Наука

Адаптация лактобактерий к электромагнитному воздействию

О.Д. Сидоренко, Б.В. Пронин, А.П. Харькова, Т.В. Кудрявцева
РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева
Воздействие электромагнитных волн на лактобактерии рассматривается как приём управления метаболизмом клетки.  Оно вызывает повреждения биологических мембран и потерю гомеостаза; происходят коренные перестройки в метаболической активности и химическом составе клетки, что вызывает переход особи в новое состояние. Основная цель эксперимента – установить степень воздействия электромагнитных волн на морфологические изменения и метаболизм лактобактерий заквасок кисломолочных продуктов. Для проведения исследований на кисломолочные продукты (айран, курунга, «Эвиталия») воздействовали низкочастотными электромагнитными полями в течение 3 ч. Влияние стресса перестраивает метаболические процессы в клетке, что приводит к новому типу обмена веществ. Изменяются морфологические характеристики клеток и колоний на твёрдой питательной среде. Причём мутированные клетки дают характерные колонии кремового цвета с резко очерченным краем.  В биологической пробе супернатанта кисломолочных продуктов установлены ионный состав и их концентрация, измерен рН до и после воздействия электромагнитных волн. При экстремальном воздействии на лактобактерии и дрожжи снижается рН среды: в курунге с 6,0 до 5,0; в продукте «Эвиталия» – с 5,0 до 4,0.  Соотношение ионов Na+/K+ в курунге изменяется с 0,56 до 0,66 после воздействия; Na+/Са2+ – с 1,69 до 1,99. Возникновение пигмента кремового цвета в колонии лактобактерий – результат биохимической перестройки организма.  Содержание белка в клетках курунги после воздействия магнитных волн выросло с 3,8 до 8,3 mmoll/l, в айране – с 6,7 до 9,4; в «Эвиталии» – с 3,6 и 4,5 mmoll/l. Исследования показали, что реакция ответа лактобактерий молочных продуктов характеризуется изменениями морфологии и биохимии клеток закваски, что может быть использовано при производстве функциональных продуктов питания.

07.02.2021

Экстремальное воздействие на микроорганизм и последующее его состояние привлекают внимание многих исследователей – теоретиков и практиков биотехнологии и медицины. Общебиологическое действие любого неблагоприятного фактора (стрессора) приводит к тому, что организм из состояния активной жизнедеятельности переходит к ее торможению, вызывает ряд неспецифических ответных реакций и «включение» стрессорами неспецифических сигнальных систем в клетке. В передачу сигнала внутри клетки во многих случаях, кроме белковых посредников, вовлекаются и относительно небольшие молекулы, служащие вторичными сигналами, типа ионов кальция (Са2+). В этот период происходит коренная перестройка метаболических процессов, приводящая к новым типам метаболизма.

Воздействия стрессоров на бактерии сопровождаются глубокими изменениями в синтезе органических протек-торов (сахаров, сахароспиртов, белков, липидов и др.) и интенсивности метаболизма, в том числе путем выделения некоторых метаболитов во внешнюю среду [1...3]. Усиленный синтез низкомолекулярных органических соединений и изменение состояния ДНК при стрессе отмечается для бактерий, грибов и дрожжей. Кроме того, при экстремальном воздействии на микроорганизмы изменяется концентрация и соотношения ионов Na+/K+, Na+/Н+ и др. [4].Следовательно, экстремальное воздействие на микро-организмы стрессоров вызывает повреждения биологических мембран и потерю гомеостаза клетки. В организме происходят коренные перестройки в метаболической активности и химическом составе клеток и, в первую очередь, в составе липидного бислоя и антиоксидантном статусе. Наблюдается и морфологическое разнообразие организмов, причем не только между видами, но и в цикле развития одного вида. Нарушение гомеостаза вызывает переход особи в новое состояние и это не обязательно следует рассматривать как негативный эффект.

Цель нашего исследования – определить степень воз-действия магнитных полей на изменения метаболических процессов лактобактерий и их ответы, которые могут иметь общебиологическое значение и играют основную роль при формировании функциональных кисломолочных продуктов.

Условия, материалы и методы. В опыте изучали образцы молочных продуктов (айран, курунга, «Эвиталия») до и после воздействия низкочастотных электромагнитных полей, создаваемых кольцами Гельмгольца, обеспечивающими однородное (до 5 %) магнитное поле в зоне расположения стеклянных колб с заквашенным молоком, продолжительностью 3 ч. Концентрацию протонов устанавливали методом сравнительного измерения по автоматической калибровке стандартных растворов. Концентрацию Са2+, Na+, К+, CI–, Fe3+, Р5+, Мg2+, а также общее содержание белка и рН определяли непосредственно в биологической пробе супернатанта кисломолочных продуктов на анализаторах Olympus AU-400 и Easy Lyte с помощью селективных электродов (YSE, диаметр 5-20 мкм) и фотометрического УФ теста. Микробиологические анализы и микрофотосъемку проводили по модифицированным стандартным методам.

Снимок экрана 2021-01-31 172834.png

Результаты и обсуждение. Адаптация лактобактерий к стрессу, в частности, к воздействию электромагнитного поля, сопряжена с изменением физиологического со-стояния клеток. С увеличением напряженности стресса происходят качественные (экспрессия новых активностей) и количественные (изменения баланса уже действующих систем) преобразования. Магнитное поле – это мутагенный фактор, который влияет на популяцию лактобактерий закваски, изменяя их исходный качественный состав. Изменяется и окружающая среда. Кислотность в курунге снижается с 6,0 до 5,0, в «Эвиталии» – с 5,0 до 4,0. Дрожжи рода Saccharomyces sp. в некоторых случаях совсем исчезают или их клетки сильно вакуолизируются и значительно уменьшаются в размерах. При этом изменяется форма клеток, несколько вытягивающаяся в длину. Эти процессы носят достаточно стойкий характер, что дает возможность предположить наличие серьезных изменений свойств маннано-протеидного и глюканового компонентов клеточной стенки, определяющих форму клетки. Магнитная индукция привела к изменению клеток. Происходит отбор мутантов, устойчивых к кислой среде. На плотных питательных средах колонии растут радиально, поэтому даже если в одной из клеток произойдет мутация, ее легко обнаружить визуально.

Мутанты продуцируют кремовый пигмент, который в дальнейшем приобретает вся колония (рис. 1). Колонии, сформированные под действием стрессора, обычно более плотно прилегают к агаровой среде, более интенсивно окрашены (от кремового до коричневого цвета). Можно предположить, что этот пигмент представляет со-бой высокомолекулярное соединение фенольной природы (меланин), который, как известно, обладает выраженными антиоксидантными и гепапротекторными свойствами [6, 7]. Возможно, он вносит существенные изменения в архи-тектонику мембран и влияет на состояние липидов, так как колонии приобретают четко очерченный край.

Вторичные колонии появляются в виде небольших выростов, бугорков или наростов (мелкобугристые) с волнистыми краями. Это наблюдается после того, как рост колонии в основном заканчивается и клетки начинают стареть. Вторичные или дочерние колонии могут появляться на поверхности, развиваться внутри или формировать отростки по краю исходной колонии. Они бывают разных размеров, формы и количества. По нашим наблюдениям, клетки вторичных колоний сильно отличаются от исходных по многим морфологическим и физиологическим характеристикам и, вероятно, имеют отличия на генетическом уровне. Установлено, что концентрация Са2+, Na+, К+, CI–, Fe3+, Р5+, Мg2+, а также содержание белка и рН до и после воз-действия магнитных полей на лактобактерии закваски заметно отличаются (рис. 2).

Снимок экрана 2021-01-31 173147.png

Вероятно, это связано с тем, что в результате взаимодействия магнитных полей и поляризованных структурных элементов клетки могут изменяться характеристики транс-мембранного переноса воды и веществ, метаболическая активность бактерий и экскретироваться специальные ауторегуляторы-преобразователи сигналов [6,7].

Выводы. Адаптация лактобактерий к стрессу сопряжена с изменением физиологического состояния клеток. Реакция ответа лактобактерий и дрожжей заквасок на воздействие электромагнитных полей характеризуется изменениями в морфологии и биохимии клеток. Под влиянием магнитной индукции возможен синтез de novoряда протекторных соединений и белков общего стрессорного ответа лактобактерий. Пигментация колоний лактобактерий – ответ клеток прокариот на стрессор и результат биохимической пере-стройки организма лактобактерий. Электромагнитные поля имеют большой потенциал влияния на механизм развития и метаболизм лактобактерий. Они способны активно изменять рН и ионный состав клетки, соотношение и концентрацию ионов, что может быть использовано в производстве функциональных кисломолочных продуктов.

Литература.

1. Хочачка П., Сомеро Д. // Биохимическая адаптация. – М.: Мир, 1988.–568 с.
2. Lindquist S., Craig E.A. 1988. The heat-shock proteins // Annu. Rev. Genet. – Vol. 22. – P.631-677.
3. Parsell D. A., Lindguist S. //Jbid. – 1999. – Vol. 27. – P. 438-478.
4. Nishi Т., Yagi T. // G. Gen. Appl. Microbiol. – 1995. – Vol. 41. – No 1. – P. 87-97
5. Kim Woo jin S Perl J Park et al. Assessment of stress response of the probiotic Lactobacillus acidophilus // Curr Microbiol. – 2001 Vol. – 43. – P. 346-350.
6. Бабицкая В.Г., Щерба В.В., Иконников Н.В. Меланиновый комплекс гриба Inonotus obliquus // Прикладная биохимия и микробиология. – 2000. – т. 36. – No 4. – С.439-444.
7. Николаев Ю.А., Проссер Дж. И. и Паников Н.С. Внеклеточные факторы адаптации к неблагоприятным условиям среды в периодической культуре Pseudomonas fluorescens // Микробиология. – 2000. – Т.69. – No 5. С. – 629-635

Источник: журнал "Достижения науки и техники АПК". 2013. № 6. С. 79-80.