На главную ДЛЯ НОВИЧКОВДЛЯ НОВИЧКОВ СОБЫТИЯ КАРТА САЙТА ПРЕСС-СЛУЖБА
ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ДАТЫ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ О ПРОЕКТЕ
ДЛЯ ИНВЕСТОРОВДЛЯ ИНВЕСТОРОВ КОМПАНИИ ГОСТЕВАЯ НАГРАДЫ
SWITCH TO ENGLISH СТАТЬИСТАТЬИ БАЗА ДАННЫХ ФОРУМ КОНТАКТЫ
поиск по сайту  
подписка  


Биотерроризм

Биокомпьютеры

С-пептид. Часть III.

С-пептид. Часть II

С-пептид. Часть I.

Инсулин. Часть II.

Инсулин. Часть I.

Атипичная пневмония. Часть II.

Атипичная пневмония. Часть I.

Геносистематика - что это такое Часть 2.

ДНК или РНК: кто более матери-Природе ценен?

Будущее коммерческого внедрения генетически модифицированных организмов в странах европейского союза

Простая модель реакции организма на внешние воздействия

Некоторые современные подходы к терапии болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера. Молекулярно-биологический аспект. Часть II

Болезнь Альцгеймера. Молекулярно-биологический аспект. Часть I

Болезнь Альцгеймера. От описания симптомов - к молекулярным механизмам.

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 5

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 3

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 2

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 1

«Страшная» еда

Эглин

Почему философия не удовлетворяет биолога?

Инвестиционная привлекательность Российского рынка биоинформатики и биотехнологий

Геносистематика - что это такое.

Эндотоксины Bacillus thuringiensis

Диабет. (часть II)

Вешенка и человек

Диабет. (часть I)

Почему ограничены размеры бактериальной колонии?

Функциональная роль остеопонтина в развитии и реконструкции костной ткани.

Структура и некоторые свойства белка остеопонтина.

Проблемы инвестирования в биотехнологические разработки для сельского хозяйства.

Роль метилирования ДНК в канцерогенезе.

Жизнь и смерть овечки Долли

Дню борьбы с проказой посвящается...

Бактерии, приносящие миллиард.

Дню борьбы со СПИДом - достойные проводы!

Современная лаборатория молекулярной биологии.

Интервью с вампирчиком.


Наши статьи


Почему ограничены размеры бактериальной колонии?

Получение во второй половине XIX века отдельных колоний микроорганизмов можно рассматривать как важнейшую предпосылку для последовавшего затем бурного развития микробиологии, физиологии и генетики. До сих пор и, вероятно, навсегда получение отдельных колоний - единственный способ выделения чистых культур микроорганизмов.

Изучению динамики роста бактерий в жидких средах ежегодно посвящается множество исследований. Развитием же бактериальных колоний до недавнего времени не интересовались. Только в 1987 году Джим Шапиро (США) получил фотографии последовательных стадий формирования отдельных колоний Escherichia coli на поверхности агаризованной (твёрдой) полноценной среды (Shapiro J.A., 1987). Он впервые показал организованный характер нескольких начальных делений бактерий при основании микроколоний (Shapiro J.A., 1988; Shapiro J.A., Hsu C., 1989). Именно его последующие исследования были нацелены на получение подтверждения гипотезы о сложных внутриколониальных взаимодействиях и чуть ли не о дифференцировке отдельных групп клеток в пределах колоний (Shapiro J.A., 1998; Gray K.M. 1997).

В последние годы появляются и иные модели развития колоний всё более подкреплённые математическим аппаратом, то есть все менее эмпирические (Baranyi J. et al., 1993; Novak J.P., Stewart C.C., 1994; Valik L. et al., 1999). Интерес к особенностям формирования микроколоний подогревается ещё и тем, что именно со стадии первичной прикреплённости бактерий к поверхности начинается развитие так называемых биоплёнок (biofilm). В природных популяциях биоплёнки - это те ассоциаты (города бактерий), в которых может происходить обмен генетической информацией (Watnick P., Kolter R., 2000; Danese P.N., et al., 2000; Prigent-Combaret C., et al., 1999). В практическом смысле это, например, препятствия, которые приходится преодолевать в медицине, добиваясь стерильности хирургических инструментов.

Особое положение занимают исследования колоний, отличающихся экзотическими формами, например, спиральными или ветвящимися (Runder R. et al., 1998).

Как ни странно, во всех рассуждениях о процессах формирования и развития бактериальных колоний практически отсутствует упоминание таких простых и наиболее понятных бактериям факторов влияния, как концентрации питательных веществ. Данное сообщение посвящено рассмотрению вопроса - что заставляет потомство отдельной бактериальной клетки прекращать центробежный рост по поверхности агара, или, другими словами, какие факторы определяют диаметр колоний? Вниманию читателя будет предложено несколько постулатов и гипотез, позволяющих связать размер колоний с потребностью клеток в тех или иных питательных веществах.

Вернёмся к упомянутой работе Дж. Шапиро. По представленным им фотографиям (см. рисунки) можно заключить, что развитие колоний проходит следующие стадии. Сначала на поверхности агара образуется "проколония" толщиной 1-2 клетки, которая постепенно увеличивается в диаметре. Далее по периферии образуется бактериальный валик. С момента его появления практически прекращается центробежное развитие колонии. На следующей стадии видно, что на внешней поверхности валика в отдельных местах образуются прозрачные капли, стекающие на агар. Наконец, на последней стадии формирования колонии центральная её часть ("кратер") заполняется клетками, что приводит к выравниванию или даже "выгибанию" поверхности вверх.

Кадры хроники развития колонии позволили нам сформулировать ряд вопросов, подразумевающих возможность экспериментального или теоретического ответа.

  1. Есть ли "провалик" у проколонии, когда она представляет собой моно- или би-слой бактериальных клеток?


  2. Отчего происходит остановка центробежного распространения делящихся клеток, то есть что ограничивает диаметр колонии?


  3. Почему остаётся концентрическое кольцо на месте внутренней поверхности валика?


  4. Какова природа прозрачных капель на границе валика и агара?


Рассматривая эти вопросы и дополнив их несколькими постулатами нам, удалось сформулировать три гипотезы, отвечающие на вопрос, вынесенный в название сообщения.


Гипотеза "мальтузианская".

Гипотеза подразумевает выдвижение постулата №1 - скорость деления периферических клеток колонии выше, чем клеток центральной части, например, из-за большей доступности питательных веществ.

В процессе деления клеток колонии может сложиться ситуация, когда, начиная с некоторого поколения, новым клеткам не будет хватать места на поверхности агара и они будут вынуждены подниматься в более высокие слои. Это может привести к образованию концентрического валика из клеток - особенно если постулат №1 справедлив. Увеличиваясь в своей массе, валик будет препятствовать существенному увеличению диаметра колонии. При этом будет происходить выравнивание скорости деления бактерий разных частей колонии, что позволит потомству центральных клеток заполнить внутреннее пространство валика.


Гипотеза равновесия сил клеточного давления (тургора) и трения биомассы о поверхность агара.

Постулат №2. Все бактерии выделяют некоторое вязкое соединение (назовём его "слизь"), предохраняющее клеточную поверхность от высыхания на твёрдой среде и затрудняющее скольжение по агару. Возможно, что введение нами околонаучного термина "слизь" неоправданно, поскольку подобным соединением могут быть экзополисахариды, синтезируемые большинством видов бактерий в том или ином количестве. Известно также, что именно синтез полисахаридов может быть активирован изменением соотношения уровней концентраций источников углерода и азота (C/N). Тем не менее, возможно, кроме полисахаридов в процессе ограничения размеров колоний играют и иные экзогенные соединения.

При формировании колонии происходит центробежное движение биомассы не только за счёт появления новых клеток в периферических районах, но и за счёт "отталкивания" периферических клеток делящимися клетками центра. Очевидно, что такое "отталкивание" возможно только до тех пор, пока суммарная сила тургорного давления делящихся клеток колонии не будет уравновешена силой трения биомассы периферических районов о поверхность агара. Начиная с момента равновесия этих сил, ситуация стабилизируется выделяющейся "слизью", количество которой будет всё увеличиваться на периферии колонии. Эта гипотеза также допускает, что часть клеток может отрываться от поверхности агара и выдавливаться в более высокие слои. После остановки центробежного распространения клеток именно благодаря таким вертикальным перемещениям будет происходить выравнивание поверхности колонии.

Данную гипотезу можно проверить с использованием двух разных подходов. Первый - сопоставить диаметры колоний на средах с отличающейся адгезивной способностью за счёт, например, различной влажности или при введении специальных биологически инертных добавок. Тогда при увеличении трения диаметр колоний будет уменьшаться, а при увеличении "скользкости" среды - увеличиваться. Второй - более сложный - измерить силу давления делящихся клеток и сопоставить её с силой трения биомассы об агар.


Гипотеза перекрывающихся кругов.

Постулат №3. Каждая клетка "чувствует" концентрации питательных веществ в ростовой среде.

Постулат №4. Существует некий пороговый уровень питательных веществ в среде (Спорог.). При концентрации ниже Спорог. клетка реагирует изменением метаболизма - начинает выделять на поверхность вязкое соединение ("слизь").

На нижнем рисунке представлено графическое объяснение гипотезы перекрывающихся кругов. Отдельная клетка на поверхности агара получает питательные вещества с площади круга. Очевидно, что наибольшую концентрацию питательных веществ (Сисх.) получают одиночные бактериальные клетки. По мере деления клеток концентрация питательных веществ вокруг проколонии снижается, поскольку зоны питания перекрываются. Только в сегменте, обозначенном *, для отдельной периферической клетки сохраняется максимальный исходный уровень Сисх.. У всех остальных - не периферических клеток колонии, уровень концентрации питательных веществ (Сi) обязательно будет ниже. С ростом проколонии размер сектора * всё быстрее уменьшается, при этом уменьшается и Сi для каждой клетки. По мере дальнейшего развития колонии величина Сi падает ниже критического уровня Спорог., что приводит к индукции синтеза "слизи". "Слизь" периферических клеток образует кольцо по окружности колонии. С этого момента прекращается увеличение радиуса колонии и начинает формироваться бактериальный валик. Таким образом, именно преодоление концентрации Спорог. критично для центробежного распространения клеток.

Говоря о чувствительности бактерий к уровню концентрации питательных веществ вокруг колоний, следует иметь в виду следующее. Характер транспорта основных ростовых факторов - источников углерода и азота - сильно отличаются. Действительно, очевидно, что источник углерода (в отличие от источника азота) расходуется как на биосинтетические нужды, так и на обеспечение энергозатрат клетки. Кроме того, поступление энергии необходимо и после прекращения роста колоний - для поддержания внутриклеточного гомеостаза. Здесь же уместно заметить, что самые крупные колонии, известные автору (диаметром до 5-7 см), образуют на поверхности агара Thiobacillus ferrooxidans. Скорее всего причина безудержного расползания клеток связана с тем, что у этих бактерий нет ограничения в поступлении источника углерода - СО2 - при том, что источник энергии поступает из агаризованной среды (Fe3+ - Fe2+).

Возвращаясь к данной гипотезе, следует отметить, что сохранение концентрического кольца у зрелой колонии может быть объяснено появлением "слизи" на поверхностных клетках валика. В этом случае "слизь" мешает дочерним клеткам центра слиться с клеточной массой валика.

Производным гипотез №1 и №3 можно считать предположение, что сигналом для начала образования "слизи" служит именно потеря клетками контакта с влажной поверхностью агара при перемещении в верхние слои. Это тем более вероятно, что именно в периферических зонах, как уже отмечалось выше, наибольшая концентрация питательных веществ и, скорее всего, наивысшая скорость деления клеток.

Продолжая сопоставление предложенных гипотез можно заключить, что первая из них, в отличие от второй и третьей, не требует от клеток начала синтеза или постоянного присутствия каких-либо специфических поверхностных соединений. Косвенным подтверждением второй гипотезы могут служить многочисленные наблюдения, что колонии любого штамма E. coli на поверхности полужидкого агара имеют больший диаметр, чем на обычной твёрдой среде.

Наиболее принципиальным следствием, вытекающим из гипотезы №3, представляется возможность существования генетического контроля клеточной системой "измерения" концентрации питательных веществ. Данную возможность позволит проверить получение мутантов с изменённым характером реакции на прохождение клетками пороговой концентрации питательных веществ Спорог. Логично предположить, что у мутантов "не чувствующих Спорог." размер колоний должен быть больше, чем у бактерий дикого типа, а "сверхчувствительные" - наоборот, образовывали бы микроколонии. В любом случае, скорее всего, мутанты обоих типов будут обладать заметным плейотропным эффектом.

В заключение автор приглашает всех заинтересовавшихся данной проблемой и желающих поучаствовать в ее обсуждении или экспериментальной проверке близких вопросов обращаться к нему по адресу skladda@genetika.ru

автор статьи - главный научный сотрудник ФГУП "ГосНИИгенетика",
д. б. н. Складнев Д.А


Список литературы:
  1. Shapiro J.A. Organization of developing Escherichia coli colonies viewed by scanning electron microscopy. J. of Bacteriol., 1987, 169(1), 142-156.
  2. Shapiro J.A. Bacteria as multicellular organisms. Sci. Am., 258(1), 82-89.
  3. Shapiro J.A., Hsu C. Escherichia coli K12 cell-cell interaction seen by time-lapse video. J. of Bacteriol., 1989, 171(11), 5963-74.
  4. Shapiro J.A. Thinking about bacterial population as multicellular organisms. Annu. Rev.Microbiol., 1998, 52, 81-104.
  5. Gray K.M. Intercellular communication and group behavior in bacteria. Trends Microbiol., 1997, 5(5), 184-88.
  6. Baranyi J., Roberts T.A., McClure P. A non-autonomous differential equation to model bacterial growth. Food Microb., 1993, 10(1), 43-59.
  7. Novak J.P., Stewart C.C. A possible interpretation of some colony forming assays: "developmental tree". Cell Prolif., 1994, 27(1), 23-35.
  8. Valik L., Baranyi J., Gorner F. Predicting fungal growth: the effect of water activity on Penicillium roqueforti. Int.J.of Food Microb., 1999, 47(1), 141-146.
  9. Watnick P., Kolter R. Biofilm, city of microbes. J. of Bacteriol., 2000, 182(10), 2675-79.
  10. Danese P.N., Pratt L.A., Kolter R. Exopolysacharide production is required for development of E.coli K12 biofilm architecture. J of Bacteriol., 2000, 182(12), 3593-96.
  11. Prigent-Combaret C., Vidal O., Dorel C., Lejeune P. Abiotic surface sensing and biofilm-dependent regulation of gene expresion in E.coli. J. of Bacteriol., 1999, 181(19), 5993-6002.
  12. Runder R., Martsinkevich O., Leung W., Jarvis E.D. Classification and genetic characterization of pattren-forming Bacilli. Mol.Micribiol., 1998, 27(4), 687-703.


Rusbiotech™
Copyright © 2000-2003 Rusbiotech
designed by Интерруссофт © 2003





   Яндекс цитирования    ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - www.logoSlovo.RU   TopList