Человек и кишечная палочка это симбиоз

Симбиоз как неизбежность

Наша справка. Гриценко Виктор Александрович, 1959 года рождения, доктор медицинских наук, заведующий лабораторией клеточного симбиоза Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, ученый секретарь президиума Оренбургского научного центра УрО РАН, автор 135 работ, в том числе, 2 монографий и 2 изобретений.
— Прежде чем задать несколько вопросов, разрешите еще раз поздравить с победой в конкурсе и уточнить, что это за Фонд?
— Спасибо за поздравление. Фонд содействия отечественной науке учрежден в 2000 г. крупными российскими бизнесменами — Р. Абрамовичем, О. Дерипаской и А. Мамутом. Президентом Фонда был избран академик Ю.С. Осипов, председателем попечительского совета — академик Н.П. Лаверов, а исполнительным директором стал молодой и энергичный профессор М.Ю. Каган. Тесная связь с РАН с самого начала придала негосударственному Фонду высокий статус. Главной его задачей является адресная финансовая помощь российским ученым. Отрадно, что наши предприниматели не только вкладывают свои деньги в развитие британского футбола, но и становятся меценатами отечественной науки. Уверен в необходимости организации подобных фондов и в региональных отделениях и центрах РАН. Взаимоотношения бизнеса и науки должны укрепляться, поскольку тесный симбиоз между ними взаимополезен.

— Имеет ли конкурс, проведенный Фондом, какие-то особенности?

— Почему, на ваш взгляд, среди лауреатов Фонда так мало представителей уральской академической науки (всего четверо — 2 кандидата и 2 доктора наук)?

— Что, по-вашему, дает научному сотруднику участие в подобных конкурсах?

— Кроме морального и материального стимулов в случае победы, участие в конкурсе на этапе подготовки заявочных документов заставляет скон-центрироваться, взглянуть со стороны на достигнутые результаты и оценить перспективы дальнейших исследований. Ведь научному сотруднику в НИИ, занятому текущими давно запланированными экспериментами, иногда очень важно остановиться, осмотреться, определить свое место в потоке научного поиска, чтобы затем двигаться еще быстрее в правильном направлении. Кстати, аналогичную роль выполняет работа над кандидатской и докторской диссертациями, при написании которых не только обобщается накопленный материал, но, как правило, рождается много новых идей.

— Чему была посвящена ваша докторская диссертация, какие проблемы вы решаете, в том числе с помощью выигранного гранта?

— В этой работе, под патронажем моего учителя члена-корреспондента РАН и академика РАМН Олега Валерьевича Бухарина, проанализирована роль персистентных характеристик в биологии кишечной палочки и дана оценка их клинического и эпидемиологического значения. На старте исследований мы знали, что возбудители многих инфекций (дизентерия, сальмонеллез, гонорея и менингит) обладают способностью инактивировать защитные механизмы человека (лизоцим, комплемент и др.) и за счет этого длительно паразитировать, то есть персистировать, в организме хозяина. Предстояло выяснить — имеются ли эти свойства у кишечных палочек, которые являются постоянными, зачастую безобидными сателлитами человека, и какую функцию они выполняют. Оказалось, кишечные палочки (эшерихии) владеют целым арсеналом средств для персистенции в макроорганизме. Однако данные признаки чаще и в более выраженной степени обнаруживались у возбудителей таких распространенных болезней почек и желчного пузыря, как пиелонефрит и холецистит. Кроме того, похожий набор свойств встречался и у эшерихий, выделенных из фекалий у больных с данной патологией и дисбиозом кишечника. Дальнейшие исследования показали, что выявленная закономерность не случайна. Дело в том, что потенциальные возбудители пиелонефрита или холецистита длительно находятся в кишечнике, не причиняя хозяину ощутимого вреда, но при определенных условиях могут прорывать кишечный барьер, попадать в кровь и с ней проникать в различные органы и ткани, в том числе почки, печень и желчный пузырь. Этот процесс называется транслокация кишечной флоры. Во время такой миграции многие бактерии, сталкиваясь с защитными системами макроорганизма, погибают и разрушаются, вызывая интоксикацию и лихорадку (предвестники болезни). Однако некоторые из них способны выстоять в этой борьбе, они-то и вызывают заболевание. Нами экспериментально показано, что именно персистентные характеристики помогают бактериям выживать при контакте с эффекторами иммунитета, в том числе на этапе транслокации во внутреннюю среду макроорганизма.

— Значит, заболевание может вызвать не любая кишечная палочка?

— Совершенно верно. Для этого бактерии должны обладать комплексом патогенных, в том числе персистентных, свойств. Среди кишечных палочек, к счастью, этому условию отвечают лишь некоторые — их-то и надо опасаться. Чаще всего они встречаются у людей с дисбиозом кишечника и больных с хронической инфекционно-воспалительной патологией.

— Известны ли причины, активирующие бактериальную транслокацию?

— Да, и к нашему несчастью, их трудно избежать. Прежде всего это стрессы независимо от их природы, в том числе экотоксический и психо-эмоциональный, которые постоянно подстерегают современного человека, а также дисбиотические нарушения кишечной микрофлоры, возникающие в результате действия различных внешних и внутренних факторов, в частности, приема антибиотиков, нарушения режима питания, острых и хронических заболеваний, иммунодефицита и все того же стресса. Этим объясняется неутешительный прогноз в отношении роста патологии, связанной с кишечными бактериями, особенно у определенных категорий населения — дети, беременные, пожилые люди, у которых снижены защитные силы организма.

— Можем ли мы сегодня среди многочисленных и разнообразных кишечных микроорганизмов распознавать потенциальных возбудителей заболеваний?

— Думаю, что неподдельный интерес к данной проблеме вполне понятен. Ведь мы обречены на симбиоз с кишечными палочками — этими постоянными спутниками человека, среди которых, к сожалению, иногда встречаются очень опасные варианты, способные омрачить нашу жизнь, вызывая серьезные заболевания. Уверен — чем больше мы будем знать об особенностях взаимодействия макроорганизма с кишечной микрофлорой, тем проще будет найти подходы к оптимизации этих отношений и выработать правильную тактику борьбы со многими болезнями человека.

Беседу вела
Евгения Павлова, г. Оренбург

Рис. 1. Снимок химерных клеток кишечной палочки и дрожжей, сделанный с помощью конфокального флуоресцентного микроскопа. Голубым окрашены клетки дрожжей, фиолетовым — РНК кишечной палочки. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Общепринятая на данный момент теория симбиогенеза предполагает, что митохондрии в эукариотических клетках произошли от симбиотических бактерий. Однако поиски предковой бактерии и реконструкция событий симбиогенеза еще далеки от завершения. Авторы новой статьи в журнале PNAS подошли к проблеме с другого конца: они смоделировали симбиогенез на примере хорошо изученной бактерии (Escherichia coli) и хорошо изученной эукариотической клетки (Saccharomyces cerevisiae). Теперь у нас есть отработанная методика получения химерных клеток, с помощью которой можно проверять, какие именно свойства предковой бактерии были необходимы для симбиогенеза.

Общий принцип, которым руководствовались авторы эксперимента, можно сформулировать так: чтобы заставить две клетки вступить в симбиоз, нужно отобрать у них что-то жизненно важное, тогда их существование по отдельности станет невозможно (рис. 2).

Всю работу можно условно разделить на пять шагов.

Шаг 1 — лишить кишечную палочку самодостаточности. Чтобы эндосимбиоз оказался выгодным решением для бактерии, она должна стать ауксотрофом — быть неспособной производить какое-нибудь жизненно необходимое вещество. Для многих бактерий таким веществом является тиамин (витамин B₁) — кофермент в реакциях углеводного обмена. Поэтому в геноме E. coli ген биосинтеза тиамина был заменен на кассету (см. Gene cassette) с GFP (зеленым флуоресцентным белком) и геном устойчивости к антибиотику канамицину. Теперь клетки не могут выживать без внешнего источника тиамина (который они сквозь мембрану закачивают внутрь), их можно отобрать под действием антибиотика и отследить во флуоресцентный микроскоп.

Шаг 2 — сделать кишечную палочку полезной. Авторы гипотезы происхождения митохондрии из внутриклеточных паразитов полагают, что одним из ключевых белков был АТФ/АДФ-антипортер (см. Antiporter). Это белок-переносчик, который обменивает АТФ на АДФ, меняя их местами по разные стороны мембраны. У паразитической бактерии он должен работать на благо бактерии: захватывать АТФ снаружи (то есть отбирать у клетки-хозяина) и менять на отработанные АДФ бактерии. Однако этот механизм можно заставить работать и в обратную сторону, если концентрации веществ поменяются местами. При этом бактерия начнет забирать АДФ из цитоплазмы хозяина и отдавать АТФ. Так или иначе, АДФ/АТФ-антипортеры есть как у современных митохондрий, так и у внутриклеточных паразитов. У свободно живущей кишечной палочки такого белка нет, поэтому пришлось снабдить клетки E. coli плазмидой с соответствующим геном.

Шаг 3 — лишить дрожжи самодостаточности. Чтобы заставить дрожжи вступить в симбиоз, их нужно лишить энергии, то есть АТФ. Тогда единственным выходом будет получить его от кишечной палочки. Но у дрожжей, как у почти всех эукариот, есть свои митохондрии. Поэтому авторы эксперимента взяли мутантный штамм дрожжей, лишенный одного из ключевых митохондриальных генов. Такие клетки содержат митохондрии, но не получают от них энергии. Они не могут расти в среде, где из питательных веществ есть только глицерин. Однако оказалось, что и в симбиоз с E. coli они тоже не вступают.

Рис. 3. Ультраструктура химерных клеток: результаты томографии под действием мягкого рентгеновского излучения. Сверху вниз — три плана в разных плоскостях. Левый столбец — просто снимок, средний столбец — снимок с выделенными органеллами, правый столбец — реконструкция клетки с обозначением плоскости среза (пунктирная линия). Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Шаг 5 — убрать лишнее. В ходе эволюции митохондрия утратила большую часть ДНК (у млекопитающих, например, в ее геноме осталось лишь 37 генов). Это значит, что она становилась всё более зависимой от своей клетки-хозяина. Авторы обсуждаемой статьи попробовали воспроизвести и этот этап тоже. Для этого они удалили у клеток кишечной палочки ген биосинтеза НАД + — еще одного важного кофермента. Клетки, лишенные НАД + , так же как и их предшественники, лишенные тиамина, успешно образовывали химеры с дрожжами. И даже двойные мутанты, неспособные производить ни один из этих коферментов, также вступали в эндосимбиоз (рис. 4).

Рис. 4. Колонии химерных клеток, образованные разными штаммами кишечной палочки. А. Слева направо: контроль (клетки дрожжей), длина масштабного отрезка 10 мкм; химера с E. coli, дефицитными по тиамину, длина масштабного отрезка 5 мкм; химера с E. coli, дефицитными по НАД + ; химера с E. coli, дефицитными по обоим коферментам. Зеленым светится GFP в клетках кишечной палочки. В. Слева направо: контроль, химера с E. coli, дефицитными по тиамину и по НАД + . Дрожжи окрашены голубым (краситель FITC), бактерии — фиолетовым зондом, связывающимся с бактериальной РНК. Желтые стрелки указывают на примеры химерных клеток. Длина масштабного отрезка 10 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Перед нами — отработанная методика, с помощью которой можно моделировать ранние события эндосимбиоза. Клетки кишечной палочки, дефицитные по разным веществам, равно хорошо образуют химеры, которые воспроизводятся из поколения в поколение. Следующий шаг — поиск предельной редукции генома E. coli, возможной в данной ситуации. Авторы статьи отмечают, что удаление всего двух путей биосинтеза уже дало экономию в 7,7 тысяч пар нуклеотидов (для сравнения, весь митохондриальный геном человека составляет примерно 15 тысяч пар). Поэтому нам еще предстоит найти ту грань, на которой экономия размера генома столкнется с возможностью выживания клетки-симбионта.

Кроме того, как ехидно указывают авторы в конце текста, при таком раскладе не очень понятно, кто в этой истории настоящий паразит. Если бактерия, попавшая внутрь археи, лишь постепенно утрачивала свои метаболические пути, то возможно настоящим паразитом здесь стоит считать архею, которая потребляла энергию, производимую бактерией.

Кишечная палочка (Escherichia coli)

Результаты поиска в Интернете

E.coli является обычным обитателем кишечника многих млекопитающихся, в частности, приматов, к числу которых принадлежит и человек. Поэтому ее часто называют кишечной палочкой. В организме человека E.coli выполняет полезную роль, подавляя рост вредных бактерий и синтезируя некоторые витамины.

Однако существуют разновидности бактерий E.coli, способные вызывать у человека острые кишечные заболевания. В настоящее время выделяют более 150 типов патогенных (так называемых "энтеровирулентных") палочек E.coli, объединенных в четыре класса: энтеропатогенные (ЭПЭК), энтеротоксигенные (ЭТЭК), энтероинвазивные (ЭИЭК) и энтерогемморагические (ЭГЭК).

Бактерии группы кишечной палочки не устойчивы к высокой температуре, при 60°С гибель их наступает через 15 минут, при 100°С - мгновенно. Сохраняемость кишечной палочки при низких температурах и в различных субстратах внешней среды изучена недостаточно. По некоторым данным в воде и почве кишечная палочка может сохраняться несколько месяцев.

Обычные дезинфецирующие вещества (фенол, формалин, сулема, едкий натр, креолин, хлорная известь и др.) в общепринятых разведениях быстро убивают кишечную палочку

Вызываемое заболевание
Кишечные заболевания, вызываемые патогенными E.coli объединяются общим названием эшерихиозы. Используются также термины коли-инфекция, коли-энтерит, диарея путешественников, колибактериоз (в основном в ветеринарии). Эшерихиоз относится к острым кишечным заболеваниям с фекально-оральным механизмом заражения. Каждый из вышеперечисленных классов патогенных E.coli характеризуется определенными различиями в протекании болезни, которая по своим симптомам может напоминать холеру или дизентерию. Инкубационный период длится 3-6 дней (чаще 4-5 дней).

Носители и распространение
Как уже упоминалось, бактерии E.Coli входят в состав нормальной кишечной флоры не только человека, но и крупного рогатого скота, свиней. Молодняк последних часто заражается колибактериозом и, соответственно, их мясо (говядина или свинина) может служить источником заражения. Подвержены этому заболеванию и домашние животные (собаки, кошки), однако основным способом заражение является все-таки фекальное загрязнение питьевой воды или продуктов питания.

Опасность для человека
Инфицирующая доза сильно зависит от типа патогенной кишечной палочки (так для энтеротоксигенной E.coli эта величина может составлять от 100 миллионов до 10 миллиардов бактерий, в то время как для энтероинвазивной и, предположительно, энтерогемморагической E.coli - всего 10 организмов). В наибольшей степени восприимчивы к заболеванию дети раннего возраста, пожилые и ослабленные люди. У детей эшерихиоз протекает в виде различной тяжести энтеритов, энтероколитов в сочетании с синдромом общей интоксикации. При средних и тяжелых формах сопровождается повышением температуры, поносом, сепсисом. У взрослых заболевание, вызванное эшерихией, напоминает по течению и клиническим симптомам острую дизентерию. Протекает чаще в стертой и легкой формах, реже (15-20%) встречается среднетяжелая и тяжелая (3%) формы. Прогноз у взрослых и детей старше года благоприятный, наиболее тяжело заболевание протекает у детей первого полугодия жизни.

Возбудитель - диареегенные штаммы кишечной палочки Echerichia coli из семейства Enterobacteriaceae рода Escherichie. В пределах данного вида выявлены штаммы с более чем 167 различными соматическими (о), 56 жгутиковыми (Н) и неодинаковыми капсульными (К) натигенами. Различают энтарогеморрагические, энтероинвазивные, энтеропатогенные, энтероморрагические и УэнтреаггрегативныеФ категории штаммов кишечной палочки. Диареегенные кишечные палочки устойчивы в окружающей среде, сохраняя жизнеспособность в молоке до 34 дней, детских питательных смесях - до 92 дней, на игрушках и предметах обихода до 3-5 мес. При 60- С гибнут через 10 мин, под струей кипятка мгновенно, 1 % раствора хлорамина, 1-2 % раствора хлорной извести, 1 % раствора фенола, 3 % раствора лизола - за 15-30 мин.

Резервуар и источники возбудителя: человек, больной или носитель. Больные имеют более высокую эпидемиологическую значимость, чем носители.

Период заразительности источника зависит от свойств возбудителя: при эшерихиозе, вызванном ЕТЕС и ЕНЕС, больной заразен только в первые дни заболевания, в случаях EIEC и ЕРЕС - 1-2 нед, иногда до 3 нед. Носители могут выделять возбудителя месяцами.

Механизм передачи возбудителя фекально-оральный; пути передачи - пищевой, водный, бытовой (через загрязненные руки, игрушки и др.).

Естественная восприимчивость людей высокая, особенно выраженная среди новорожденных и ослабленных детей. Около 35 % детей, общавшихся с источником возбудителя инфекции, становятся носителями. Постинфекционный иммунитет, по-видимому, носит серотиповой характер.

Нейтрализм (лат. neutralis - не принадлежащий ни тому, ни другому)— взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь в составе одного ценоза, не оказывают друг на друга непосредственного влияния. Косвенная взаимозависимость организмов при этом неизбежна, поскольку они являются элементами одного сообщества.
Конкуренция (лат. сопсиггеге—сталкиваться) — взаимоотношения между организмами одного или разных видов, соревнующихся за одни и те же ресурсы внешней среды при недостатке последних. Конкуренция может быть пассивной—потребление ресурсов внешней среды, необходимых обоим организмам или активной—подавление одного другим в результате образования определенных продуктов обмена. В микробиологии понятие конкуренции обычно распространяют лишь на взаимоотношения между микроорганизмами, хотя возможны конкурентные отношения между микро- и макроорганизмами, например почвенные микроорганизмы конкурируют с высшими растениями за элементы минерального питания.
Синтрофия (греч. syn—вместе, trophe—пища, питание)—способность двух или более видов бактерий осуществлять такой процесс, который ни один из них не может осуществлять по отдельности. Синтрофия является частным случаем симбиотических взаимоотношений между бактериями.
Симбиоз (греч. symbiosis—совместная жизнь)—различные формы совместного существования разноименных организмов, составляющих симбиотическую систему. В этих системах один из партнеров или оба, в определенной степени возлагают на другого (или друг на друга) задачу регуляции своих отношений с внешней средой. Основой для возникновения симбиоза могут быть трофические, пространственные и другие типы взаимоотношений. Один из партнеров системы или оба вместе приобретают возможность выигрыша в борьбе за существование.
Симбиоз бывает факультативным, когда каждый из организмов при отсутствии партнера может жить самостоятельно, и облигатным, когда один из организмов (или оба) оказывается в такой зависимости от другого, что самостоятельное существование невозможно. По характеру взаимоотношений между партнерами выделяют несколько типов симбиоза: комменсализм, паразитизм и мутуализм.
Комменсализм (лат. com—с, вместе и mensa—стол, трапеза), т. е. сотрапезничество, форма симбиоза, при которой один из партнеров системы (комменсал) возлагает на другого (хозяин) регуляцию своих отношений с внешней средой, но не вступает с ним в тесные отношения. Основой для комменсальных отношений могут быть общее пространство, cyбстрат, кров, пища. Присутствие комменсала для хозяина остается обычно безразличным, т. е. понятие комменсализм сейчас понимается шире, чем сотрапезничество.
Паразитизм (греч. parasitоs—нахлебник)—форма антагонистических взаимоотношений двух различных организмов, при которой один из них (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания (среда 1-го порядка) или источника пищи, возлагая на него регуляцию своих отношений с внешней средой (среда 2-го порядка). Наблюдается различная степень специализации паразитов (приуроченность к различным органам и тканям) и специфичность паразитов (приуроченность определенного вида паразита к определенным видам хозяина). Считают, что узкая специфичность указывает на давнее происхождение системы. В процессе эволюции паразитической системы наблюдается тенденция к сглаживанию антагонистических отношений между партнерами. Однако даже в самых стабильных системах паразит — хозяин отношения между партнерами построены по принципу неустойчивого равновесия, нарушения которого могут привести к распаду системы и гибели одного или обоих партнеров. Паразиты принимают участие в регуляции численности популяций хозяев, а иногда определяют направленность микроэволюционных процессов. Паразиты подразделяются на облигатные (обязательные) и факультативные (необязательные).
Мутуализм (лат. mutuus—взаимный) - форма симбиоза, при которой отношения между партнерами характеризуются взаимовыгодностью и ни один из них не может существовать без другого.
Хищничество - такое отношение двух групп организмов, при котором одна использует другую в пищу. Примером может служить род Clostridium (патогенные виды), который сначала своими токсинами приводит к гибели животное, а затем использует труп в качестве источника питания.
Антагонизм (rp. antagonisma—спор, борьба) — термин, применяемый к таким взаимоотношениям между микроорганизмами, когда один вид задерживает или полностью подавляет рост другого. Если угнетение взаимно, говорят об аменсализме (лат. а - удаление, отказ и mensa - стол, кушание).
В конкурентной борьбе организмы могут следовать r-стратегии (r—показатель скорости логарифмического роста популяции в нелимитирующей среде) или К - стратегии (К—показатель верхнего предела численности популяции). При обилии пищи r-стратегии быстро размножаются и получают преимущество, но в неблагоприятных условиях быстро отмирают. К-стратегии расходуют больше ресурсов на поддержание жизнеспособности, размножаются медленнее, но зато лучше сохраняются в неблагоприятных условиях. В зависимости от условий получают преимущество организмы, следующие той или иной стратегии, причем имеют значение изменения среды как в пространстве, так и во времени.
Взаимосвязь между микроорганизмами проявляется и при различных инфекционных болезнях животных и человека. Так, гемофильные бактерии проявляют свое патогенное действие в организме в сообществе с различными сапрофитами – стафилококками, кишечной палочкой, что используется в лабораторной диагностике. Тяжесть течения злокачественного отека зависит от присутствия совместно с патогенными клостридиями сапрофитов. Наиболее широко используется человеком антогонистические взаимоотношения между микроорганизмами (антибиотики, пробиотики).
Жизнь организма в сообществе зависит не только от абиотических условий, но и от того, в какие взаимоотношения он вступает с другими организмами.