до 10- 6 КОЕ/мл.

Дрожжевые грибы выявлены в концентрации 10 6 КОЕ/мл, видовой состав:

  • бродильщики : Saccaharomyces lactis, Torulopsis spp., Kluyveromyces lactis, K. Marxianum;

  • пленочные дрожжи : Pichia spp., Hansenula spp.

    На микробиологический состав предложенных вариантов напитка «Исток ЭМ» прежде всего оказывают влияние условия: наличие доступного кислорода и углеводное питание. В анаэробных условиях (под водным затвором) - вариант 1 - преобладают бактерии и дрожжи-бродильщики, образующие спирт из углеводов и углекислый газ. По мере усиления аэрации (варианты 2,4) увеличивается доля пленочных дрожжей, проводящих процесс окисления спирта до органических кислот, а общее количество бактериальной микрофлоры снижается. Применение сахара (сахарозы) наряду с медом увеличивает относительную долю дрожжей-бродильщиков; такой же эффект оказывает повышение концентрации углеводов в напитке.

    Добавление банана и экстрактов трав к исходному напитку приводит к резкой смене состава микроорганизмов: общее количество бактерий снижается, а дрожжей - увеличивается. Таким образом растительные добавки создают селективные условия для роста дрожжей. Дрожжи-бродильщики представлены в данных вариантах напитка шестью видами ( Saccharomyces lactis, Torulopsis spp., Kluyveromyces lactis, K. Marxianum, а также в случае добавления банана - Saccharomyces штамм 1, Saccharomyces штамм 2), причем два последних, вероятно, являются представителями эпифитной микофлоры банана - тропическими видами.

    Наиболее интересными в составе исследованного напитка нам показались 3 штамма дрожжей-бродильщиков, сбраживающие чистый мед в анаэробных условиях и не способных расти на плотных средах при доступе кислорода. В отличие от обычных дрожжей, легко переходящих от бродильного к окислительному метаболизму, данный вид обладает выраженным и стойким анаэробным метаболизмом. В доступных литературных источниках мы не обнаружили достаточных сведений для идентификации данных штаммов, поэтому мы их обозначили как Saccharomyces spp ., Torulopsis spp ., Kluyveromyces spp . Некоторые биохимические свойства штаммов изложены в таблице 2.

    Таблица 1
    Микробиологический состав напитка «Исток ЭМ»

    № п/п

    Условия получения P>Углеводы, P> г/л

    Виды микроорганизмов (КОЕ/мл)

    Соотношение бактерии : грибы

    Бактерии P>Дрожжи P>

    1.

    Анаэробные

    12 (мед)

    Бифидум> 106, Лактобактерии > 106 НФ ГОБ до 106

    Бродильщики -Kluyveromyces marxianum,

    Saccharomyces lactis, Torulopsis spp. – 102 -104

    Пленочные дрожжи - Pichia spp., Hansenula spp. - 103

    3:1

    2.

    Факультативно Анаэробные

    17 (мед)

    Бифидум> 104, Лактобактерии > 106 НФ ГОБ до 105 P>

    Бродильщики - 103 - 105 (Tomlopsis сandida – 104)

    Пленочные дрожжи - Pichia spp ., Hansenula spp . -103

    1:1

    Факультативно Анаэробные

    17 (мед: сахар 1:1)

    Бифидум > 104, Лактобактерии > 106 НФ ГОБ (+)

    Бродильщики (4 вида) - 103 – 105

    Пленочные дрожжи - единичные клетки P>

    1:1

    3

    Анаэробные с добавлением банана, трав

    12 (мед)

    Бифидум - ед.кол., Лактобактерии P> >103 , НФ ГОБ (+)

    Бродильщики (6 видов) - 103 – 105

    Пленочные дрожжи - Pichia spp ., Hansenula spp – 103

    Бродильщики (3 вида) – 102 – 104 (Torulopsis сandida)

    1:2

    4

    Аэробные

    17 (мед)

    Бифидум - ед.кол , Лактобактерии >102 , НФ ГОБ (+)

    - 102) Пленочные дрожжи - Pichia spp ., Hansenula spp . - 105

    Бродильщики (3 вида)- 103–10 4 (Torulopsis сandida)

    1:2

    То же

    17(мед: сахар)

    Бифидум -ед.кол, Лактобактерии >102 , НФ ГОБ (+)

    - 103 ) , Пленочные дрожжи - Pichia spp, Hansenula spp . - 105

    1:2

    Таблица 2
    Ферментация углеводов анаэробными штаммами дрожжей

    Штамм дрожжей

    Глюкоза

    Галактоза

    Мальтоза

    Лактоза

    Saccharomyces spp .,
    Torulopsis spp.,
    Kluyveromyces spp.

    -
    -
    ±

    +
    +
    ±

    -
    ±
    +

    ++
    +
    ++

    Все изученные виды дрожжей обладают слабой способностью к сбраживанию глюкозы, но активно анаэробно ферментируют галактозу и лактозу, сахара, характерные для молочных продуктов, с образованием газа (СО2) и кислот.

    Интересно, что на агаризованных питательных средах данные штаммы дрожжей способны расти лишь при повышенном содержании углекислоты (>2%). Полученные результаты свидетельствуют о резком отличии в метаболизме данных дрожжей от общепринятых свойств дрожжеподобных организмов. Мы предполагаем, что именно эти дрожжи могут определять уникальные свойства напитка «Исток ЭМ» и являются эндемичными видами рода Torulopsis .

    ВЫВОДЫ:

    1. Во всех образцах напитков и исходной закваске не было обнаружено патогенных грибов и бактерий.

    2. Основной микрофлорой всех образцов напитков являются бифидум-, лактобактерии и неферментирующие газообразующие микроорганизмы, в том числе молочнокислые стрептококки, а также аэробные и анаэробные дрожжеподобные грибы.

    3. На микробиологический состав напитка оказывают влияние условия: наличие доступного кислорода, углеводное питание и наличие растительных добавок.

    РЕКОМЕНДАЦИИ:

    1. Необходима стандартизация исходной закваски «Курунга» по жизнеспособности бифидум- и лактобактерий.

    2. Желательно провести углубленное изучение группы неферментирующих газообразующих бактерий и анаэробных дрожжеподобных грибов с определением их видового состава и биологической значимости.

    3. Для более полного выяснения положительных свойств напитка «Исток ЭМ» требуется идентифицировать, какими микробными метаболитами (антибиотикоподобные вещества, иммуностимуляторы) определяются свойства данного напитка.

  • argo-tema.ru

    Строение бактериальной клетки — Википедия

    Схема строения бактериальной клетки

    Бактериа́льная кле́тка обычно устроена наиболее просто по сравнению с клетками других живых организмов. Бактериальные клетки часто окружает капсула, которая служит защитой от внешней среды. Для многих свободноживущих бактерий характерно наличие жгутиков для передвижения, а также ворсинок.

    Для выведения веществ, в том числе факторов патогенности, в окружающую среду используются системы секреции. Клеточная стенка бактерий обычно содержит пептидогликан. По химическому составу клеточные мембраны бактерий гораздо разнообразнее мембран эукариотических клеток. В отличие от эукариот, бактерии не имеют ограниченного оболочкой ядра и, в большинстве случаев, каких-либо мембранных органелл. Вместе с тем у ряда бактерий имеются клеточные структуры, не имеющие аналогов в двух других доменах.

    Геном бактерий состоит из суперскрученных кольцевых хромосом, связанных с гистонподобными белками, и меньших по размерам молекул ДНК — плазмид. Элементы цитоскелета играют важные роли в делении клеток, защите, поддержании формы и определении полярности у различных прокариот. Бактериальные рибосомы меньше рибосом эукариотического типа, но имеют сходный план строения.

    Риккетсии (красные точки) в клетках млекопитающего

    Как правило, размеры клеток бактерий находятся в пределах от 0,2 до 10 мкм. Существуют, однако, бактерии, видимые невооружённым глазом: клетки бактерии Epulopiscium fishelsoni, обитающей в кишечнике рыбы-хирурга, достигают до 600 мкм в длину и 100 мкм в диаметре, а клетки Thiomargarita namibiensis, населяющей прибрежные воды Намибии, достигает 400—750 мкм в диаметре[1].

    Бактерий, клетки которых составляют менее 0,5 мкм в диаметре, называют нанобактериями, или ультрамикробактериями[en], они даже способны проходить через мембранные фильтры[en]. Среди ультрамикробактерий есть и свободноживущие виды, например, морская бактерия Sphingopyxis alaskensis, и непатогенные эндосимбионты, например, представители рода Holospora, размножающиеся в микро- или макронуклеусе инфузории-туфельки Paramecium caudatum. Многие ультрамикробактерии ведут паразитический образ жизни, в их числе микоплазмы, хламидии и риккетсии. Ультрамикробактерия Bdellovibrio bacteriovorus размножается в периплазматическом пространстве клеток других бактерий и питается продуктами лизиса хозяйской клетки, за что её часто относят к хищным бактериям[2].

    Различные морфотипы бактерий

    Форма бактериальной клетки является диагностическим признаком и применяется в их классификации. Чаще всего бактериальные клетки имеют сферическую (кокки) или палочковидную (бациллы) формы, некоторые имеют форму, промежуточную между сферической и палочковидной, и называются коккобациллами. Многие бактерии имеют нитевидную или извитую форму — в виде запятой (вибрионы), спирали (спириллы[en]) или вытянутую, закрученную наподобие спирали ДНК[en] (спирохеты)[3].

    Часто бактериальные клетки образуют устойчивые сочетания, такие как пары палочек (диплобациллы) или кокков (диплококки), цепочки палочек (стрептобациллы) или кокков (стрептококки), тетрады, пакеты из 4, 8 и более кокков (сарцины), гроздья (стафилококки). Некоторые бактерии образуют розетки, плоские таблички, сети, а также прямые или ветвящиеся трихомы — цепочки плотно примыкающих друг к другу клеток.

    Известны бактерии с клетками весьма необычной формы (например, звёздчатые), некоторые бактерии (Corynebacterium[en]*, Mycobacterium, Nocardia[en]) меняют морфологию в течение жизненного цикла. Актинобактерии формируют мицелий, представители рода Hyphomicrobium образуют гифы с почками[4]. Клетки некоторых бактерий (например, Caulobacter) несут стебельки и прочие придатки[5].

    Две делящиеся клетки Caulobacter crescentus под микроскопом, виды стебельки на одном полюсе клеток и жгутики на противоположном

    В отличие от многоклеточных организмов, у одноклеточных организмов (и бактерий в том числе) рост, то есть увеличение клетки в размерах, и размножение путём деления клеток тесно связаны[6]. Обычно бактериальные клетки делятся на две равноценные дочерние клетки. Сначала клетка удлиняется, в ней образуется поперечная перегородка. На завершающем этапе дочерние клетки расходятся. Отличительной чертой деления бактериальных клеток является непосредственное участие реплицированной ДНК в процессе деления[7]. В связи с тем, что в подавляющем большинстве случаев прокариотические клетки имеют клеточную стенку, бинарное деление сопровождается формированием септы — перегородки между дочерними клетками, которая затем расслаивается посередине. Процесс деления прокариотической клетки подробно изучен на примере E. coli[8].

    В то же время есть примеры неравноценного деления. Например, у грамотрицательной бактерии Caulobacter crescentus[en] одна из дочерних клеток подвижная, у неё есть один жгутик для хемотаксиса. Вторая клетка остаётся прикреплённой к субстрату «стебельком». Подвижные клетки дифференцируются в клетки со стеблем после короткого периода свободного плавания. Репликация хромосом и деление клеток происходят только на стадии прикреплённой клетки[9].

    В оптимальных условиях бактерии растут и делятся очень быстро, описан пример морской псевдомонады, популяция которой может удваиваться каждые 9,8 минуты[10].

    Структурная формула гопена — соединения группы гопаноидов

    Как любая живая клетка, бактериальная клетка окружена мембраной, которая представляет собой липидный бислой (её ещё называют цитоплазматической мембраной). Клеточная мембрана поддерживает осмотический баланс клетки, осуществляет разные виды транспорта, в том числе секрецию белков, задействована в образовании клеточной стенки и биосинтезе внеклеточных полимеров, а также получает регуляторные сигналы из внешней среды. Во многих случаях клеточная мембрана может участвовать в синтезе АТФ за счёт трансмембранного электрохимического градиента (протондвижущей силы). Мембрана бактериальной клетки участвует в репликации и разделении дочерних бактериальных хромосом при делении клетки, а также в передаче ДНК посредством трансдукции или конъюгации[11].

    Помимо липидов, в состав бактериальных мембран входят различные белки. По химическому составу клеточные мембраны бактерий гораздо разнообразнее мембран эукариотических клеток. Мембранные липиды архей представлены ацил[en]- и алкилсодержащими глицеролипидами (в том числе фосфолипидами), а также полиизопреноидами. В отличие от эукариот, меняющих свойства липидного остова мембраны за счёт изменения соотношения между фосфолипидами и холестерином, бактерии изменяют свойства мембраны, варьируя жирные кислоты, входящие в состав липидов. Стероиды обнаруживаются в бактериальных мембранах чрезвычайно редко, и вместо стероидов мембраны содержат гопаноиды, представляющие собой пентациклические[en] углеводороды. Гопаноиды активно участвуют в регуляции физических свойств мембран бактериальных клеток[12].

    Схема строения клеточной стенки грамотрицательной (сверху) и грамположительной (снизу) бактерий. Сверху: 1 — клеточная мембрана, 2 — периплазматическое пространство, 3 — внешняя мембрана, 4 — фосфолипид, 5 — пептидогликан, 6 — липопротеин, 7 — белок, 8 — липополисахарид, 9 — порины. Снизу: 1 — клеточная мембрана, 2 — пептидогликан, 3 — фосфолипид, 4 — белок, 5 — липотейхоевая кислота

    В зависимости от типа строения клеточной стенки бактерии подразделяют на грамположительные и грамотрицательные (названия группам были даны вследствие их разного окрашивания по методу Грама). Большинство бактериальных клеток окружены жёсткой клеточной стенкой, состоящей из полимера пептидогликана, также известного как муреин. Пептидогликан состоит из полисахаридных цепей, скреплённых короткими пептидными сшивками. В большинстве случаев клеточная стенка жизненно необходима для бактерии, поэтому антибиотики, блокирующие её образование (формирование) (например, пенициллин), эффективны против самых разных бактерий. В старых культурах и при несбалансированном росте грамотрицательных бактерий появляются так называемые сферопласты — клетки, лишённые клеточной стенки или имеющие дефекты в ней. Однако, в отличие от протопластов, они взаимодействуют с бактериофагами, размножаются и при благоприятных условиях возвращаются в нормальное состояние. Сферопласты патогенных бактерий называются L-формами, которые получаются в лабораториях в отсутствие клеточной стенки только в изотонических растворах[13][14][15]. Некоторые бактерии, паразитирующие внутри эукариотических клеток, например, микоплазма, не имеют клеточной стенки[16].

    Клеточная стенка механически стабилизирована и противостоит внутреннему давлению (тургорному давлению) бактериальной клетки, которое составляет от 2 до 25 атм[17]. Кроме того, она играет ключевую роль в поддержании формы бактериальной клетки[18]. Через слой пептидогликана, имеющий небольшие отверстия, могут проходить только относительно небольшие молекулы (массой до 50—60 кДа), причём размер проникающих молекул не зависит от толщины слоя пептидогликана. В связи с этим в тех случаях, когда через слой пептидогликана должны пройти большие молекулы, такие как белки жгутиков, пилей и ДНК при конъюгации, специфические гидролазы пептидогликана локально расширяют отверстия для их прохода[17].

    Химическое строение[править | править код]

    Упрощённая схема строения пептидогликана

    Гликановые цепи пептидогликана обычно состоят из повторяющегося дисахарида N-Ацетилглюкозамин-N-Ацетилмурамовой кислоты (NAG-NAM). В среднем нить образована 30 дисахаридами, но их количество может варьировать. К NAM присоединяется короткий пептид, состоящий из аминокислот D-глутаминовой кислоты, D-аланина и диаминопимелиновой кислоты (DAP) и синтезируемый вне рибосом. Аминогруппы DAP участвуют в образовании сшивок между полисахаридными цепями пептидогликана. При образовании сшивок последний D-аланин пептида высвобождается. У некоторых бактерий в пептидных мостиках присутствуют другие аминокислоты, а у грамположительных бактерий гликановые нити могут также соединяться с одним или несколькими остатками глицина в пептидных мостиках[19].

    Грамположительные бактерии[править | править код]

    Окрашивание по Граму. Грамположительные кокки окрашены фиолетовым цветом, а грамотрицательные палочки — розовым

    У грамположительных бактерий поверх мембраны есть (от 20 до 50 нм) оболочка из пептидогликана толщиной до 40 молекулярных слоёв[20]. Их положительная окраска по методу Грама связана с тем, что их толстая пептидогликановая клеточная стенка прочно связывает комплекс красителя генцианвиолета[en] с йодом, который не вымывается. Поэтому на препаратах грамположительные бактерии выглядят фиолетовыми (у грамотрицательных бактерий этот комплекс вымывается, и они приобретают цвет второго красителя, например сафранина)[21].

    Кроме пептидогликана, в клеточной стенке грамположительных бактерий имеются тейхоевые кислоты, которые закрепляются на поверхности клетки, образуя связи с пептидогликаном. Липотейхоевые кислоты взаимодействуют с остатками жирных кислот клеточной мембраны. Тейхоевые и липотейхоевые кислоты представляют собой полианионы, состоящие из повторяющихся звеньев в виде фосфорилированных сахаров или остатков глицерина. Фосфатные группы в составе тейхоевых кислот могут быть заменены на глюкоуронат, в результате чего образуются тейхуроновые кислоты. Синтез тейхуроновых кислот запускается при фосфорном голодании. Блокировка синтеза тейхоевых кислот приводит к гибели бактерий, однако конкретные функции этих соединений точно не установлены[22]. Высказываются предположения, что они действуют наподобие пружин, делая возможным растяжение и сжатие клеточной стенки. Кроме того, за счёт своей полианионной природы тейхоевые кислоты прочно связывают ионы магния, поэтому могут выполнять в клетке роль ионообменника[23].

    Поскольку у грамположительных бактерий слой пептидогликана не прикрыт сверху мембраной, перед ними стоит проблема удержания поверхностных белков. В ряде случаев поверхностные белки при помощи специальных ферментов пришиваются к фосфолипидам клеточной мембраны с образованием липопротеинов. Кроме того, поверхностные белки могут закрепляться на поверхности клетки за счёт связывания с пептидогликаном, которое обеспечивается ферментом сортазой[en]. Белки, предназначенные к связыванию с пептидогликаном, несут на N- и C-концах характерные последовательности, например, на N-конце находится сигнальный пептид, благодаря которому белок проходит через клеточную мембрану. Вблизи C-конца находится мотив, распознаваемый сортазой; в него вносится разрыв, после чего белок с отрезанным C-концевым фрагментом ковалентно пришивается к пептидогликану амидной связью[24].

    У микобактерий, нокардий и коринебактерий 30 % вещества клеточной стенки составляют липиды, причём у некоторых микобактерий в ней также образованы воски. Такую обогащённую липидами клеточную стенку иногда называют микомембраной. Микомембрана защищает бактерий от неблагоприятных условий среды и антимикробных препаратов[25]. У бактерий родов Mycobacterium, Nocardia, Corynebacterium, Rhodococcus[en] и Caseobacter в клеточной стенке обнаруживаются миколовые кислоты. Помимо полисахаридов, у ряда патогенных грамположительных бактерий в клеточных стенках присутствуют белки, например, белок А у стафилококков, который служит важным антигеном. Кроме того, с клеточной стенкой временно, перед высвобождением в окружающую среду, связываются энтеротоксины[en][26].

    Грамотрицательные бактерии[править | править код]

    Подробная схема строения клеточной стенки грамотрицательных бактерий

    У грамотрицательных бактерий поверх клеточной мембраны тоже залегает слой пептидогликана, однако он значительно (почти в 40 раз[17]) тоньше, чем у грамположительных бактерий, и прикрыт сверху второй мембраной. Клеточная и наружная мембраны отличаются по химическому составу. Пространство между клеточной и наружной мембранами называется периплазматическим пространством (периплазмой)[27].

    В периплазматическом пространстве находится много разнообразных белков: разрушающие биологические молекулы ферменты, транспортные белки, белки, участвующие в метаболизме, а также шапероны, которые регулируют пространственную структуру других белков, защищают их от протеолиза и нежелательных взаимодействий с другими белками. Например, в периплазме происходит образование дисульфидных мостиков и цис-транс-изомеризация пролина, которая является частью процесса созревания белка. Некоторые шапероны периплазмы участвуют в сборке ворсинок. Если под действием стрессовых условий в периплазме происходит агрегация[en] неуложенных белковых молекул, то активируется система Cpx. Она состоит из белка CpxA, заякоренного в клеточной мембране, и связанного с ним белка CpxP, который обращён в периплазму. CpxP взаимодействует с неуложенными белками и покидает CpxA, который при этом подвергается аутофосфорилированию[en] и далее переносит фосфатную группу на цитоплазматический белок CpxR. Фосфорилированный CpxR запускает экспрессию генов стрессового ответа[28]. По мере роста клетки в периплазматическом пространстве накапливаются продукты метаболизма пептидогликана, которые клетка использует повторно[29].

    Строение липополисахарида

    Наружная мембрана состоит из двух асимметричных слоёв: внутренний слой, обращённый к клетке, состоит из фосфолипидов, а внешний — из липополисахаридов. Внутренний слой почти на 90 % состоит из фосфатидилэтаноламина[13]. Липополисахариды содержат О-полисахарид, коровый полисахарид и остаток липида А[en]. О-полисахарид, как правило, состоит из повторяющихся остатков галактозы, глюкозы, рамнозы и маннозы. Центральный (коровый) полисахарид состоит из N-ацетилглюкозамина, глюкозамина, фосфата, гептозы и кетодезоксиоктоната. Липополисахариды токсичны для животных и являются важнейшими антигенами, активирующими иммунную систему в ответ на бактериальное заражение[30]. Наружная мембрана связана со слоем пептидогликана при помощи липопротеинов, N-концы которых связаны с жирными кислотами и погружены во внешнюю мембрану, а C-концы связаны с пептидогликаном. Во внешней мембране имеются белки-порины[en], а также белки, связанные со сборкой поверхностных структур, конъюгацией и секрецией белковых молекул[31].

    От наружной мембраны могут образовываться так называемые везикулы наружной мембраны, имеющие диаметр от 20 до 500 нм. В отпочковывании везикул принимает участие цитоскелет. Образование везикул может быть вызвано тем, что при росте клетки наружная мембрана увеличивается быстрее пептидогликанового слоя, а может вызываться особыми внешними условиями, например, у Porphyromonas gingivalis[en] образование везикул запускается нехваткой гемина[en]. Стенка везикул состоит из наружной мембраны, и при отпочковывании она может захватывать содержимое периплазмы. Так, у Pseudomonas aeruginosa везикулы наружной мембраны содержат периплазматические ферменты, в числе которых гемолизин, пептидогликан-гидролазы, протеазы, проэластазы, щелочная фосфатаза и фосфолипаза C, а также β-лактамаза, которая позволяет бактериям гидролизовать β-лактамные антибиотики и в периплазме, и во внешней среде. Везикулы наружной мембраны могут также служить для доставки ферментов и фрагмента наружной мембраны к клеткам-мишеням или в необходимый участок внешней среды[32].

    В клетке грамотрицательной бактерии имеется от 200 до 400 зон слипания между наружной и клеточной мембранами, которые называют контактами Байера. В области контактов Байера в пептидогликановом слое имеется крупное отверстие, благодаря чему наружная и клеточная мембраны могут сблизиться вплотную. Адгезию мембран могут обеспечивать компоненты некоторых экспортных комплексов. Контакты Байера могут служить для выделения наружу различных молекул, например, субъединиц пилей, кроме того, к ним прикрепляются некоторые бактериофаги[33].

    Из-за наличия дополнительного барьера проницаемости (наружной мембраны) для достижения необходимого эффекта грамотрицательные бактерии требуют больших концентраций антибиотиков, чем грамположительные бактерии. Наружная мембрана обеспечивает взаимодействия клеток друг с другом, с клетками организма-хозяина (при патогенезе) и с поверхностью субстрата. Она удерживает такие внешние структурные образования, как пили[29].

    У цианобактерий поверх слоя пептидогликана располагается внешняя мембрана, однако с пептидогликаном ковалентно связаны полисахариды, из-за которых, судя по всему, цианобактерии окрашиваются по Граму положительно. Кроме того, наружная мембрана цианобактерий содержит каротиноиды[21].

    Формирование клеточной стенки[править | править код]

    Синтез пептидогликана протекает в несколько этапов. Дисахариды его гликановых цепей синтезируются в цитозоле, начиная с уридин-5-дифосфата[en]-NAM (УДФ-NAM). Синтез пептида начинается на NAM. Он формируется последовательно, присоединение каждой аминокислоты катализируется определённым ферментом. Наконец, пентапептид, связанный с УДФ-NAM, присоединяется к особому липиду клеточной мембраны — бактопренолу[en]. Далее к УДФ-NAM присоединяется NAG, УДФ высвобождается, и всё звено, включающее NAM, NAG и пептид, переворачивается и становится обращённым во внешнюю среду, а не в цитоплазму. Поперечные сшивки образуются с участием ферментов DD-транспептидаз[en] (которые ингибируются пенициллином), которые катализируют реакцию транспептидации, сопровождающуюся высвобождением остатка D-аланина. Образование гликановых цепей катализируют трансгликозилазы, кроме того, имеются бифункциональные ферменты, обладающие и трансгликозилазной, и транспептидазной активностями[19].

    Согласно одной из предложенных моделей, при росте клетки в клеточную стенку сначала добавляются новые нити, и лишь потом происходит разрыв старых связей. У большинства бактерий в клеточной стенке находится множество ферментов автолиза, которые разрушают различные химические связи в пептидогликане[34].

    Под системами секреции у бактерий понимают белковые комплексы, расположенные в клеточной мембране бактерий и служащие для выведения во внешнюю среду различных веществ. В частности, их используют патогенные бактерии для выделения факторов вирулентности[en] (преимущественно белковой природы). На основании состава, структура и действия системы секреции делят на несколько типов. Существует по меньшей мере шесть типов систем секреции, специфичных для грамотрицательных бактерий, четыре типа систем секреции уникальны для грамположительных бактерий, а два типа систем секреции имеются у обеих групп бактерий. Типы бактериальных систем секреции и их основные свойства приведены в таблице ниже[25].

    Система секреции Сигнал секреции Количество этапов секреции Уложен ли субстрат Количество мембран Грам(+) или грам(-)
    Sec N-концевой 1 Нет 1 Обе группы
    Tat N-концевой 1 Да 1 Обе группы
    I тип C-концевой 1 Нет 2 Грам(-)
    II тип N-концевой 2 Да 1 Грам(-)
    III тип N-концевой 1—2 Нет 2—3 Грам(-)
    IV тип C-концевой 1 Нет 2—3 Грам(-)
    V тип N-концевой 2 Нет 1 Грам(-)
    VI тип Неизвестен 1 Неизвестно 2—3 Грам(-)
    SecA2 N-концевой 1 Нет 1 Грам(+)
    Сортазы N-концевой (Sec)
    C-концевой (cws)
    2 Да 1 Грам(+)
    Инжектосомы N-концевой 2 Да 1 Грам(+)
    VII тип C-концевой 1 Да 1—3 Грам(+)

    Капсула[править | править код]

    Клетки Streptococcus pneumoniae с капсулами, визуализированными при помощи Quellung-реакции. Обратите внимание, что две бактерии в верхней части фотографии не имеют капсулы

    У многих бактерий поверх клеточной стенки или внешней мембраны залегает капсула, состоящая из экзополисахаридов[en]. Структурной основой капсулы служат линейные или разветвлённые полигликаны и олипептиды, состоящие из одинаковых или разных мономеров. У непатогенных бактерий капсулы служат для защиты высыхания, например, именно благодаря капсуле цианобактерии рода Nostoc могут расти в пустыне. У патогенных бактерий капсула резко увеличивает вирулентность, так как иммунная система плохо справляется с бактериями, покрытыми капсулой: они плохо связываются с антителами и не поддаются фагоцитированию[35].

    S-слой[править | править код]

    Поверхность некоторых бактерий (как грамположительных, так и грамотрицательных) покрыта S-слоем, состоящим из упорядоченно уложенных белковых субъединиц. У бактерий очень редки случаи, когда S-слой является единственной плотной оболочкой, обычно он сосуществует вместе с пептидогликановой клеточной стенкой. S-слой не играет формообразующей роли и часто утрачивается бактериями, растущими в лабораторных условиях. Сборка S-слоя начинается с того, что его белковые субъединицы секретируются в экзоплазматический компартмент, где они спонтанно агрегируют, связываясь друг с другом гидрофобными, водородными и электростатическими связями. S-слой обеспечивает механическую защиту бактериальной клетки, препятствует попаданию в клетку экзогенных молекул, взаимодействует с бактериофагами. У патогенных бактерий S-слой является важным фактором вирулентности[36].

    Жгутик[править | править код]

    Схема строения бактериального жгутика

    Большинство бактерий подвижны, и их подвижность обеспечивается одним или нескольким жгутиками, которые представляют собой поверхностные белковые структуры. Расположение жгутиков на клетке может быть различным. У монотрихов имеется только один жгутик, у лофотрихов на одном из полюсов клетки находится пучок жгутиков, у амфитрихов на противоположных полюсах клетки находится по одному жгутику, а у перитрихов многочисленные жгутики разбросаны по всей поверхности клетки. Длина жгутика варьирует, но диаметр обычно составляет 20 нм[37].

    Основание бактериального жгутика представлено базальным телом, состоящим из двух (у грамположительных) или четырёх (у грамотрицательных бактерий) белковых колец, стержня и моторных белков. От базального тела отходит крючок, переходящий в , который завершается «шапочкой». Филамент представляет собой жёсткий цилиндр, образованный белком флагеллином. В клеточной мембране находятся кольца M и S, которые часто рассматривают как единое целое. MS-кольцо окружено несколькими моторными белками, которые передают вращающий момент на филамент. У грамотрицательных бактерий, помимо колец M и S, есть ещё два кольца: P, залегающее в пептидогликановом слое, и L, находящееся во внешней мембране. Через все кольца проходит жёсткий стержень, передающий вращающий момент на филамент[38].

    При сборке жгутика сначала в мембране клетки появляется MS-кольцо, к которому прикрепляются моторные белки, далее формируются P- и L-кольца (у грамотрицательных бактерий), крючок и филамент. В такой же последовательности запускается экспрессия генов, кодирующих белки соответствующей части жгутика[39]. Через полое внутреннее пространство базального тела новые флагеллиновые субъединицы поступают к вершине растущего жгутика, где самоорганизуются по спирали. Чтобы субъединицы флагеллина не уходили во внешнюю среду, конец растущего филамента прикрыт «шапочкой», которая не даёт им покинуть жгутик. В среднем зрелый филамент состоит из около 20 тысяч молекул флагеллина, а белки жгутика кодируются более чем 30 генами[40].

    Вероятно, движущей силой вращения жгутика у бактерий является протонный градиент. Поток протонов, проходящий через кольца M и S или между базальным телом и клеточной мембраной, запускает вращение жгутика[41].

    Движение клетки происходит за счёт вращения жгутика по часовой стрелке или против неё. У монотрихов клетка медленно вращается в направлении, противоположном вращению жгутика. Если жгутик вращается по часовой стрелке, то клетка движется жгутиком вперёд, а если против, то клетка выталкивается жгутиком вперёд (то есть движется жгутиком назад). Некоторые бактерии, имеющие единственный жгутик, вращают его только по часовой стрелке, и, чтобы сменить направление движения, им нужно остановиться и переориентироваться. У перитрихов жгутики вращаются против часовой стрелки, и, если нужно сменить направление движения, клетка останавливается и совершает кувырок[41].

    У некоторых бактерий рода Vibrio (в частности, Vibrio parahaemolyticus[en][42]) и некоторых протеобактерий, таких как Aeromonas, имеются две различные жгутиковые системы, белковые компоненты которых кодируются различными наборами генов, а для вращения используются разные ионные градиенты. Полярные жгутики, относящиеся к первой жгутиковой системе, присутствуют постоянно и обеспечивают подвижность в потоке жидкости, а боковые жгутики, относящиеся ко второй жгутиковой системе, экспрессируются только тогда, когда сопротивление окружающей жидкости так велико, что полярные жгутики не могут вращаться. Благодаря этому бактерии могут скользить по различным поверхностям и в вязкой жидкости[43][44][45][46][47][48].

    Пили[править | править код]

    Клетки E. coli с многочисленными пилями

    Пили (также известны как фимбрии или ворсинки) — нитевидные белковые структуры, расположенные на поверхности клеток многих бактерий. Размер пилей варьирует от долей мкм до более чем 20 мкм в длину и 2—11 нм в диаметре. Пили участвуют в передаче генетического материала между бактериальными клетками (конъюгация), прикреплении бактерий к субстрату и другим клеткам, отвечают за адаптацию организмов, служат местами прикрепления многих бактериофагов. Структурно пили могут быть от тонких нитевидных образований до толстых палочкообразных структур с осевыми отверстиями. Пили состоят из одного или нескольких типов спирально уложенных белковых молекул, которые называют пилинами[en] или фимбринами[49]. В образовании пилей, помимо самих белков-пилинов, участвуют дополнительные белки, способствующие правильной сборке. У грамотрицательных бактерий они должны пройти через клеточную мембрану, периплазматическое пространство и наружную мембрану[50].

    Прочие внеклеточные структуры[править | править код]

    Иногда слизистая структура окружает не отдельную клетку, как в случае капсулы, а скопление клеток, и тогда покровную слизистую структуру называют чехлом. Чехлы могут покрывать не только вегетативные клетки, но и другие варианты дифференцированных клеток, например, покоящиеся структуры (цисты, эндоспоры, гетероцисты). Чехлы имеются, например, у внутриклеточных паразитических[en] хламидий и цианобактерий[51].

    У некоторых грамотрицательных бактерий, в частности, цианобактерий, псевдомонад[en], метилотрофных бактерий, имеются особые поверхностные полые белковые структуры — шипы. Шипы представляют собой жёсткие полые конические или конусообразно-цилиндрические структуры, которые прикреплены к наружной мембране. В среднем на клетку приходится 10 шипов. Диаметр шипов составляет 50—100 нм, длина — 0,5—3 мкм. Стенка шипа толщиной около 7 нм образована спирально уложенными молекулами белка спинина. Конусообразно-цилиндрические шипы имеют открытый конец, у конических конец запечатан. Шипы образуются путём самосборки. Их функции неясны, возможно, шипы задействованы в образовании микроколоний, прикреплении к субстратам и клеткам, защите от фаготрофных протистов[52].

    У бактерии Bacillus vesiculiferous, которая живёт в бедном кислородом кишечнике рачков, и некоторых других бактерий имеются так называемые газовые баллоны — крупные структуры, наполненные газом и прикреплённые к поверхности клетки. Они представляют собой сферические, цилиндрические или игольчатые везикулы, стенка которой представлена мембраной толщиной около 2 нм. Вероятно, газовые баллоны служат для запасания кислорода[53].

    У бактерий из типа Фирмикуты, способных к ферментативному разрушению целлюлозы, соответствующие ферменты — целлюлазы — находятся в особой структуре, целлюлосоме, которая находится в экзоплазматическом компартменте. Целлюлосома — очень крупный (от 2 тысяч до 6,5 тысяч кДа) белковый комплекс, состоящий из 14—26 белков. Целлюлосома способствует прикреплению бактерий к субстрату, обеспечивает оптимальное взаимодействие с ним целлюлаз и поступление продуктов гидролиза целлюлозы к поверхности клетки[54].

    У некоторых цианобактерий в экзоплазматическом компартменте формируются кристаллы минералов, например, кальцита (CaCO3)[55].

    Нуклеоид и плазмиды[править | править код]

    Микрофотография бактериальной клетки с нуклеоидом, выделенным зелёной пунктирной линией

    Нуклеоид — зона неправильной формы в цитоплазме прокариотической (в том числе бактериальной) клетки, в которой находится геномная ДНК и ассоциированные с ней белки. На долю ДНК приходится около 60 % массы нуклеоида; помимо ДНК, нуклеоид содержит РНК и белки[56]. В большинстве случаев геном бактерии представлен кольцевой молекулой ДНК[en], которую также называют хромосомой. Как правило, бактериальная хромосома имеет длину около 1 мм, она занимает до 20 % цитоплазмы и имеет объём около 0,2 мкм³. Репликация геномной ДНК начинается от участка инициации (origin of chromosomal replication, oriC), из которого две репликативные вилки движутся в противоположных направлениях и встречаются в сайте терминации (Ter), в котором далее происходит размыкание сцепленных дочерних хромосом[источник не указан 491 день].

    Количество хромосом в бактериальной клетке зависит не только от видовой принадлежности, но и от фазы развития популяции. В качестве бактерий, постоянно имеющих несколько хромосом, можно привести Deinococcus radiodurans (от 4 до 10 хромосом), Borrelia hermsii[en] (от 8 до 16 хромосом), Desulfovibrio gigas (от 9 до 17 хромосом), Azotobacter vinelandii (до 80 хромосом). Молодые клетки обычно содержат больше хромосом, чем старые. Иногда хромосомы представляют не просто копии геномной ДНК: в некоторых случаях геном распределяется между несколькими неодинаковыми хромосомами и внехромосомными элементами (плазмидами). Так, у Agrobacterium tumefaciens, Brucella melitensis

    ru.wikipedia.org

    Микробные фармацевты внутри нас. Человеческий микробиом — спаситель и убийца

    Статья на конкурс «био/мол/текст»: Давно не новость, что микробиом может влиять на многие важнейшие процессы в организме хозяина. Удивительно лишь то, что до сих пор в этом вопросе достаточно белых пятен, одно из которых — это влияние микроорганизмов на биотрансформацию всего, что человек тянет в рот, и не только.

    Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.


    Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.


    Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


    Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.


    «Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

    Известный канадский врач достаточно метко охарактеризовал одну из важнейших проблем, стоящих в медицине: «Если бы пациенты не были такими разными, медицина вполне могла бы быть наукой, а не искусством» [1].

    Уильям Ослер, конечно, ничего не знал о генетике. Но даже в XIX веке было широко известно, что люди очень по-разному реагируют на одни и те же лекарства, которые, к слову, могут быть дорогостоящими и опасными, а иногда — и то, и другое вместе.

    Предполагалось, что расшифровка последовательности трех миллиардов букв, составляющих наш геном, наконец, распутает генетическую основу каждой болезни и позволит учесть бóльшую часть различий между людьми. Но все стало только сложнее. Самым поразительным оказалось то, что генов у человека вовсе не 100 000, а всего лишь около 20 000, причем различия между этими генами не полностью объясняют широкую изменчивость среди людей [2].

    Обитатели нашего кишечника в совокупности кодируют на порядки больше генов, чем весь геном человека. Похоже, это и есть одна из деталей, влияние которой на болезни и действие лекарств мы пока упустили. Все это генетическое разнообразие охватывает богатый набор ферментов, потенциально способных принять участие во многих процессах, в том числе, и в метаболизации лекарств [3].

    Темный лес нашего внутреннего мира

    Наше тело колонизировано триллионами различных микроорганизмов, среди которых встречаются представители более чем тысячи видов, относящихся к бактериям, грибам и даже археям [4]. Большая их часть обосновалась в кишечнике, что создает некоторые трудности для их изучения, но, на первый взгляд, небольшие. Казалось бы, что сложного в том, чтобы взять пробу из кала и культивировать его обитателей на питательной среде?

    Так долгое время и изучали микрофлору. Но с появлением технологии секвенирования — установления последовательности нуклеотидов в ДНК — выяснилось, что те микроорганизмы, которых мы научились культивировать, составляют всего около 7–10% разнообразия всех обитателей нашего кишечника. Бóльшая часть микроорганизмов настолько приспособилась к его специфичным условиям, что моментально гибнет, стоит им лишиться привычного окружения. Внутри нашего тела микроорганизмы образуют сложные многовидовые сообщества, в которых взаимодействуют настолько тесно, что каждый из них может погибнуть без своих соседей. Вот и приходится изучать их по фрагментам ДНК, полученных с калом.

    Метагеномика — это наука об изучении генетического разнообразия микроорганизмов, полученных непосредственно из среды. В данном случае — из кишечника. Она изменила наше понимание микробного мира, позволив обойти необходимость выделять и культивировать отдельные виды, — теперь мы можем судить о никогда ранее не виданных таксонах по последовательностям ДНК, полученным напрямую из микробного сообщества [5].

    Обычно для анализа метагенома используют расшифровку последовательности гена, кодирующего 16S рРНК — молекулу, входящую в состав рибосомы. Часть этого гена очень консервативна, то есть универсальна для огромного числа организмов. Но некоторые его внутренние области варьируют, и с их помощью можно отслеживать пути эволюции.

    Изучение генов микробного сообщества привело к появлению понятия микробиома — совокупности всех генов сообщества микроорганизмов. Микроорганизмы выполняют многие важнейшие функции в нашем организме: расщепление растительных полисахаридов, которые не усваиваются хозяином, биосинтез витаминов и аминокислот, детоксикация ядов, развитие иммунной системы хозяина и многое другое. От них зависят разнообразные процессы, на первый взгляд, никак от микроорганизмов не зависящие, — от нарушений метаболизма до психических заболеваний [6–9].

    В 2008 году группа ученых из США запустила проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project, HMP), чтобы составить перепись населения хотя бы части обитателей нашего организма. Цель проекта — установить особенности взаимодействия хозяина и его симбионтов в норме и при патологических состояниях. Уже расшифровано более трех миллионов генов — это в 150 раз больше, чем все количество генов в нашем геноме [10], [11].

    И все же сегодня фармакогенетика и фармакогеномика [12] нацелены в основном на изучение генома человека, а не совокупности генов микробиоты. Поэтому ее воздействие на метаболизм лекарств остается почти неизученным, хотя открытие такого влияния датируется почти веком [13], [14].

    Как стрептококковую инфекцию лечили красителем

    В истории этого открытия кроется настоящая драма — с нацистами, арестом, больной дочерью и Нобелевской премией, от которой пришлось отказаться. Но обо всем по порядку.

    Немецкий ученый Герхард Домагк исследовал антибактериальный эффект красителей на гемолитических стрептококках — возбудителях рожистого воспаления, родильной горячки и гнилокровия (как тогда называли сепсис).

    Кирпично-красный краситель синтезировали в попытке создать хорошую текстильную краску, родственную анилину. Позже ее назвали пронтозилом.

    Эксперименты с пронтозилом на клетках не показали его антибактериальной активности, однако она уже была отмечена на мышах. Как это возможно? Оказалось, что кишечные микроорганизмы восстанавливают азо-связь пронтозила, превращая его в антибиотик сульфаниламид (рис. 1). Такая модификация влияет на широкий спектр соединений, и лишь недавно мы начали понимать, что биотрансформация лекарств кишечной микрофлорой может иметь куда большее значение, чем казалось ранее.

    Рисунок 1. Краситель пронтозил (а) и продукт его метаболизма кишечной микрофлорой — сульфаниламид (б), обладающий антибактериальными свойствами

    Рисунок 2. Герхард Домагк

    Но тогда об этом ничего известно не было. И надо же было такому случиться, что до каких-либо серьезных испытаний пронтозила Домагку (рис. 2) пришлось его применить — причем применить на собственной дочери. Она уколола палец во время шитья, после чего развилось острое заражение крови. Лучшим вариантом была ампутация, в худшем дочь могла умереть — и Домагк решился дать ей дозу пронтозила. На мышах он показал хороший результат, но ни одного исследования на людях до того момента не проводилось, и нельзя было сказать, какая доза может помочь, а какая — убить. К счастью, все обошлось — дочь Домагка выздоровела, а после этого препарат попал в массовое производство [15].

    Но здесь история не заканчивается. Шел 1939 год, Гитлер запретил своим подданным принимать Нобелевскую премию вскоре после того, как немецкому журналисту присудили премию мира за борьбу с милитаризмом в Германии. Но Домагк не отказался от своей награды, после чего был арестован гестапо. Конечно, вскоре он изменил свое решение, и о премии пришлось забыть. Лишь восемь лет спустя, через два года после окончания войны, он смог получить свой диплом лауреата.

    После этого Герхард Домагк переключился на изучение химиотерапии для лечения рака, а его открытие было забыто на долгие годы. Полученный из красителя антибиотик по-прежнему использовали, но никто не взялся исследовать влияние микробиома на трансформацию химических веществ — в то время для этого попросту не было необходимых технологий.

    Биотрансформация

    Большинство лекарственных средств подвергается в организме биотрансформации — комплексу физико-химических и/или биохимических реакций, в результате которых соединение превращается в метаболит, который из организма вывести легче (рис. 3). Такие метаболиты, как правило, менее активны и менее токсичны, но иногда могут образовываться как более токсичные, так и более активные соединения.

    Рисунок 3. Путь лекарственного средства

    Биотрансформация протекает в основном в печени, однако метаболизм может происходить и в тканях ЖКТ, легких, коже, плазме крови. Разные гены, формирующие ферментативную активность у разных людей, приводят к разному действию одних и тех же лекарств.

    Выводятся лекарственные средства и их метаболиты в основном с мочой и желчью, причем при желчевыведении они могут модифицироваться повторно. Экскреция с желчью дает возможность бактериям еще раз активировать препарат в кишечнике (рис. 4), вызывая повышенную токсичность (пример этого явления — метаболизм иринотекана, широко используемого для лечения колоректального рака [16]).

    Рисунок 4. Кишечно-печеночная циркуляция веществ

    Прямое влияние микробиоты на биотрансформацию

    Микробиота нашего организма (включая кишечную, влагалищную и внутриопухолевую микрофлору) может напрямую метаболизировать ксенобиотики в активные, неактивные или токсичные метаболиты (рис. 5). Она также может косвенно влиять на биотрансформацию через изменение экспрессии генов хозяина.

    Рисунок 5. Влияние микробиоты кишечника на метаболизм лекарств. а — Кишечная микробиота может напрямую метаболизировать лекарства в активные, неактивные или токсичные метаболиты. Помимо этого, продукты ее нормальной жизнедеятельности и модифицированные продукты жизнедеятельности хозяина также могут участвовать в превращениях лекарств. б — До попадания в кровоток и ткани-мишени лекарства, принятые перорально, подвергаются метаболизму в кишечнике и печени.

    Большое значение имеет и скорость поглощения лекарств. Плотность кишечных микроорганизмов увеличивается в подвздошной и толстой кишках, до которых лекарство может и не дойти. Зато метаболиты лекарств могут повторно сталкиваться с кишечной микробиотой после желчевыведения.

    Микробиота кишечника может участвовать в биотрансформации десятков фармацевтических препаратов, меняя их эффективность и/или побочные эффекты.

    Непрямое влияние микробиоты на биотрансформацию

    Некоторые микроорганизмы пропускают лекарства прямо сквозь себя, модифицируя их по пути. Но этим влияние микробиоты не исчерпывается. Еще она способна влиять на экспрессию генов хозяина, то есть на то, как и в каком количестве с гена синтезируется белок.

    Сравнение нормальных мышей и мышей, выращенных в стерильных условиях (отчего в их кишечнике отсутствуют микроорганизмы), показало, что микробиота влияет на экспрессию нескольких генов хозяина, участвующих в метаболизации и транспорте лекарств. Это влияние может быть локальным (в клетках кишечника) и отдаленным, влияющим на орган, чрезвычайно важный при детоксикации — печень [17]. Например, с изменением экспрессии генов в печени метаболизируются барбитураты — группа лекарств, применяемых для наркоза и снижения судорожной активности [18].

    Вывод

    Несмотря на важность проблем, которые приносит непредсказуемая модификация лекарств микроорганизмами, у нас все еще нет возможности ее контролировать или хотя бы полностью предвидеть.

    Авторы исследования, опубликованного в июне 2019 года в Nature, провели тест для оценки влияния 76 штаммов кишечных микроорганизмов человека на 271 препарат (рис. 6) [22].

    Рисунок 6. Изучение метаболизма лекарств кишечной микробиотой. а — Из тестируемых препаратов 65% были метаболизированы тем или иным штаммом. бBacteroides thetaiotaomicron — бактерия, метаболизирующая огромное количество препаратов. Для выявления ферментов, которые она при этом использует, фрагменты ее ДНК, кодирующие определенные белки, переносили в ДНК кишечной палочки, после чего она тоже начинала метаболизировать эти лекарства.

    Лекарства выбрали при этом так, чтобы обеспечить максимальное разнообразие с точки зрения их структуры. В результате оказалось, что из всех препаратов 176 метаболизировались хотя бы одним из штаммов, причем модификации были совершенно разными: окисление, восстановление, ацетилирование и другие. При этом метаболит лекарства не обязательно мог быть только один [3].

    Конечно, важность такого влияния микробиоты потрясает. И тем более удивительно, что знаем мы о нем удручающе мало. Бóльшая часть лекарств назначается перорально, и даже препараты, вводимые инъекционно, могут достигать кишечника, а значит — все они сталкиваются с нашей микрофлорой, и не только кишечной. Регулирование ее численности и состава в соответствии с нашими потребностями — цель, к которой мы стремимся, но между нашим пониманием и способностью применять знания все еще остается большой разрыв.

    Одна из самых острых проблем медицины — нехватка антибиотиков, к которым у бактерий пока еще нет устойчивости. Нам известны тысячи антибиотиков, но применяют из них лишь сотни — остальные слишком токсичны для человека. Но токсичность хотя бы части соединений удастся понизить, если модифицировать их в соответствии с метаболизмом нашей микрофлоры.

    Многие жизненно важные лекарства, не попавшие в практику именно из-за высокой токсичности, могут вернуться на рынок, если принимать их вместе с ингибиторами, нацеленными на микробные ферменты, участвующие в нежелательной биотрансформации. Таким же способом можно повысить эффективность многих лекарств.

    Что и говорить, метаболизм бактерий, влияющий почти на все, чем мы пытаемся себя лечить, мешает даже в уничтожении рака (рис. 7) [19], [23]!

    Рисунок 7. Бактерии могут деактивировать лекарства против рака. а — Авторы проанализировали образцы, выделенные из раковой опухоли поджелудочной железы человека, и обнаружили, что в них содержатся бактерии семейства Enterobacteriaceae. Они несут фермент цитидиндеаминазу, дезактивирующую препарат для химиотерапии — гемцитабин. б — Авторы изучили взаимосвязь между присутствием бактерий рода Enterobacteriaceae и эффективностью препарата. При уничтожении бактерий антибиотиком препарат убивал опухолевые клетки, в противном случае он терял эффективность.

    Процессы биотрансформации, которые осуществляет огромная фабрика ферментов внутри нас — популяция микроорганизмов, — очень сложны и плохо изучены. В настоящее время список лекарств, проверенных на модификацию микрофлорой [20], очень мал, а ведь их тысячи и тысячи. Применение антибиотиков в сочетании с другими лекарствами подвергает пациента риску неожиданного проявления токсичности лекарства или вовсе потери его эффективности. Изучение этого вопроса требует большой работы ученых из разных дисциплин, таких, как фармакология, токсикология, микробиология, молекулярная биология, биоинформатика и аналитическая химия.

    1. The Lancet. (2010). Uncertainty in medicine. The Lancet. 375, 1666;
    2. International Human Genome Sequencing Consortium. (2004). Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature. 431, 931-945;
    3. Michael Zimmermann, Maria Zimmermann-Kogadeeva, Rebekka Wegmann, Andrew L. Goodman. (2019). Mapping human microbiome drug metabolism by gut bacteria and their genes. Nature. 570, 462-467;
    4. Ruth E. Ley, Daniel A. Peterson, Jeffrey I. Gordon. (2006). Ecological and Evolutionary Forces Shaping Microbial Diversity in the Human Intestine. Cell. 124, 837-848;
    5. Rogan Carr, Shai S. Shen-Orr, Elhanan Borenstein. (2013). Reconstructing the Genomic Content of Microbiome Taxa through Shotgun Metagenomic Deconvolution. PLoS Comput Biol. 9, e1003292;
    6. Чего от нас хотят микробы?;
    7. Микробиом кишечника: мир внутри нас;
    8. Новые функции кишечной микрофлоры;
    9. Почему так сложно похудеть, или Влияние кишечной микробиоты на метаболизм;
    10. Jason Lloyd-Price, IBDMDB Investigators, Cesar Arze, Ashwin N. Ananthakrishnan, Melanie Schirmer, et. al.. (2019). Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature. 569, 655-662;
    11. Wenyu Zhou, M. Reza Sailani, Kévin Contrepois, Yanjiao Zhou, Sara Ahadi, et. al.. (2019). Longitudinal multi-omics of host–microbe dynamics in prediabetes. Nature. 569, 663-671;
    12. Фармакогеномика: изучение генов на службе персонализированной медицины;
    13. Ronald Bentley. (2009). Different roads to discovery; Prontosil (hence sulfa drugs) and penicillin (hence β-lactams). J Ind Microbiol Biotechnol. 36, 775-786;
    14. A.T. Fuller. (1937). IS p-AMINOBENZENESULPHONAMIDE THE ACTIVE AGENT IN PRONTOSIL THERAPY ?. The Lancet. 229, 194-198;
    15. Gerhard Domagk — Biographical. (2019). NobelPrize.org;
    16. Lynda R. Wiseman, Anthony Markham. (1996). Irinotecan. Drugs. 52, 606-623;
    17. Ramy K. Aziz, Shaimaa M. Hegazy, Reem Yasser, Mariam R. Rizkallah, Marwa T. ElRakaiby. (2018). Drug pharmacomicrobiomics and toxicomicrobiomics: from scattered reports to systematic studies of drug–microbiome interactions. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology. 14, 1043-1055;
    18. Britta Björkholm, Chek Mei Bok, Annelie Lundin, Joseph Rafter, Martin Lloyd Hibberd, Sven Pettersson. (2009). Intestinal Microbiota Regulate Xenobiotic Metabolism in the Liver. PLoS ONE. 4, e6958;
    19. Christian Jobin. (2017). Bacterial snack attack deactivates a drug. Nature. 550, 337-339;
    20. Peter Spanogiannopoulos, Elizabeth N. Bess, Rachel N. Carmody, Peter J. Turnbaugh. (2016). The microbial pharmacists within us: a metagenomic view of xenobiotic metabolism. Nat Rev Microbiol. 14, 273-287;
    21. Links between gut microbes and depression strengthened. (2019). Nature. 566, 7-7;
    22. Kim Lewis, Philip Strandwitz. (2019). Microbes make metabolic mischief by targeting drugs. Nature. 570, 453-454;
    23. Кишечная микрофлора: третий нелишний в иммунотерапии рака.

    biomolecula.ru


    Смотрите также


    Телефоны:
    Санкт-Петербург
    +7 (921) 442-69-72
    Старая Русса
    +7 (81652) 327-90