L-формы бактерий: как стресс формирует устойчивость
Перевод статьи Tim Sandell "L-form bacteria: How stress builds resistance"
Переведено с Английского языка – Барчева Ангелина
Некоторые бактерии могут сбрасывать свою клеточную стенку и формируя новую изменять свою форму, принимая в основном сферические формы. Такие бактериальные изменения известны как L-формы. Эти бактерии не только отличаются формой; они также принципиально отличаются от привычных форм бактерий. Механизм реакции бактерий на стресс способствует образованию бактерий L-формы.
Хотя переход в L-форму зависит от вида микроорганизма и встречается не так уж часто, появление L-форм может представлять опасность для пациентов, и такие организмы сложнее удалить из производственного процесса (включая проблемы со стерилезующей фильтрацией).
В данной статье оценивается феномен бактерий L-формы и рассматривается, что эта форма означает для двух ключевых областей: противомикробные препараты и стерилизующая фильтрация.
Когда бактерия становится L-формой, она демонстрирует плеоморфную активность. Бактерия сбрасывает клеточную стенку, принимает в основном сферическую форму и способна размножаться посредством почковательных процессов, в которых мембраны материнских клеток образуют дочерние везикулы. Однако не все эти везикулы содержат генетический материал.
Примером L-формы является листерия, которая может менять свою форму с палочкообразной на сферическую. Эти клетки с дефицитом клеточной стенки окружены только одной мембраной (1)*.
Другими примерами являются Escherichia coli, Enterococcus, Enterobacter и Staphylococcus. Бактерии L-формы были впервые обнаружены в 1935 году (2), но об этой форме еще многое предстоит узнать.
L-формы были описаны для нескольких типов бактерий. В отличие от Mycoplasma, Rickettsiae и Chlamydiae, каждый из которых является человеческим патогеном, у которого постоянно отсутствует стабильная клеточная стенка, L-формы применяются к бактериям, которые обычно имеют неповрежденные клеточные стенки (3).
Изменение формы происходит за счет дисбаланса между площадью поверхности и объемом, (4).
L-формы могут появляться при воздействии антибиотиков / антимикробных препаратов, активных в клеточной стенке (таких как пенициллин или лизоцим). Некоторые антимикробные препараты заставляют бактерии сбрасывать свою клеточную стенку, что является обычной точкой воздействия для большинства антимикробных препаратов. Образующиеся в результате атаки агентов везикулы заключены только в цитоплазматическую мембрану, что делает эти антибиотики неэффективными.
У бактерий L-форм отсутствуют жгутики, длинные тонкие отростки, которые позволяют некоторым формам бактерий продвигаться вперед, используя хлыстообразные движения. Однако у них остается возможность передвигаться посредством «скольжения».
Клеточная стенка — это слоистая структура, окружающая клетки, которая защищает их и поддерживает их форму. L-формы не обладают клеточной стенкой и демонстрируют большую хрупкость, но также большую гибкость и пластичность по отношению к окружающей среде.
Бактерии L-формы гораздо сложнее обнаружить, особенно с помощью стандартных методов культивирования, а стандартное окрашивание (например, по Граму) не будет эффективным ввиду отсутствия клеточной стенки.
Культивирование L-форм бактерий — непростая задача. Рост возможен в жидкой среде; высев на чашку затруднен так как они обычно не образуют колоний (5).
Бактерии L-формы обладают медленным ростом. В случае с Listeria формирование видимой колонии в пробирках с мягкой средой занимает не менее шести дней по сравнению с 16–20 часами для нормальных клеток (6).
Иногда обнаружить L-формы можно с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). (7).
Однако при работе с возбудителями человеческих инфекций обнаружение методов ПЦР затруднено, поскольку бактерии L-формы могут сохраняться внутри макрофагов в течение длительного времени (8), и недостаточное для обнаружения количество бактериальных белков и генетического материала попадает в кровоток (9).
Ученые доказали, что L-формы не только жизнеспособны, но и их репродуктивные механизмы могут соответствовать механизмам первых форм жизни на земле. Первые клетки не обладали жесткими стенками, поэтому они, делились как L-формы.
Таким образом, рост и размножение этих форм бактерий, может дать представление о том, как клетки прородители могли размножаться миллиарды лет назад.
L-формы реплицируются без механизма деления клеток бинарным делением.
Когда цитоплазматическая мембрана клетки L-формы инвагинирует в цитоплазму, материнская клетка производит везикулу (тонкостенный мешок), заполненную веществами из окружающей среды. Следовательно, эта первичная везикула лишена клеточных компонентов и, в частности, генетического материала.
Однако, формируя вторичные везикулы посредством мембранной экструзии в первичные, они заполняются цитоплазматическим материалом материнской везикулы, который обеспечивает всеми необходимыми для жизнеспособности компонентами клетки, такими как хромосомы и рибосомы. Последние позволяют бактерии производить белки.
Вновь образованные L-формы в жидкой среде остаются какое то время между собой через нитевидные трубчатые нити липидного материала. Однако везикулы в конечном итоге разделяются.
Однако L-формы размножаются только при определенных условиях. Например, если осмотические условия не подходят или быстро меняются, клетки станут нестабильными и могут взорваться изнутри.
Одной из проблем фармацевтических производств, особенно при производстве стерильных продуктов с использованием асептического процесса, является то, что, L-формы бактерий могут проходить через фильтр 0,45 мкм из-за гибкости их формы и переменчивых размеров. Также некоторые L-формы могут проходить через фильтр 0,22 мкм (что обычно считается фильтром «стерилизующего класса»).
L-формы отличаются от сверхмалых бактерий, которые могут проходить через определенные фильтры с фильтром пор 0,1 мкм, ( как Hylemonella и SAR324 (некультивируемая водообитаемых бактерий Deltaproteobacteria). Ультрамикробактерии, определяемые как бактерии с объемом клеток <0,1 мкм3; смесь грамположительных, грамотрицательных и лишенных клеточной стенки видов. Относительно небольшой размер ультрамикробактерий также позволяет им паразитировать на более крупных организмах (10).
Хотя L-формы представляют потенциальный риск, использование фильтров 0,1 мкм часто проблематично в фармацевтическом производстве так как замедляет скорость потока и пропускную способность фильтра – увеличивая производственный цикл. Альтернативой является использование двойной фильтрация, хотя и это трудно доказать с точки зрения эффективности.
Является ли L-форма постоянной?
L-форма может быть переходным состоянием бактерии (то есть возможен возврат к форме с клеточной стенкой) или постоянным состоянием, в котором бактерии поддаются культивированию в отсутствии провоцирующего первичное изменение агента (без возврата) (11).
Некоторые микробиологи считают, что L-формы являются независимой формой жизни, которая может неограниченно и свободно размножаться (12).
Переход от нормальной формы к L-форме сопровождается многими изменениями в метаболизме клеток и активности их генов. В L-формах гены, отвечающие за регуляцию стресса, активируются, а гены метаболизма и энергетического баланса наоборот подавляются. Часто бывает так, что развитие L-формы является ответом на воздействие окислителя.