Взаимодействие бактерий и бактериоцины - две стороны одной медали

Бактерии, как правило, существуют в сложных сообществах, при этом они могут взаимодействовать друг с другом, причём, не только внутри популяции, но и на межвидовом уровне. Это осуществляется с помощью химических сигналов – выделения в среду сигнальных молекул и их захвата. Яркий пример кооперации бактерий – биоплёнки, которые являются сложноорганизованными структурами, их образование требует взаимодействия клеток. Заселяя новые места обитания, бактерии могут применять и бактерицидные вещества, это могут быть жирные кислоты с короткими цепями, перекись водорода оксид азота, разнообразные антибиотики, а также бактериоцины, являющиеся высокомолекулярными пептидными антибиотиками.  И антибиотики, и бактериоцины также участвуют в поддержании чувства кворума и коммуникации внутри микробного сообщества.

Гены, ответственные за биосинтез бактериоцинов кодируется особыми плазмидами, а процесс синтеза происходит в большинстве случаев на рибосомах. Существуют различные подходы к классификации бактериоцинов. Например, бактериоцины, продуцируемые кишечными палочками принято называть колицинами, Лантибиотики – это бактериоцины, которые содержат такие редкие тиоэфирные аминокислоты, как лантионин и метиллантионин, которые образуются в результате посттрансляционной модификации. Лантибиотики класса A, такие как низин, содержат по два активных домена. Один из них связывается с липидом II, промежуточным продуктом при синтезе клеточной стенки, и участвует в её повреждении. Второй домен ответственен за повреждение мембраны. Лантибиотики класса B, такие как мерскадин, содержат только домен для ввязывания с липидом II. Третий класс объединяет двухкомпонентные структуры, функционально сходные с молекулами класса A, но содержащие разобщенные домены (на разных молекулах). Низкомолекулярные бактериоцины носят название микроцинов, однако здесь наступает некоторое противоречие, заключающееся в том, что колицин V в то же время является микроцином. Чтобы избежать таких противоречий, предложена классификация, разделяющая все описанные бактериоцины на четыре класса. Класс I объединяет небольшие пептидные молекулы, в эту группу попадают и лантибиотики. Класс II включает низкомолекулярные термостабильные бактериоцины, в том числе двухкомпонентные и многокомпонентные структуры, в этот же класс входят циклические пептиды. В класс III входят крупные пептиды, воздействующие на клеточные стенки или нарушающие мембранный потенциал. Класс IV составляют крупные пептиды, содержащие углеводные остатки и остатки жирных кислот.

Чувство кворума у бактерий обусловлено молекулами, которые они выделяют в окружающую среду. Когда их содержание превышает определённый уровень, запускаются процессы, направленные на регулирование численности популяции. При этом активируются гены, ассоциированные с вирулентностью, компетентностью и споруляцией. Одна из систем чувства кворума, AI-2/Lux, широко распространены как среди грамположительных и грамотрицательных бактерий, поэтому она может участвовать как во внутривидовой, так и в межвидовой коммуникации.

Механизмы, связанные с регуляцией численности могут использовать и бактериоцины. В низких концентрациях они не приводят к гибели клеток в популяции, и имеют только сигнальную функцию, например могут вызывать формирование биоплёнок. Классический пример пептида с такой двойной функцией – низин, который в высоких ингибирует синтез пептидгликана и приводит к формированию пор в мембране бактерий. Он активен против широкого спектра микроорганизмов, способный воздействовать даже на их споры. Сурфактин - липопротеин с противогрибковой активностью, также повреждающий мембраны. У Bacillus. subtilis он участвует в чувстве кворума и формировании биоплёнок. Кроме того, B. subtilis выделяет при дифференцировке клеток и спорообразовании микроцины, под действием которых клетки, не вступившие в дифференцировку, гибнут и становятся источником питательных веществ для оставшихся бактерий.

Двоякий эффект, зависящий от концентрации, называется гормезис. Он описан и для антибиотиков непептидной природы, например, под воздействием пенициллина в концентрации, составляющей 50% от минимальной ингибирующей концентрации в культуре Streptococcus pneumonie, начинается формирование биоплёнок. Похожий эффект наблюдается при воздействии низких концентраций ципрофлоксацина и тетрациклина на Staphylococcus intermedieus. Это может касаться не только природных антибиотиков, синтезируемых бактериями, но и их химически-модифицированных вариантов и близких по структуре синтетических антибиотиков.

Одной из важных особенностей бактериоцинов является избирательность их действия. Благодаря этому они могут использоваться для нормализации микробного ценоза при некоторых заболеваниях человека и животных. Пробиотики –лекарственные препараты или биологически активные добавки к пище, которые содержат в составе живые микроорганизмы, являющиеся представителями нормальной микрофлоры человека. Эффективность штамма, входящего в состав пробиотика, во многом связана с его способностью продуцировать бактериоцины. . Пробиотики могут включать молочнокислых бактерий, а так же бифидобактерий, непатогенных кишечных палочек, бацилл и дрожжи.  Бактериоцины молочнокислых бактерий разделяют на две группы. Представители первой группы характеризуются узким спектром антибактериального действия - вызывают гибель организмов, близких к организму-продуценту. Бактериоцины, относящиеся ко второй группе, ингибируют рост многих видов грамположительных микроорганизмов, в том числе Listeria monocytogenes, Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus, Pediococcus acidilactici, Bacillus spp., Enterococcus faecalis. Перечисленные бактерии вызывают порчу пищевых продуктов, среди них есть и патогенные виды. Показано, что большая часть таких бактериоцинов нетоксична и неиммуногенна. E. coliH22 продуцирует несколько бактериоцинов, подавляющих патогенные бактерии и не влияющие на жизнеспособность бактерий нормальной микрофлоры, в частности, лактобактерий и бифидобактерий. Интересно, что продуцирующийся некоторыми кишечными палочками колицин E7 активен против E. coli O157:H7.

Бактериоцины применялись для хранения пищевых продуктов, но возрастании количества антибиотикоустойчивых вариантов патогенных бактерий заставляет задуматься об их использовании в медицине, аналогично тому, как сегодня используют обычные антибиотики. Однако, есть ряд моментов, которые требуют от разработчика таких препаратов дополнительных усилий. Пептидная природа бактериоцинов делает их неустойчивыми к температурному воздействию и ферментам-пептидазам, присутствующим в желудочно-кишечном тракте, кроме того, даже при наличии противомикробного эффекта в культуре, он не всегда проявляется в эксперименте на модельном объекте. Тем не менее, уже есть первые положительные результаты. Бактериоцин NVB302 не только обладает селективной активностью против C. difficile , но и устойчив к воздействию пищеварительной системы. Использование его в медицине пока под вопросом, клинические испытания только начаты, однако все предварительные лабораторные исследования уже позади.