1.5 Голодание как основной фактор перехода бактерий в некультивируемое состояние

Одним из основных факторов, способствующих переходу бактерий в НС, является создание стресса голодания или перенесение клеток в голодную среду. Инкубирование в условиях голодания может увеличивать чувствительность клеток к рН среды, температуре, концентрации солей. Так, клетки Vibrio nifnificus, инкубированные в буфере при; пониженной температуре переходили в НС. В то же время при голодании в условиях комнатной температуры поддерживалась довольно высокая жизнеспособность клеток длительное время (Oliver, 1995). Переход в НС клеток Ralstonia solanacearum in vitro индуцирует присутствие в среде ионов меди. Так, в условиях голодания в некультивируемое состояние переходило примерно 20% клеток бактерии, в то время как в среде с концентрацией сульфата меди 5 мкМ – 99,9%, а при концентрации 50 мкМ и 500 мкМ – 100% клеток становились некультивируемыми (Grey, Steck, 2001). Фитопатогенные бактерии родов Erwinia и Xanthomonas также способны к индуцированному переходу в НС под действием тяжелых металлов. При добавлении в среду культивирования хелатирующих агентов (в том числе, гомогенатов растительных тканей), происходит реверсия бактериальных клеток в активнорастущее состояние (Ordax et. al, 2006; Ghezzi, Steck, 1999).

Выживание при голодании имеет несколько важных физиологических характеристик, которые также можно применить для описания других типов стресса. При голодании происходит уменьшение клеток, появление ультрамикроформ (Holmquist, 1993). Это обеспечивает увеличение отношения площади поверхности клетки к ее объему. Кроме того, в условиях субстратного дефицита по источникам фосфора, углерода или азота происходят генетические и физиологические изменения.

Находясь в стрессовом состоянии, микробная популяция может существовать долгое время, характеризуясь при этом измененным химическим составом биомассы: как правило, сниженным содержанием белка, РНК и, наоборот, повышенным количеством запасных веществ: липидов, полисахаридов, гликогена. После сигнала о наличии стресса начинается изменение регуляции некоторых генов (Hengge-Aronis, 2002). Было показано, что в начале голодания в клетке резко усиливается метаболизм. Может начаться синтез специфических ферментов или различных защитных соединений. Например, в ответ на окислительный стресс активизируется синтез каталазы и супероксиддисмутазы. Также может начаться синтез низкомолекулярных осмопротектантов, таких как трегалоза и бетаин. При исследовании выживаемости клеток Е. coli в условиях стационарной фазы были обнаружены гены, определяющие переживание клеток в стационарной фазе, surA, surB и surE (Kolter et.al, 1992). Предполагается, что данные ферменты участвуют в процессах восстановления полипептидов, получающих различные повреждения в условиях стационарной фазы.

Для голодающих клеток характерно изменение состава жирных кислот. По-видимому, это связано с использованием жирных кислот в качестве энергетического источника. Известно, что в процессе голодания клеточная стенка бактерий становится более гидрофобной в результате утилизации гидрофильных компонентов. Это, в свою очередь, приводит к повышению адгезивных свойств клеток и способствует их прикреплению к различным поверхностям.

В культуре клеток Staphilococcus aureus после 5 суток голодания обнаружен ДНК-связывающий белок, который формирует очень устойчивый комплекс с ДНК. Формирование этого комплекса влияет на экспрессию белков и защищает ДНК от повреждений, вызываемых окислительным стрессом (Watson et. al, 1998). Сходный ДНК-связывающий защитный протеин был ранее выделен из культуры клеток E.coli, которая находилась на стационарной фазе роста (Almiron et. al, 1992). Оказалось, что этот белок, названный ДПС (ДНК-связывающий Протеин Стационарной фазы клеток), экспрессируется также при голодании культуры. В комплексе с ДПС ДНК образует так называемые биокристаллы.

Можно выделить некоторые черты, общие для бактерий, находящихся в состоянии переживания голодания:

– микроорганизмы способны быстро останавливать все метаболические процессы, связанные с делением и ростом клеток;

– сохраняется целостность клетки и основных клеточных структур, синтезируются специальные защитные соединения;

– сохраняется культивируемость – способность расти на жидкой и твердой средах, возможность быстро продолжить рост при изменении условий к лучшему.

Таким образом, отказываясь от деления в условиях голодания, клетка существенно экономит энергию и субстратные ресурсы, при этом поддерживая свой метаболизм на необходимом для сохранения жизни минимальном уровне.