Бактерии и стресс

…Вообще-то термин «стресс» был предложен выдающимся канадским исследователем Гансом Селлье в 30-е годы прошлого столетия для обозначения процессов в организме человека, однако сегодня он применяется также и к организмам мельчайшим. Ведь стресс — это комплекс адаптивных реакций, формирующихся в любом организме, малом и большом, в ответ на разнообразные повреждающие воздействия. Изучением факторов, помогающих бактериям пережить стресс, занимаются ученые из Института экологии и генетики микроорганизмов Пермского НЦ УрО РАН. Они пришли к выводу, что особую роль в этом играют полиамины — соединения, присутствующие во всех современных формах жизни, от вирусов и бактерий до человека. Об антистрессорной функции полиаминов мы говорим с заведующим лабораторией адаптации микроорганизмов ИЭГМ УрО РАН доктором медицинских наук Александром Георгиевичем Ткаченко.


 

    — Чем интересны бактерии с точки зрения изучения реакции на стресс?

    — Эволюционная история Земли, особенно ее ранний период, была связана с потрясениями и катаклизмами, сопровождавшимися непрерывным изменением геологических, водных, атмосферных условий. В ходе этих глобальных преобразований формировалась жизнь на планете. Поэтому неудивительно, что первые одноклеточные организмы в ходе эволюции выработали механизмы противостояния неблагоприятным воздействиям среды, унаследованные новыми поколениями живых существ. Микроорганизмы в эволюционном плане наиболее близки к первоклетке, прародительнице всех живых организмов. Они обладают древними адаптивными механизмами, которые функционируют наряду с другими, сформировавшимися в ходе последующей эволюции. Эти древние механизмы в той или иной степени сохраняются во всех формах жизни, будь то бактерии, растения или животные. Основными «игроками» здесь, естественно, должны выступать биомолекулы, близкие к тем, которые могли функционировать в первоклетках.

    — Почему в качестве веществ, помогающих бактериям преодолеть стресс, ваше внимание привлекли полиамины?

    — По многим признакам эти соединения могут быть отнесены к древним биомолекулам, распространенным среди представителей всех царств организмов. Полиамины представляют собой короткие углеводородные цепочки разной длины, состоящие из 4–10 углеродных атомов, которые содержат от 2 до 4 аминогрупп. Без участия этих соединений невозможно нормальное протекание большинства жизненно важных биологических процессов, будь то синтез ДНК, РНК или белка. В присутствии полиаминов происходит значительное ускорение биосинтетических процессов, что сопровождается возрастанием скорости роста клеток. Если количество этих соединений бесконтрольно возрастает, клетки начинают делиться очень быстро. Именно это происходит в раковых клетках, когда их рост сильно опережает развитие нормальных тканей.
 

Исследования, которые мы проводили в течение последних 10–12 лет, показали, что полиамины наряду с другими своими функциями принимают участие в адаптации микроорганизмов к различным повреждающим, так называемым стрессорным, воздействиям. Это, например, появление активных форм кислорода, закисление окружающей среды, повышение содержания в ней соли, тепловой шок, воздействие антибиотиков.
 

— Что происходит в клетке в ответ на неблагоприятные изменения среды?
 

— Чтобы приспособиться к новым условиям, клетка должна каким-то образом восстановить нарушенный синтез основных биополимеров, иначе рано или поздно она погибнет. Причем клетка вынуждена синтезировать те ферменты, которые необходимы именно в стрессорных условиях, а для этого в работу должны включаться гены, кодирующие данные ферменты. При стрессе все осложняется тем, что многие белки, в том числе жизненно важные ферменты, повреждаются и не могут нормально функционировать. Следовательно, взамен должны синтезироваться те формы, которые устойчивы к данному повреждающему фактору. Кроме того, существует ряд защитных белков, действие которых направлено на нейтрализацию вредных воздействий. Таким образом, стресс должен сопровождаться глобальным изменением типа генной экспрессии. Под типом генной экспрессии здесь понимается тот набор генов из общего их количества, имеющегося у данного организма, который экспрессируется («работает») с характерной интенсивностью в конкретных условиях окружающей среды.
 

— И какую же роль здесь играют полиамины?
 

— Сначала мы обратили внимание на то, что на самые разнообразные неблагоприятные внешние воздействия клетки микроорганизмов могут отвечать повышением количества полиаминов в цитоплазме, т.е. энергетические сигналы стресса находят отклик со стороны системы синтеза полиаминов. Оставалось самое главное — выяснить, участвуют ли полиамины в восстановлении клеточных функций в условиях стресса, и если да, то каким образом? С этого момента начался самый трудный и в то же время увлекательный период наших исследований, который продолжается до сих пор.
 

Прежде всего мы исследовали воздействие полиаминов на гены адаптации к окислительному стрессу. Этот вид стресса сопутствует любым сублетальным повреждающим воздействиям и формируется как следствие накопления в клетке избыточной энергии. Используя специальные штаммы микроорганизмов, мы показали, что полиамины способны повышать экспрессию генов антиоксидантной защиты. Возрастание в этих условиях количества адаптивных белков приводит к повышению выживаемости микроорганизмов при стрессе.
 

Оказалось также, что полиамины используются и как антиоксиданты, которые способны улавливать активные формы кислорода, вызывающие окислительный стресс. Это свойство полиаминов обусловливает их протекторный эффект при повреждающем воздействии активных форм кислорода на ДНК.
 

— Какие еще функции по защите микроорганизмов от стресса выполняют полиамины?
 

— Очень интересное и важное свойство полиаминов с точки зрения повышения устойчивости микроорганизмов ко многим видам стресса — их способность ограничивать проникновение из среды в клетку вредных, чужеродных для нее веществ, так называемых ксенобиотиков. В клеточной оболочке большой группы микроорганизмов присутствуют белки, представляющие собой каналы или поры, которые в соответствии с их назначением получили название «порины». По этим каналам в клетку поступают разнообразные вещества, способные растворяться в воде. К этой группе относятся как питательные вещества, необходимые для нормального роста и развития клетки, так и многие ксенобиотики. Чтобы при их попадании клетка не погибла, должны действовать механизмы, обеспечивающие избирательность транспорта веществ через порины. Иными словами, эти белки должны пропускать питательные вещества и ограничивать транспорт чужеродных соединений. Оказалось, что полиамины — один из факторов, обеспечивающих такую избирательность. В ответ на воздействие сублетальных доз антибиотиков, которые поступают через пориновые каналы, в клетках микроорганизмов в несколько десятков раз возрастает содержание одного соединения из группы полиаминов — кадаверина. Мы показали, что высокое содержание кадаверина в клетках в несколько раз замедляет прохождение антибиотиков через пориновые каналы: этот полиамин проникает в просвет поринового канала и «затыкает» его, как пробка. В результате молекулы антибиотика сталкиваются с трудно преодолимой преградой и их проникновение в клетку существенно замедляется.
 

Такая реакция микроорганизмов характерна по отношению не только к антибиотикам, но и к другим стрессорным воздействиям. Например, то же происходит при повышении содержания кислот в окружении клетки или при воздействии на нее веществ, вызывающих окислительный стресс. Таким образом, при неблагоприятных воздействиях среды микробная клетка «стремится» обособиться от вредного окружения, она как бы опускает «железный занавес», что помогает ей пережить трудные времена. Это чем-то напоминает реакцию улитки на враждебное прикосновение.
 

В таком поведении микроорганизмов есть еще один интересный аспект. Если бактерии подвергаются серии стрессорных воздействий, то к каждому последующему они становятся все более подготовленными или, как говорят, преадаптированными и могут пережить его более успешно. Это явление продемонстрировано нами в серии экспериментов, которые показали, что предварительное воздействие окислительного или кислотного стресса на микроорганизмы приводило к возрастанию их устойчивости к антибиотикам, и это возрастание было обусловлено присутствием высоких концентраций кадаверина в клетках.
 

Возвращаясь к теме древних механизмов антистрессорной защиты микроорганизмов, можно с уверенностью сказать, что они продолжают играть важную роль и в наше время, доказательством чего является универсальность защитных функций полиаминов. Полиамины позволяют клетке пережить первую атаку любых, даже ранее «незнакомых» бактерицидов и дают время для создания более действенных специфических средств защиты.
 

— Имеют ли ваши работы практическое приложение?
 

— Фундаментальные исследования механизмов адаптации микроорганизмов к стрессу могут способствовать решению многих практических задач. Так, подавить сопротивление болезнетворных микроорганизмов легче на основе знания механизмов их защитных реакций. Эта проблема становится все более острой в связи с закатом эры антибиотиков и необходимостью поиска новых подходов к разработке средств борьбы с болезнетворными бактериями. В этом отношении нами уже не первый год проводится работа в рамках проекта ориентированных фундаментальных исследований РФФИ, которая направлена на изучение защитных функций полиаминов в условиях воздействия на микроорганизмы антибиотиков последних поколений, относящихся к разным семействам. Нами, а также другими исследователями показано, что в ответ на действие большинства антибиотиков в клетках формируется окислительный стресс, который в настоящее время рассматривается как один из факторов их губительного действия на микроорганизмы. Нами впервые показано, что полиамины, обладая антиоксидантными функциями, снимают этот дополнительный бактерицидный эффект, существенно ослабляя действие антибиотиков. Теперь встает задача разработки подходов, направленных на подавление синтеза полиаминов в клетках микроорганизмов и ограничение возможного их потребления из среды, каковой для микроорганизмов является организм человека и животных. Есть надежда, что совокупное использование таких подходов сможет послужить фактором, повышающим эффективность действия антибиотиков.
 

Беседовала Е. ПОНИЗОВКИНА