Современные представления о таксономии, морфологических и функциональных свойствах бифидобактерий

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения России, г. Кемерово, Россия

Современные представления о таксономии, морфологических и функциональных свойствах бифидобактерий

Захарова Ю.В.

Леванова Л.А.

Резюме

бифидобактерия таксономия филогенетический

В лекции представлены современные сведения по систематике бифидобактерий, основанные на комбинированном принципе таксономии, включающем фенотипические, генотипические и филогенетические характеристики бактерий. Приведены данные о новых и реклассифицированных видах и подвидах бифидобактерий. Дана характеристика состава и общих признаков представителей семейства Bifidobacteriaceae. Описаны морфология, особенности строения клеточной стенки бифидобактерий, современные данные о геноме и внехромосомных факторах наследственности. Уделено внимание пилеподобным структурам как основным факторам адгезии, их строению, условиям и интенсивности образования у разных видов бифидобактерий. Показана роль некоторых сахаролитических ферментов бифидобактерий в адгезивном процессе. Представлены данные по физиологии бифидобактерий, в том числе особенностям метаболизма, ключевых ферментах, участвующих в сбраживании гексоз, описаны источники питания и условия роста, о чувствительности бифидобактерий к кислороду и их экологии.

Ключевые слова: бифидобактерии, таксономия, морфология, метаболизм, экология.

Current opinion on taxonomy, morphological, and functional properties of bifidobacteria

Yuliya V. Zakharova, Lyudmila A. Levanova

Kemerovo State Medical University (22a, Voroshilova Street, Kemerovo, 650056), Kemerovo, Russian Federation

Abstract

Here we present current information on the taxonomy of bifidobacteria, which is based on their phenotypic, genetic and phylogenetic characteristics. We also provide the data on newly discovered and reclassified species and subspecies of bifidobacteria. Furthermore, we consider the composition of the Bifidobacteriaceae family. This lecture summarizes the general data on morphology, cell wall structure, genome, and extrachromosomal inheritance in bifidobacteria. Particular attention is given to pili-like structures and saccharolytic enzymes responsible for adhesion. We then review key energy sources of bifidobacteria, their growth conditions, and specific enzymes involved in the fermentation of hexoses. Finally, we discuss ecological aspects related to bifidobacteria.

Keywords: bifidobacteria, taxonomy, morphology, metabolism, ecology.

Введение

В настоящее время бифидобактерии все чаще привлекают внимание исследователей. Бифидобактерии, являясь облигатными представителями нормальной микрофлоры толстого кишечника, выполняют многочисленные функции, направленные на поддержание и сохранение здоровья человека. Кроме того, бифидобактерии широко используются в качестве микроорганизмов, являющихся основой для изготовления пробиотических препаратов, биологически активных добавок и продуктов функционального питания, показания к применению которых все время расширяются. Однако в последние годы появляются отдельные сведения об участии бифидобактерий в патологических процессах, таких как, кариес, септические состояния у иммунодефицитных больных, что свидетельствует о том, что даже индигенная микрофлора при определенных состояниях может проявлять оппортунистические свойства.

Несмотря на то, что бифидобактерии были открыты еще в конце 19 века, сведения о них достаточно немногочисленны и противоречивы. Поэтому становится важным систематизировать и актуализировать данные по биологии и экологии бифидобактерий с учетом достижений отечественных и зарубежных исследователей.

Филогения и таксономическое положение бифидобактерий

Бифидобактерии впервые были обнаружены в 1899 году Tissier, который называл их “палочка бифидо”. В начале 20 века, учитывая сходство бифидобактерий с лактобактериями, согласно 7-му изданию «Bergey's Manual of Determinative Bacteriology», они были включены в род Lactobacterium. В 8-м издании руководства Берги бифидобактерии были уже выделены в отдельный род Bifidobacterium, название которого было первоначально предложено Orla-Jensen в 1924 году [1]. Род включал восемь видов и был отнесен в семейство Actinomycetaceae, порядка Actinomycetales, хотя строение пептидогликана клеточной стенки бифидобактерий больше было похоже на пептидогликан микроорганизмов семейства Lactobacillaceae.

В 1980 году применение молекулярно-генетических методов анализа последовательности генов р-РНК подтвердило принадлежность бифидобактерий к группе «Актиномицетов». В настоящее время использование молекулярно-генетических методов позволило определить и уточнить таксономическое положение и классификацию различных представителей нормальной микрофлоры, в том числе и бифидобактерий. Для исследования таксономии рода Bifidobacterium была использована полимеразно-цепная реакция (ПЦР) с видоспецифическими праймерами для генов 16S рРНК, выявляющих консервативные нуклеотидные последовательности [1]. При этом идентификация видов бифидобактерий даже с помощью молекулярно-генетических методов считается проблематичной в связи с присущей им генотипической гетерогенностью [1, 2]. Интеграция и анализ данных по фенотипическим, генотипическим и филогенетическим характеристикам, получившие название полифазной или комбинированной таксономии, упорядочили номенклатуру и систематизацию представителей рода Bifidobacterium, реклассифицировав многие виды бифидобактерий [1].

Бифидобактерии относят к домену Bacteria, типу Actinobacteria, классу Actinobacteria, порядку Bifidobacteriales, семейству Bifidobacteri- асеае, роду Bifidobacterium [1, 2]. В составе рода Bifidobacterium насчитывают более 40 видов (таблица 1).

В настоящее время номенклатура и систематизация представителей рода Bifidobacterium не закончены и осуществляются в нескольких направлениях: выявляются и описываются новые виды, реклассифицируются уже существующие, в том числе и производственные штаммы [1, 3].

Общая характеристика семейства Bifidobacteriaceae

Семейство Bifidobacteriaceae включает роды Bifidobacterium (более 45 видов на 2016 год), Alloscardovia (один вид), Aeriscardovia (один вид), Metascardovia (один вид), Parascardovia (один вид), Scardovia (один вид), которые являются близкими филогенетическими соседями, и род Gardnerella (один вид) [1].

Представители этого семейства представляют собой полиморфные палочки, расположенные поодиночке или образующие одноклеточные цепочки или скопления. Бактерии не имеют капсулы, не образуют спор, неподвижные и не ветвятся, в окраске по Граму - грамположительны, кроме гарднерелл, которые окрашиваются грамвариабельно. Большинство представителей семейства Bifidobacteriaceae являются анаэробами. Среди бифидобактерий некоторые виды аэротолерантны к кислороду, а B. psychraerophilum, B. scardovii, и B. tsurumiense могут расти в аэробных условиях. Микроорганизмы рода Gardnerella имеют факультативно анаэробный тип дыхания, представители рода Aeriscardovia могут расти в аэробных условиях.

Таблица 1. Виды и подвиды бифидобактерий

Table 1. Species and subspecies of bifidobacteria

Представители семейства не гидролизуют желатин, не продуцируют индол, не имеют оксидазы, но обладают фруктоза-6-фосфокетолазой, которая расщепляет фруктозо-6-фосфат до ацетилфосфата и эритрозо-4-фосфата. Содержание G+C пар в ДНК колеблется от 42 до 67 мол.%. Они хемоорганотрофы, имеющие ферментативный тип метаболизма, и разлагают различные углеводы до кислоты, без образования газа. Оптимальная температура роста составляет 30-39°С [1]. Типовой род: Bifidobacterium (Orla-Jensen, 1924).

Морфология и ультраструктура бифидобактерии

Представители рода Bifidobacterium являются палочками, размером 0,5-1,3*1,5-8 мкм. Они обычно несколько изогнуты, имеют разветвления в виде Y- или V-формы, с булавовидными вздутиями на концах. Иногда встречаются раздутые кокковидные формы. В мазках клетки располагаются одиночно, парами, иногда цепочками, палисадом или розетками. Грамположительные, окрашивание часто неравномерное, не образуют спор, неподвижны. Микроскопическая картина каждого вида бифидобактерий имеет особенности по размеру, форме и расположению клеток [1, 4].

Наиболее часто встречающиеся морфологические формы среди бифидобактерий представлены на рисунке 1.

Морфология бифидобактерий зависит от условий культивирования. При выращивании бифидобактерий на печеночном агаре или в молоке ветвление исчезает, появляется много гранулированных форм, которые иногда можно принять за кокки, клетки становятся грамвариабельными. Ветвление чаще происходит в среде, неполноценной в отношении источников питания. Появление полиморфных клеток у бифидобактерий индуцируется ионами металлов (калия, натрия, лития, цезия), а также исключением из среды культивирования одной из четырех аминокислот (аланина, серина, аспарагиновой кислоты, L(+)-глутаминовой кислоты). Среди штаммов, выделенных из кишечника взрослых людей, преобладают палочковидные и булавовидные формы; ветвящиеся палочки чаще встречаются у детей грудного возраста. На ранних стадиях развития у бифидобактерий преобладают палочковидные формы, а при дальнейшем культивировании образуются разветвленные нити с многочисленными перегородками в основном стволе и ответвлениях [1, 4].

В клеточных стенках бифидобактерий содержится значительное количество полисахаридов, как правило, галактоза, глюкоза с рамнозой [1]. О наличии липотейхоевых кислот, которые не разрушаются после применения лизоцима, стало известно в 1983 году. Иммунохимические исследования показали, что липотейхоевые кислоты являются общим антигеном в пределах рода Bifidobacterium. Кроме того, белки и липотейхоевые кислоты обусловливают самостоятельно либо в составе динамических комплексов гидрофобный характер поверхности бифидобактерий [5]. Поверхностные белковые компоненты участвуют в адгезии бифидобактерий [5, 6]. Изучение клеточных структур (липотейхоевых кислот, белков) и взаимодействие клеток с субстратом необходимы для понимания механизмов, которые регулируют бактериальную адгезию и, следовательно, колонизацию.

Фосфолипидный состав клеточной стенки некоторых бифидобактерий был изучен еще в 1971 году. Различия в составе полиглицерина фосфолипидов и аминоацилфосфатидилглицерола помог различить два рода. Изменения состава поверхностных бактериальных липидов в процессе роста на желчесодержащих средах позволило говорить, что липидная композиция напрямую влияет на адгезивные свойства бифидофлоры [6, 7].

В настоящее время изучено большое число факторов адгезии бифидобактерий [6]. Так, с помощью атомно-силовой микроскопии у бифидобактерий выявлено наличие пилеподобных структур. Выросты, напоминающие пили, обнаружены у штаммов B.bifidum, В.1опдит subsp. 1опдит, В^епйит, B.adolescentis и В.ап- та1^ subsp. lactis. Ворсинки бифидобактерий организованы как у большинства грамположительных бактерий и характеризуются ковалентной полимеризацией субъединиц пилина, которая осуществляется посредством транспептидазного фермента сортазы [8].

В секвенированных геномах В. dentium, В. 1опдит subsp. 1опдит, В. bifidum, В. adolescentis, и В. атта1^ subsp. 1аЛ^ обнаружены гены, кодирующие субъединицы пилина и сортазы. Однако эти гены отсутствуют в геноме В. 1опд- ит subsp. ^аШ^. Наибольшее количество генов, кодирующих пили, идентифицировано в геноме В. dentium, поэтому данный микроорганизм обладает широким адаптивным потенциалом и обнаруживается в разных экологических нишах [8, 9].

Рисунок 1. Морфология различных видов рода Bifidobacterium. фазово-контрастные микрофотографии (увеличение 1500*)

Figure 1. Morphology of various Bifidobacterium species. Phase- contrast microscopy, x1500 magnification

Кроме пилеподобных структур у бифидобактерий присутствуют и афимбриальные факторы адгезии [6]. Это поверхностно-связанные белки с ферментативной активностью, опосредующие колонизацию кишечника человека через деградацию внеклеточного матрикса. Анализ протеинов В. bifidum с помощью масс-спектрометрии позволил идентифицировать в качестве адгезина фермент трансальдолазу. Этот фермент участвует в пентозофосфатном пути и отвечает за конверсию фруктозо-6-фосфата.

Взаимодействие с системой плазминогена/плазмина хозяина представляет собой новый компонент в молекулярных перекрестных взаимодействиях между бифидобактериями и организмом человека. Плазминоген является проферментом плазмина, трипсиноподобной сериновой протеазой с широкой субстратной специфичностью. Он синтезируется в основном гепатоцитами, однако выявлены и другие источники плазминогена, в том числе плазминоген синтезируется в кишечнике. В активной форме плазмин участвует в фибринолизе и деградации экстрацеллюлярного матрикса и базальной мембраны. С прикреплением плазминогена на поверхности бактериальной клетки и его последующим преобразованием в плазмин, микроорганизм приобретает поверхностно-связанный белок с протеолитической активностью. Это облегчает миграцию бактерий между физическими и молекулярными барьерами макроорганизма и позволяет удовлетворять питательные потребности микробов в ходе колонизационного процесса. Недавно продемонстрировано действие енолазы как плазминоген-связывающего рецептора у трех видов бифидобактерий - B. lactis, B. bifidum и B. longum. При этом енолаза В. lactis отличается меньшим сродством к плазминогену по сравнению с енолазой патогенных микроорганизмов - Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae. Дело в том, что у енолазы В. lactis присутствует только один сайт связывания с человеческим плазминогеном [9].

В адгезии бифидобактерий на эпителиальных клетках принимают участие также липотейхоевые кислоты (ЛТК). У всех грамположительных бактерий они состоят из 1,3-связанных цепей полиглицеролфосфата и гликолипидных фрагментов. Липотейхоевые кислоты закреплены в клеточной стенке посредством липидных остатков. У бифидобактерий ЛТК имеют уникальное строение, что обусловлено расположением анионных глицерофосфатных цепочек в виде боковых радикалов на галактофуранановых цепях. У B. bifidum, B. breve, и B. longum имеются два типа ЛТК, которые отличаются по содержанию жирных кислот [5]. Иногда дополнительные остатки жирных кислот могут быть присоединены к углеводному остатку липидного якоря, такому как галактопираноза. У бифидобактерий отмечается большое содержание в составе липидной части молекулы олеиновой и пальмитиновой кислот, доля которых достигает 40%, тогда как у стрептококка, например, их содержание не превышает 24%. У разных штаммов и видов бифидобактерий ЛТК отличаются по длине Я-гликановых и Я-галактофуранановых цепей, а также числом глицерофосфатных цепочек, т.е. как и у большинства микроорганизмов эти полимеры имеют таксономическое значение. С помощью ЛТК бифидобактерии обратимо связываются с колоноцитами, при этом взаимодействие c эпителиальными клетками происходит посредством липидной части кислот [5].

Таким образом, бифидобактерии обладают широким набором факторов адгезии, что позволяет им доминировать в кишечном микро сим- биоценозе и успешно конкурировать в борьбе за сайты связывания на слизистой с патогенными и условно-патогенными микроорганизмами.

Генетика бифидобактерий

Исследование генома бифидобактерий является важным шагом к пониманию механизмов взаимодействия между микробами и хозяином. Недавно были полностью секвенированы геномы B. adolescentis, B.animalis subsp. lactis, B.longum subsp. longum, B. longum subsp. infantis. Эти геномы показывают высокое сходство последовательностей по всей хромосоме с некоторыми особенностями для каждого штамма [1].

В геноме B.longum subsp. longum, выделенной от младенца, было определено 1730 нуклеотидных последовательностей с соотношением G+C пар равным 60 моль%. Биоинформационный анализ выявил несколько особенностей, которые могут объяснить успешную адаптацию этого микроорганизма в толстой кишке. У B.longum subsp. longum неожиданно большое количество белков оказались специализированы для катаболизма различных олигосахаридов, некоторые, возможно, являются редкими или новыми гликозилгидролазами, действующими на неперевариваемые волокна или на производные гликопротеинов и гликоконъюгатов. Это умение утилизировать большое количество разнообразных питательных веществ, способствует повышению конкурентоспособности и устойчивости бифидобактерий в толстой кишке [1].

Также был секвенирован геном В. longum subsp. infantis. Этот крупнейший геном среди бифидобактерий, состоящий из 2832748 нуклеотидных пар. Это геном отражает конкурентную стратегию, ориентированную на использование молока, которое имеет огромную ценность для новорожденного. Несколько хромосомных локусов отражают адаптационный потенциал данных бифидобактерий, в том числе 43 kbp кластер, который осуществляет кодировку внеклеточных белков и пермеаз, активных в отношении олигосахаридов молока. Анализ олигосахаридов, присутствующих в грудном молоке, и возможностей метаболизма у «младенческих» штаммов является основой для гипотезы о трёх эволюционных механизмах: грудное молоко-младенец-бифидобактерии. Грудное молоко является источником олигосахаридов, которые не перевариваются в кишечнике ребенка, а используются бифидобактериями, которые играют важную роль для младенческого организма.

При исследовании генома 1461 изолятов бифидобактерий, относящихся к 24 видам, у 20% были обнаружены плазмиды [1]. Однако только четыре вида этих бактерий содержали внехромосомные факторы наследственности, а именно Bifidobacterium longum subsp. longum, Bifidobacterium pseudolongum subsp. globosum, Bifidobacterium asteroides и Bifidobacterium in- dicum. Bifidobacterium longum subsp. longum имеют несколько плазмид (1.25-9.5 Мда), B. pseudolongum subsp. globosum, содержит одну плазмиду из трех классов молекулярных масс (13,5, 24,5 и 46 Мда). B. indicum содержат одну плазмиду массой 22 Мда. Примечательно, что Bifidobacterium longum subsp. infantis, тесно связанная с Bifidobacterium longum subsp. longum, не содержала плазмид, хотя штаммы этих видов были изолированы от одних и тех же людей. Позже плазмиды были также выделены у B. breve. Все плазмиды до сих пор плохо изучены. Только у Bifidobacterium pseudolongum subsp. globosum обнаруживается связь между плазмидными генами и ауксотрофностью по L-лейцину. У остальных бифидобактерий фенотипические свойства не коррелируют с наличием плазмид [1].

Питание и условия роста бифидобактерий

Важными компонентами для стимулирования роста бифидобактерий являются биотин, кальций пантотенат и пиридоксин. Также стимулирует рост бифидофлоры панкреатин. Для B. asteroides незаменимы парааминобензойная и фолиевая кислоты. Исследование потребностей в питании девяти видов Bifidobacterium человеческого и животного происхождения, в том числе B. dentium, показало большую гетерогенность среди видов по этому признаку, но чаще всего необходимыми питательными веществами для роста являются пантотенат кальция и рибофлавин. Большое количество бифидобактерий в качестве единственного источника азота могут использовать соли аммония. Однако B. choerinum, B. cuniculi, B.magnum, B. pseudolongum subsp. globosum и B. longum subsp. suis не растут в отсутствие органического азота. Активность ферментов, таких как глу- таматдегидрогеназа и глутаминсинтетазы позволяет бифидобактериям ассимилировать аммиак. В средах с органическими соединениями азота значительное количество аминокислот продуцируют виды B.adolescentis, B. animalis, B. dentium, Bifidobacterium longum subsp. infantis и Bifidobacterium thermophilum. В общем пуле продуцируемых бифидобактериями аминокислот большая доля приходится на сумму аланина, аспарагиновой кислоты и валина. B. bifidum способны продуцировать треонин [1].

Сравнительные исследования по синтезу водорастворимых витаминов (цианокобаламина, фолиевой и пантотеновой кислоты, никотиновой кислоты, пиридоксина, рибофлавина, тиамина) среди видов, выделенных из человеческих фекалий, показали, что многие штаммы могут синтезировать все перечисленные витамины, за исключением пантотеновой кислоты и рибофлавина [1]. Концентрация витаминов широко варьирует у различных видов или штаммов. Также была продемонстрирована способность бифидобактерий синтезировать биотин.

Некоторые факторы, получившие название «бифидогенных-факторов», способны стимулировать рост именно бифидобактерий. Первый «бифидогенный-фактор» был обнаружен в 1954 году, он был найден в грудном молоке. Этот фактор был позже найден в составе гликопротеинов и олигосахаридов, содержащих N-а- цетил^-глюкозамин. Другим стимулирующим бифидобактерии фактором, как предполагали, является низкое содержание белка в человеческом молоке [1, 11]. Сниженное содержание белка в молоке уменьшает буферную емкость и таким образом способствует формированию кислотной среды в кишечнике, что должно способствовать росту бифидобактерий. Однако в экспериментальных исследованиях [1, 11] использование сниженного содержания протеина в молочной смеси (1,2 г/100 мл) не увеличивало количество бифидобактерий.

Росту бифидобактерий способствует лактоферрин - железо-связывающий белок. Лактоферрин из зрелого коровьего молока увеличивает in vitro рост B.breve и B. infantis в зависимости от концентрации, в то время как лактоферрин человека способствует росту B.bifidum, но не B. breve и B. infantis [1].

Олиго- и полисахариды также классифицируются как «бифидогенные факторы». Было установлено, что олигомерные формы некоторых моносахаридов используются бифидофлорой более эффективно, чем мономерные [1, 11, 12]. Среди многочисленных олигосахаридов, олигосахариды сои, которые состоят в основном из трисахарида раффинозы и тетрасахарида стахиозы, стимулируют рост бифидобактерий. Недавно были выявлены и названы «бифидогенными факторами» фруктоолигосахариды (ФОС), синтетические олигосахариды, и трансгалактозилированные олигосахариды (ТОС). Гликоолигосахариды также способны стимулировать рост бифидобактерий, хотя и менее интенсивно, чем ФОС и ТОС [11, 12]. Полисахарид инулин увеличивает количество фекальных бифидобактерий, имея похожий пребиотический эффект, что и олигофруктоза.

Отношение бифидобактерий к кислороду

Бифидобактерии - анаэробные микроорганизмы. Они, как правило, не развиваются в аэробных условиях. Однако чувствительность к кислороду варьирует в зависимости от штамма или вида. Большинство видов не развиваются в атмосфере СО2-обогащенного воздуха (90% воздуха: 10% СО2), но Bifidobacterium pseudolongum subsp. globosum, Bifidobacterium thermophilum, и Bifidobacterium longum subsp. suis способны продуцировать каталазу. B. asteroides растет в этих условиях и также является каталазоположительными. B. indicum ведет себя аналогично, но становятся каталазаположительными, только если к среде добавляется гемин. Большинство недавно описанных видов - B. mongoliense, B. psychraerophilum, и B. tsurumiense - способны расти в аэробных условиях [1].

Способность бифидобактерий переносить временные контакты с атмосферным кислородом связана с системами никотинамидаденин- динуклеотид восстановленная форма - окси- даза (НАДН - оксидаза), никотинамидадениндинуклеотид восстановленная форма - пероксидаза (НАДН - пероксидаза). Показано, что В. breve, В. infantis и В. longum способны к слабому росту в условиях частичной аэрации. Эти виды бифидобактерий могут поглощать кислород, так как содержат НАДН - оксидазу, НАДН - пероксидазу. Надо отметить, что увеличению устойчивости бифидобактерий к кислороду способствует молочная кислота, вырабатываемая ими в процессе метаболизма углеводов [1].

Метаболизм и метаболические пути расщепления гексоз

Брожение из гексоз происходит у представителей рода Bifidobacterium через последовательность реакций (бифидо-шунт), которые показаны на рисунке 2. Многие ферменты для расщепления моно- и дисахаридов в фрукто- за-6-фосфатном шунте не выявлены, но установлено присутствие арабинозидаз, А и В-галактозидаз, глюкозидаз, гексозаминидаз, ину- линазы, изомальтазы, маннозидазы, неопулланазы и ксиланазы [1, 12-14].

В дополнение к этим ферментам, ответственным за расщепление сложных углеводов, были найдены восемь высокоаффиных олигосахарид-транспортеров и этим можно объяснить олигомирезацию сахаров [13, 14].

ФОС являются одними из сахаров, которые квалифицируются как пребиотики. Они включают в себя разнообразные семейства естественных олигосахаридов, используемых в продуктах питания и в виде пищевых добавок.

Они представляют собой неперевариваемые олигосахариды и состоят из коротких и средних цепей фруктозы, связанных Ё-(2-1) связью, которые в свою очередь соединены с глюкозой. Из-за этих Ё-(2-1) связей ФОС устойчивы к действию ферментов млекопитающих и, таким образом, способны достичь толстой кишки, где они служат источником легкоусвояемых субстратов для бифидобактерий. Инвертазы катализируют гидролиз Ё-(2-1) гликозидных связей сахарозы, которая распадается на смесь глюкозы и фруктозы в эквимолярных соотношениях. Недавние исследования о деятельности инвертаз продемонстрировали способность бифидобактерий расщеплять ФОС, а также сахарозу. Экзоинулазы были обнаружены у B.infantis (АТСС 15697T). Этот фермент представляет собой мономерный белок (М-70 000 кДа), который катализирует деградацию инулина, 1-кестозы, нистозы, раффинозы и сахарозы [12, 13].

Установлено, что бифидобактерии обладают уреазой. Уреазная активность была найдена у всех видов бифидобактерий за исключением B. cuniculi. Наибольшую уреазную активность имеют Bifidobacterium longum subsp. suis, при чем более 80% бифидобактерий этого вида являются уреолитическими. Среди B. breve и Bifidobacterium longum subsp. longum только 10% штаммов являются уреолитическими, а B.bif- idum характеризуются низкой уреазной активностью [1].

Экология бифидобактерий

Бифидобактерии являются резидентами пищеварительного тракта младенцев и взрослых [15]. Однако в исследованиях по изучению экологии бифидобактерий, проведенных кафедрой микробиологии Болонского университета (Италия), изолировано более 7000 штаммов из разных источников, а не только из кишечника [1].

Выделенные штаммы хранятся и поддерживаются в коллекции BUSCOB (Bologna University Scardovi Collection of Bifidobacteria) [1]. Исследования показали, что B. bifidum и B. longum subsp. longum чаще всего обнаруживают в кишечнике детей и взрослых, в то время как B.dentium вместе с другими представителями семейства Bifidobacteriaceae, такими как Scardovia inopinata и Parascardovia denticolens, являются типичными представителями кариесных очагов [16]. B. adolescentis, B. bifidum, Bifidobacterium longum subsp. longum, и B. breve обычно обнаруживают во влагалище здоровых женщин [17]. Кроме того, бифидобактерии получены от многих животных и от медоносных пчел [1].

Рисунок 2. Схема утилизации глюкозы бифидобактериями (Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, second edition)

Figure 2. Metabolism of glucose by bifidobacteria (Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, second edition)

Одиннадцать видов бифидобактерий были обнаружены в сточных водах: шесть человеческого происхождения и пять от животных [1]. B. minimum и B. subtile были первоначально изолированы из сточных вод. Эти два вида не могли выделить из других биотопов в течение двух десятилетий, таким образом, вставал вопрос о возможном развитии бифидобактерий в экс- траэнтеральных экологических нишах. Однако в 2003 году B. minimum были изолированы из слепой кишки кролика, а в 2009 году B. subtile были изолированы от человека с кариозным поражением зубов. Это подтвердило, что канализация не является средой обитания для бифидобактерий. B. mongoliense выделили из кумыса. Недавно выделенные B. thermacidophilum sub- sp. thermacidophilum и B. thermacidophilum были изолированы из анаэробного варочного котла, который использовался для очистки сточных вод от отходов фермерского производства. Эти виды отличаются от других видов бифидобактерий по их способности расти при 49,5°С и в средах с рН 4.0. В 2002 году из человеческой крови были изолированы B. scardovii. Еще один недавно описанный вид B. tsurumiense изолирован из зубного налета хомячка, а в 2009 году из пищеварительного тракта шмелей выделены B. bombi. Таким образом, не смотря на анаэробный тип дыхания и сложные питательные потребности, бифидобактерии являются микроорганизмами с широким адаптивным потенциалом, которые можно выделить не только из различных биотопов человека и животных, но и из объектов окружающей среды.

Заключение

В связи с высокой генотипической гетерогенностью таксономия бифидобактерий базируется на сочетании молекулярно-генетических, фенотипических и филогенетических признаков. Использование комбинированного принципа (полифазная таксономия) позволило реклассифицировать множество видов бифидобактерий.

Бифидобактерии обладают очень большим набором фимбриальных и афимбриальных адгезинов, что позволяет им конкурировать в борьбе за сайты связывания на слизистой кишечника с патогенными и условно-патогенными микроорганизмами.

Исследование генома бифидобактерий раскрывает высокий адаптационный потенциал данных микроорганизмов к симбиотическим взаимоотношениям с человеком. Адаптационная пластичность обусловлена гетерогенностью бифидобактерий по отношению к температуре и кислороду, которая варьирует в зависимости от штамма и вида. Кроме того, бифидобактерии обладают широким набором сахаролитических ферментов, позволяющим им сбраживать огромное количество гексоз через уникальный «бифидо-шунт». Благодаря экологической пластичности бифидобактерии можно обнаружить не только в различных биотопах человека, животных и насекомых, но их также можно выделить из окружающей среды, что изменяет мнение о том, что они являются прихотливыми анаэробными микроорганизмами, которые «зависят» от организма хозяи- на-симбионта.

Литература / References

1. Whitman W.B., Goodfellow M., Kдmpfer P., Busse H-J., Trujillo M.E., Ludwig W., et al. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, 2nd ed., Vol. 5, parts A and B, Springer-Verlag, New York, 2012: 2031 p. 2.

2. Levanova L.A., Zakharova Yu.V. Systematics, taxonomy and classification of bacteria. Fundamental and Clinical Medicine. 2017; 1(2): 91-101. Russian (Леванова Л.А., Захарова Ю.В. Систематика, таксономия и классификация бактерий // Фундаментальная и клиническая медицина. 2017. № 1 (2). С. 91-101).

3. Salgina A.V., Bondarenko T.A., Ivanova E.V., Perunova N.B. Comparison of methods for identification of the genus Bifidobacterium. Vestnik of Orenburg State University. 2014; 13 (174): 92-95. Russian (Салгина А.В., Бондаренко Т.А., Иванова Е.В., Перунова Н.Б. Сравнение методов идентификации представителей рода Bifidobacterium // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 13 (174). С. 92-95).

4. Amerhanova A.M. Morphological variability of microorganisms of bifidobacterium genus. Public Health and Environment. 2012; (12): 33-35. Russian (Амерханова А.М. Морфологическая изменчивость микроорганизмов рода бифидобактериум // Здоровье населения и среда обитания. 2012. №12. С. 3335).

5. Percy M.G., Grundling A. Lipoteichoic acid synthesis and function in gram-positive bacteria. Annu Rev Microbiol. 2014; 68: 81-100.

6. Zakharova Yu.V. Factors of adhesion of bifidobacteria. Journal of Microbiology, Epidemiology, and Immunology. 2016; (5): 80-87. Russian (Захарова Ю.В. Факторы адгезии бифидобактерий. Журн. микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2016. № 5. С. 80-87).

7. Zakharova Yu., Sukhikh A.S. Chromatographic analyses of membrane fatty acid Bifidobacterium with different hydrophobicity. Sorption and Chromatographic Processes. 2015; 6 (15): 280-287. Russian (Захарова Ю.В., Сухих А.С. Хроматографический анализ жирных кислот клеточных стенок бифидобактерий с разной гидрофобностью // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. № 6 (15). С. 280-287).

8. Turroni F., Serafini F., Mangifesta M., Arioli S., Mora D., van Sinderen D., et al. Expression of sortase-dependent pili of Bifidobacterium bifidum PRL2010 in response to environmental gut conditions. FEMS Microbiol Lett. 2014; 357 (1): 23-33.

9. Wei X., Yan X., Chen X., Yang Z., Li H., Zou D., et al. Proteomic analysis of the interaction of Bifidobacterium longum NCC2705 with the intestine cells Caco-2 and identification of plasminogen receptors. J Proteomics. 2014;108: 89-98.

10. Milani C., Turroni F., Duranti S., Lugli G.A., Mancabelli L., Ferrario C., et al. Genomics of the genus Bifidobacterium reveals species-specific adaptation to the glycan-rich gut environment. Appl Environ Microbiol. 2015; 82(4): 980-991.

11. Gibson G.R., Rastall R.A. Prebiotics: development and applications. John Wiley and Sons, Ltd, 2006: 256.

12. Sannohe Y., Fukasawa T., Koda J., Kubota H., Kanegae M. Comparison of the growth of Bifidobacteria in two culture media containing either 1-kestose (GF2) or nystose (GF3). Bioscience Microflora. 2008; 27(1): 13-17.

13. Turroni F., Strati F., Foroni E., Serafini F., Duranti S., van Sinderen D., et al. Analysis of predicted carbohydrate transport systems encoded by Bifidobacterium bifidum PRL2010. Appl Environ Microbiol. 2012; 78(14): 5002-5012.

14. Gonzalez-Rodriguez I., Gaspar P., Sanchez B., Gueimonde M., Margolles A., Neves A.R. Catabolism of glucose and lactose in Bifidobacterium animalis subsp. lactis, studied by 13C nuclear magnetic resonance. Appl Environ Microbiol. 2013; 79(24): 7628-7638.

15. Sivieri K., Bassan J., Peixoto G., Monti R. Gut microbiota and antimicrobial peptides. Anaerobe. 2017; 44: 48-50.

16. Beighton D., Al-Haboubi M., Mantzourani M., Gilbert S.C., Clark D., Zoitopoulos L, et al. Oral Bifidobacteria: caries-associated bacteria in older adults. J Dent Res. 2010; 89(9): 970-974.

17. Freitas A.C., Hill J.E. Quantification, isolation and characterization of Bifidobacterium from the vaginal microbiomes of reproductive aged women. Anaerobe. 2017; 47: 145-156.

Размещено на Allbest.ru