Сообщение о хищных бактериях
Обновлено: 07.07.2024
Крайне своеобразная группа хищных нитчатых бактерий впервые описана на уровне порядка Cyclobacteriales советским микробиологом Б. В. Перфильевым.
Клетки этих бактерий постоянно соединены плазмодесмами. Большие группы клеток погружены в слизь и обладают способностью согласованно двигаться. В род диктиобактерий (Dictiobacter) были включены бактерии, образующие микроскопические скопления — бактериальные колонии, состоящие из 100— 200 отдельных довольно мелких клеток (1—6 мкм), связанных плазмодесмами (мостиками). Центральная полость этой группы заполнена гомогенной жидкостью. Во время движения колония захватывает живые микроорганизмы и переваривает их.
Рис. 67. Схема строения многоклеточных бактерий: 1 — Caryophanon и 2 — Oscillospira (по Пешкову, 1955).
Рис. 68. Устройство ловчего приспособления хищной бактерии Teratobacter (по Перфильеву, Габе, 1961).
Бактерии, подобные описанным, довольно легко обнаружить при постановке простейших опытов. Достаточно внести в колбу с водой небольшое количество богатой органическим веществом почвы или ила, чтобы спустя 10—15 дней на поверхности воды обнаружить микроскопления клеток, соединенных плазмо-десмами в большие группы. Такая форма роста известна также под названием бактодерм, и ради объективности следует отметить, что убедительных доказательств в пользу хищной природы подобных скоплений (микроколоний) все еще недостаточно. Само существование таких многоклеточных агрегатов не вызывает сомнения и является формой существования в природе обычных сапрофитных бактерий.
Хищные бактерии отражают экологически адекватную (соответствующую среде обитания), но не обязательную форму роста. По-видимому, близки к этой группе и анаэробные нитчатые бактерии.
Порядок железобактерии(FERRIBACTERIALES)
Железо необходимо всем живым организмам. В природе оно существует в органических и неорганических соединениях. Главную роль в круговороте железа в природе играют микробы.
Эти процессы идут по двум каналам: 1) минерализация органических соединений, содержащих железо, при участии гетеротрофных микроорганизмов; 2) окисление восстановленных (закисных) и восстановленных окисных соединений железа.
Рис. 69. Бактерии со слизистыми стебельками: 1 — Nevskia, 2 — Gallionella.
Порядок железобактерий объединяет сборную группу одноклеточных бактерий, способных аккумулировать соединения железа и марганца в результате гетеротрофных процессов. Другие организмы, способные к окислению и восстановлению соединений железа, отнесены к другим порядкам: серобактериям (род Thiobacillus) и нитчатым бактериям (род Leptothrix). Бактерии, отнесенные к порядку железобактерий, разделены на 2 семейства. Многие представители этих семейств обладают своеобразной морфологией и сложным жизненным циклом.
Рис. 70. Схема строения типичной клетки стебельковой бактерии. КС — клеточная стенка, ЦМ — цитоплазматическая мембрана
Рис. 71. Типичные клетки бактерий рода Caulobacter. Электронная микрофотография. Увел. X 20 000.
Семейство железобактерии (FERRIBACTERIACEAE)
Клетки представителей семейства обладают либо ложными слизистыми придатками, либо истинными стебельками — выростами цитоплазмы. Они широко распространены в природе, и прежде всего в иле и воде пресных водоемов. Семейство представлено 6 родами.
Рис. 72. Стебельковая бактерия с нетипичным тонким стебельком. Увел. X 25 000.
Роды галлионелла и невския (Gallionella и Nevskia)
Бактерии, принадлежащие к родам Gallionella и Nevskia (рис. 69), обладают придатками, состоящими из слизи и не связанными с цитоплазмой клетки. Форма и размеры таких придатков сильно варьируют. При исследованиях природных субстратов у бактерий из рода Gallionella легко обнаруживаются почковидные или палочковидные клетки, которые формируют длинные перевитые слизистые стебельки, пропитанные окислами железа. Согласно представлениям, развиваемым Г. А. Заварзиным, природа стебельков Gallionella иная. Стебельки представляют собой скопление живых организмов, не обладающих клеточной стенкой и способных формировать длинные нити. Эти организмы паразитируют на клетках истинных бактерий. Поэтому то, что принималось обычно за бобовидную клетку Gallionella, является лишь клеткой-хозяином, который может быть в разных случаях разным. Такими паразитами могут быть прежде всего микоплазмы, которые будут рассмотрены в соответствующем разделе. Истинные стебельковые бактерии имеют стебелек, сформированный клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной. Они отнесены к семейству Caulobacteriaceae.
Семейство сидерокапсы (SIDEROCAPSACEAE)
Все организмы, объединенные в семействе Siderocapsaceae, сходны между собой, являясь, по-видимому, разными экологическими формами одной или нескольких близких бактерий. Известны успешные попытки и описания указанных микроорганизмов в составе одного рода. В это семейство входят палочковидные или кокковидные (часто овальные клетки) неспоро-образующие гетеротрофные бактерии, образующие слизистую капсулу, пропитанную солями железа или марганца. Бактерии, принадлежащие к роду Siderocapsa, имеют небольшие клетки (1 — 2 мкм в диаметре), объединенные в первичные капсулы (по 2—60 и более клеток). Эти капсулы с клетками (общий диаметр 10—20 мкм) объединяются в более сложные агрегаты, где и откладывается железо или марганец. Род Sideromonas объединяет палочковидные бактерии (длина клетки 2 мкм), имеющие капсулы и формирующие группы (пары, цепочки) и скопления. К семейству Siderocapsa-сеае были отнесены описанные в разное время микроорганизмы: род Siderosphaera (объединены по 2 клетки в капсуле), род Sideronema (крупные палочки диаметром 5,0—6,5 мкм, соединенные в цепочки и заключенные в капсулы). Три известных в литературе рода — Naumaniella, Ochrobium, Siderococcus — объединяют, подобные описанным выше, мелкие (диаметр клетки 2 мкм) палочки, не обладающие капсулами. Отложение окислов железа и марганца происходит прямо на клетках.
Крайне своеобразная группа хищных нитчатых бактерий впервые описана на уровне порядка Cyclobacteriales советским микробиологом Б. В. Перфильевым.
Клетки этих бактерий постоянно соединены плазмодесмами. Большие группы клеток погружены в слизь и обладают способностью согласованно двигаться. В род диктиобактерий (Dictiobacter) были включены бактерии, образующие микроскопические скопления — бактериальные колонии, состоящие из 100— 200 отдельных довольно мелких клеток (1—6 мкм), связанных плазмодесмами (мостиками). Центральная полость этой группы заполнена гомогенной жидкостью. Во время движения колония захватывает живые микроорганизмы и переваривает их.
Рис. 67. Схема строения многоклеточных бактерий: 1 — Caryophanon и 2 — Oscillospira (по Пешкову, 1955).
Рис. 68. Устройство ловчего приспособления хищной бактерии Teratobacter (по Перфильеву, Габе, 1961).
Бактерии, подобные описанным, довольно легко обнаружить при постановке простейших опытов. Достаточно внести в колбу с водой небольшое количество богатой органическим веществом почвы или ила, чтобы спустя 10—15 дней на поверхности воды обнаружить микроскопления клеток, соединенных плазмо-десмами в большие группы. Такая форма роста известна также под названием бактодерм, и ради объективности следует отметить, что убедительных доказательств в пользу хищной природы подобных скоплений (микроколоний) все еще недостаточно. Само существование таких многоклеточных агрегатов не вызывает сомнения и является формой существования в природе обычных сапрофитных бактерий.
Хищные бактерии отражают экологически адекватную (соответствующую среде обитания), но не обязательную форму роста. По-видимому, близки к этой группе и анаэробные нитчатые бактерии.
Порядок железобактерии(FERRIBACTERIALES)
Железо необходимо всем живым организмам. В природе оно существует в органических и неорганических соединениях. Главную роль в круговороте железа в природе играют микробы.
Эти процессы идут по двум каналам: 1) минерализация органических соединений, содержащих железо, при участии гетеротрофных микроорганизмов; 2) окисление восстановленных (закисных) и восстановленных окисных соединений железа.
Рис. 69. Бактерии со слизистыми стебельками: 1 — Nevskia, 2 — Gallionella.
Порядок железобактерий объединяет сборную группу одноклеточных бактерий, способных аккумулировать соединения железа и марганца в результате гетеротрофных процессов. Другие организмы, способные к окислению и восстановлению соединений железа, отнесены к другим порядкам: серобактериям (род Thiobacillus) и нитчатым бактериям (род Leptothrix). Бактерии, отнесенные к порядку железобактерий, разделены на 2 семейства. Многие представители этих семейств обладают своеобразной морфологией и сложным жизненным циклом.
Рис. 70. Схема строения типичной клетки стебельковой бактерии. КС — клеточная стенка, ЦМ — цитоплазматическая мембрана
Рис. 71. Типичные клетки бактерий рода Caulobacter. Электронная микрофотография. Увел. X 20 000.
Семейство железобактерии (FERRIBACTERIACEAE)
Клетки представителей семейства обладают либо ложными слизистыми придатками, либо истинными стебельками — выростами цитоплазмы. Они широко распространены в природе, и прежде всего в иле и воде пресных водоемов. Семейство представлено 6 родами.
Рис. 72. Стебельковая бактерия с нетипичным тонким стебельком. Увел. X 25 000.
Роды галлионелла и невския (Gallionella и Nevskia)
Бактерии, принадлежащие к родам Gallionella и Nevskia (рис. 69), обладают придатками, состоящими из слизи и не связанными с цитоплазмой клетки. Форма и размеры таких придатков сильно варьируют. При исследованиях природных субстратов у бактерий из рода Gallionella легко обнаруживаются почковидные или палочковидные клетки, которые формируют длинные перевитые слизистые стебельки, пропитанные окислами железа. Согласно представлениям, развиваемым Г. А. Заварзиным, природа стебельков Gallionella иная. Стебельки представляют собой скопление живых организмов, не обладающих клеточной стенкой и способных формировать длинные нити. Эти организмы паразитируют на клетках истинных бактерий. Поэтому то, что принималось обычно за бобовидную клетку Gallionella, является лишь клеткой-хозяином, который может быть в разных случаях разным. Такими паразитами могут быть прежде всего микоплазмы, которые будут рассмотрены в соответствующем разделе. Истинные стебельковые бактерии имеют стебелек, сформированный клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной. Они отнесены к семейству Caulobacteriaceae.
Семейство сидерокапсы (SIDEROCAPSACEAE)
Все организмы, объединенные в семействе Siderocapsaceae, сходны между собой, являясь, по-видимому, разными экологическими формами одной или нескольких близких бактерий. Известны успешные попытки и описания указанных микроорганизмов в составе одного рода. В это семейство входят палочковидные или кокковидные (часто овальные клетки) неспоро-образующие гетеротрофные бактерии, образующие слизистую капсулу, пропитанную солями железа или марганца. Бактерии, принадлежащие к роду Siderocapsa, имеют небольшие клетки (1 — 2 мкм в диаметре), объединенные в первичные капсулы (по 2—60 и более клеток). Эти капсулы с клетками (общий диаметр 10—20 мкм) объединяются в более сложные агрегаты, где и откладывается железо или марганец. Род Sideromonas объединяет палочковидные бактерии (длина клетки 2 мкм), имеющие капсулы и формирующие группы (пары, цепочки) и скопления. К семейству Siderocapsa-сеае были отнесены описанные в разное время микроорганизмы: род Siderosphaera (объединены по 2 клетки в капсуле), род Sideronema (крупные палочки диаметром 5,0—6,5 мкм, соединенные в цепочки и заключенные в капсулы). Три известных в литературе рода — Naumaniella, Ochrobium, Siderococcus — объединяют, подобные описанным выше, мелкие (диаметр клетки 2 мкм) палочки, не обладающие капсулами. Отложение окислов железа и марганца происходит прямо на клетках.
Вы наверняка видели сотни видеороликов о том, как хищники охотятся на животных. В конце концов, охота - это то, как животные добывают себе пищу. Игра в "кошки-мышки" - это захватывающая игра, наполненная жаждой крови, страхом и приключениями.
Однако давайте сделаем шаг назад и окунемся в мир микроорганизмов, где миллиарды бактерий постоянно борются друг с другом за выживание. Именно так! Бактерии также могут охотиться на других бактерий. Этот навык присущ не только животным. Эти бактериальные охотники называются хищными бактериями.
Хищные бактерии: что это такое?
Проще говоря, хищные бактерии - это те, которые охотятся на другие бактерии. Они находятся на вершине бактериальной пищевой цепи.
Хотя они относительно безвредны для человека, они не так вежливы по отношению к себе подобным.
Самый известный и широко изученный пример - Bdellovibrio bacteriovorus. Эта бактерия является грамотрицательной бактерией, которая может атаковать другие грамотрицательные бактерии. Она была случайно обнаружена в 1960-х годах, когда ученые копались в образцах почвы в поисках бактериофагов.
Фотография Bdellovibrio bacteriovorus.
Как охотится Bdellovibrio bacteriovorus?
Эти бактерии действуют примерно так же как пиявки. Они прикрепляются к хозяину и начинают высасывать все питательные вещества для себя. При этом они размножаются внутри хозяина, и новые копии вырываются из него, убивая его.
Bdellovibrio bacteriovorus прикрепляется к другим грамотрицательным бактериям, таким как Escherichia coli или Salmonella, а затем проделывает отверстия в их клеточной мембране. Через эти отверстия они проникают в периплазматическое пространство хозяина, которое представляет собой небольшой гелеобразный матрикс, существующий между двумя слоями клеточной мембраны.
Оказавшись внутри, они начинают высасывать питательные вещества из внутренностей хозяина, становясь похожими на микробных пиявок. Они также выделяют разрушающие белки ферменты, которые разрушают хозяина изнутри.
Bdellovibrio bacteriovorus охотится, как и любое другое животное в природе - чтобы наполнить свой желудок. Хотя на самом деле у бактерий нет живота, они, как и другие существа, охотятся за питательными веществами.
Какие существуют виды хищных бактерий?
Кроме Bdellovibrio существуют и другие бактериальные хищники, и эти виды называются BALO (Bdellovibrio и подобные организмы).
Другие примеры включают Bdellovibrio exovorus или протеобактерии, такие как Micavibrio aeruginosavorus и другие семейства бактерий: Peredibacteraceae, Halobacteriovoraceae и Pseudobacteriovoracaceae. Однако исследований по этим другим типам проводится не так много.
Наиболее изученным и известным остается Bdellovibrio bacteriovorus.
Вредны ли хищные бактерии для людей?
Короткий ответ - нет, поскольку эти бактерии обычно не причиняют вреда человеку. Их системы не предназначены для того, чтобы заражать человеческие клетки или вызывать болезни. По крайней мере, так утверждают наши исследования.
На самом деле, многочисленные исследования были проведены на других млекопитающих, таких как мыши, крысы, крабы и кролики, с использованием B. bacteriovorus и M. aeruginosavorus. К счастью, было установлено, что эти бактерии не оказывают негативного воздействия на этих живых существ.
Исследования также показали, что B. bacteriovorus может быть частью бактериального ландшафта нашего кишечника.
По мере того как все больше исследований подтверждают, что хищные бактерии безвредны для человека, они становятся все более привлекательными в качестве методов лечения.
Хищные бактерии - будущее медицины?
В настоящее время антибиотики являются наиболее распространенными методами борьбы с бактериальными инфекциями. Однако вы, вероятно, слышали о серьезной угрозе, надвигающейся на нас, — устойчивости к антибиотикам!
Если антибиотики больше не убивают болезнетворные бактерии, то что же мы можем использовать, чтобы остановить их? Одним из потенциальных способов может быть использование хищных бактерий.
Этот метод был бы похож на отправку собственной бактериальной армии, которая сражается на нашей стороне!
Многие бактерии, вызывающие заболевания, могут комфортно жить в нашем организме без успешного уничтожения иммунной системой благодаря биопленкам.
Биопленки - это гелеобразные матрицы, созданные группой бактерий, которые действуют как защитный барьер. Они полезны для бактерий, поскольку препятствуют проникновению антибиотиков. Однако хищные бактерии могут прогрызть себе путь через эти биопленки, делая их бессмысленными.
Однако недостатком является то, что мы не можем просто ввести эти бактерии в наш организм и надеяться, что они найдут нежелательные бактерии и атакуют их. Если бы все было так просто.
Вероятность того, что хищные бактерии уклонятся от иммунной системы нашего организма и найдут в нем бактерии, на которые они должны охотиться, довольно высока. Вместо этого лечение будет более поверхностным.
Например, если внутри кожи есть бактерии, вызывающие сыпь или изменение цвета кожи, проще ввести хищные бактерии именно в эту область. Другими словами, этот стиль лечения будет более локальным и будет использоваться для относительно небольших проблем.
Заключение
Оказывается, существуют бактерии, способные охотиться на другие бактерии, и они могут быть весьма полезны для нас! В настоящее время ведется большая работа по изучению механизмов того, как хищные бактерии убивают свою жертву.
Если повезет, мы сможем найти способы адаптировать их использование для лечения бактериальных инфекций. Если забыть о болезнях, их можно использовать в качестве пестицидов в сельском хозяйстве или консервантов в пищевой промышленности.
Хищные бактерии атакуют и убивают других бактерий. Исследователи обнаружили, что они широко распространены в воде и почве. Два примера этих бактерий описаны ниже.
- Vampirococcus живет в пресноводных озерах с высоким содержанием серы. Он поедает гораздо большие по размеру, пурпурные бактерии под названием Chromatium, поглощая жидкость из своей жертвы, убивает ее. Этот процесс напоминает ранее исследованных кровососущих вампиров и именно это стало идеей для названия бактерии.
- В отличие от Vampirococcus, Bdellovibrio bacteriovorus прикрепляется к другой бактерии, а затем входит в нее вместо того, чтобы оставаться снаружи.
- Она производит ферменты, переваривающие оболочку своей добычи, а также вращается, что позволяет ей практически просверливать свою жертву.
- Bdellovibrio размножается внутри своей добычи, а затем уничтожает ее.
- Хищник может плавать на скорости 100 своих размеров в секунду, что делает его одним из самых быстро движущихся, среди всех известных бактерий.
Некоторые исследователи изучают возможность использования этих организмов для уничтожения болезнетворных бактерий, вредных для человека.
Рис. 1. Жизненный цикл хищной бактерии Bdellovibrio. Бделловибрион находит жертву — грамотрицательную бактерию и проникает в ее периплазматическое пространство (I, II). При этом клетка бактерии-жертвы приобретает округлую форму и погибает (III, IV). Хищник растет и размножается, питаясь содержимым убитой клетки (IV, V). Потомство размножившегося хищника выходит из разрушенной клетки и приступает к поискам новых жертв (VI). Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology
Эти особенности делают бделловибрионов потенциально перспективным антибактериальным средством. Впрочем, за 53 года с момента их открытия (H. Stolp, M. P. Starr, 1963. Bdellovibrio bacteriovorus gen. et sp. n., a predatory, ectoparasitic, and bacteriolytic microorganism) дело так и не дошло до практического применения. Может быть, всё дело в том, что распространение устойчивых к антибиотикам патогенных бактерий еще не приобрело по-настоящему угрожающих масштабов. Но исследования в этом направлении потихоньку ведутся (R. E. Sockett, C. Lambert, 2004. Bdellovibrio as therapeutic agents: a predatory renaissance?).
Судя по имеющимся данным, бделловибрионы сами по себе безвредны для позвоночных. Показано, что пероральное применение бделловибрионов снижает численность сальмонелл в пищеварительном тракте цыплят (R. J. Atterbury et al., 2011. Effects of Orally Administered Bdellovibrio bacteriovorus on the Well-Being and Salmonella Colonization of Young Chicks), а введение их в легкие крыс помогает вылечить пневмонию, вызванную бактерией Klebsiella pneumoniae (K. Shatzkes et al., 2016. Predatory Bacteria Attenuate Klebsiella pneumoniae Burden in Rat Lungs). Кроме того, есть данные, указывающие на эффективность бделловибрионов как средства против глазных инфекций (R. M. Q. Shanks, D. E. Kadouri, 2014. Predatory prokaryotes wage war against eye infections).
Новое исследование британских микробиологов, результаты которого опубликованы в журнале Current Biology, впервые показало возможность эффективного применения инъекций бделловибрионов для борьбы с инфекциями внутренних органов.
Авторы работали с одним из классических объектов экспериментальной биологии — личинками рыб данио-рерио (см. также: Zebrafish). Среди достоинств этой модели — прозрачность, благодаря которой можно наблюдать за бактериями прямо внутри живых рыбок, а также редкостная живучесть, позволяющая исследователям подвергать их самым причудливым манипуляциям.
В экспериментах использовались бделловибрионы, помеченные красной флуоресцентной меткой (mCherry), и устойчивый к антибиотикам (стрептомицину и карбенициллину) штамм патогенной бактерии Shigella flexneri, помеченный зеленой меткой (GFP). Бактерий вводили в желудочек заднего мозга личинкам трехдневного возраста. У здоровых личинок в спинномозговой жидкости нет ни бактерий, ни лейкоцитов, поэтому там удобно следить за развитием инфекции и иммунным ответом.
Для начала исследователи убедились, что инъекция бделловибрионов сама по себе не вредит здоровью личинок. В отсутствие других бактерий хищные микробы не могут размножаться, и их численность в мозге постепенно снижается. Опыты с трансгенными рыбками, у которых флюоресцентными метками были помечены макрофаги и нейтрофилы, позволили установить, что эти клетки проникают в спинномозговой канал и заглатывают бделловибрионов. Впрочем, сильной воспалительной реакции при этом не возникает и жизнеспособность личинок не снижается. Через двое суток после инъекции в рыбке практически не остается бделловибрионов.
В отсутствие бделловибрионов введенная в мозг шигелла быстро размножается, что приводит к гибели 70–75% личинок в течение 72 часов. Однако если через 30–90 минут после заражения впрыснуть в мозг личинке порцию бделловибрионов, то численность шигеллы начинает снижаться, а выживаемость рыбок заметно возрастает (рис. 2). При этом бделловибрионов поначалу становится больше, потому что они размножаются внутри своих жертв, но затем, когда жертв не остается, численность Bdellovibrio тоже быстро сходит на нет.
При помощи конфокального микроскопа удалось разглядеть, что бделловибрионы в мозге живых личинок действительно атакуют шигелл и размножаются в их клетках, которые при этом приобретают характерную округлую форму (рис. 3).
Рис. 3. Бделловибрион (красный) атакует шигеллу (зеленая) в мозге живой рыбки. Видно, что клетка шигеллы при этом приобретает округлую форму. Длина масштабного отрезка — 2,5 мкм, mpi — минуты после инъекции. Изображение из обсуждаемой статьи в Current Biology
Дополнительные эксперименты с рыбками, лишенными лейкоцитов (у этих рыб на ранних стадиях развития блокировали работу гена, необходимого для развития лейкоцитов), показали, что таким рыбам бделловибрионы тоже помогают бороться с инфекцией, однако наибольшая выживаемость инфицированных личинок наблюдается в том случае, если у них и иммунная система в порядке, и инъекция хищных бактерий была сделана вовремя (рис. 4).
Рис. 4. Процент личинок, выживших спустя 24, 48 и 72 часа после заражения шигеллой. Кружки — личинки с нормальной иммунной системой, квадратики — личинки без лейкоцитов. Белые значки — инъекция натрий-фосфатного буфера, черные — инъекция бделловибрионов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology
Таким образом, иммунная система и бделловибрионы объединяют свои усилия в борьбе с патогенными бактериями. Итоговая реконструкция процессов, происходящих в мозге зараженной рыбки, показана внизу на рис. 2.
Данное исследование, наряду с другими, подтверждает, что хищные бактерии в будущем могут стать надежными помощниками медиков в борьбе с патогенными микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам.
Читайте также: