CC BY
143
Биология
УДК 57
DOI 10.21661/r-465286
А.М. Кушманова, А.Б. Абжалелов
Разработка пробиотических препаратов
на основе молочнокислых бактерий и растительных остатков
Аннотация
Мировой рынок биопрепаратов активно развивается, так как налажено производство множества пробиотических препаратов на основе молочнокислых бактерий. Используются пробиотические препараты в медицине и пищевой отрасли в качестве лекарственных средств либо биологически активных добавок. Как известно, механизмы развития дисбиотических состояний связаны не только с угнетением резидентной микрофлоры и заселением биотопа открытой слизистой поверхности человеческого организма условно-патогенными микроорганизмами, но и сопровождаются морфофункциональными нарушениями слизистой оболочки. Молочнокислые бактерии в составе пробиотических препаратов противодействуют заселению биотопа условно-патогенными микроорганизмами, но не улучшают морфо-функциональное состояние слизистой оболочки, точнее, не оказывают противовоспалительное и цитопротекторное действие. Но такими свойствами обладают многие фитопрепараты, экстракты лекарственных растений, в том числе и экстракт тополя бальзамического. Поэтому разработка биопрепарата на основе пробиотически активных микроорганизмов и растительных экстрактов, характеризующихся противовоспалительным и цитопротекторным действием, является особо актуальным.
| Ключевые слова: молочнокислые бактерии, растительные экстракты, биопленка, пробиотики.
А.М. Kushmаnоvа, А.В. Аbzhаlеlоv
1Ие dеvеlорmеnt РГОЬ№ ргерагайопв bаsеd оп 1асйс аcid bаctеriа аnd рlаnt гениев
Abstract
The world market of biopreparations is actively developing, as the production of а lot of probiotic preparations based on lactic acid bacteria is established. Probiotic preparations are used in medicine and food industry as medicines or biologically active additives. At the same time, the mechanisms for the development of dysbiotic conditions are associated not only with the inhibition of the resident microflora and the populating of the biotope of the open mucosa of the human body by conditionally pathogenic microorganisms, however also accompanied by morpho-functional disorders of the mucosa. Lactic acid bacteria in the composition of probiotic preparations counteract the settling of the biotope by conditionally pathogenic microorganisms, however they do not improve the morpho-functional state of the mucosa, or, more precisely, do not exert an anti-inflammatory and cytoprotective effect. However such properties are possessed by many phytopreparations, extracts of medicinal plants, including the balsamic poplar extract. Therefore, the development of a biopreparation based on probiotic active microorganisms and plant extracts, characterized by anti-inflammatory and cytoprotective action is particularly relevant.
I Keywords: lectic 8cid bаctеriа, ptant axtr8cts, biQfilm, probiotics.
Скрининг и разработка пробиотических препаратов на основе молочнокислых бактерии, характеризующихся бактериоцин продукцией, обладающих биопленкообразующим и антиокси-
дантным свойствами является актуальным направлением научных исследований в области биотехнологии микроорганизмов. Введение в состав микробного препарата фитоэкстракта на основе тополя бальзамическо-
В1о!оду
го, обладающего противоспалительным и цитопротек-торным действием существенно повышает практическую значимость исследования.
Значимая роль пробиотиков в обеспечении проти-воинфекционной защиты организма, коррекции дис-биотических нарушений кишечника общеизвестна. Еще более полезны для коррекции нарушенной микроэкологии кишечного либо иного биотопа открытых слизистых поверхностей являются биопрепараты, сочетающие в себе пробиотически активные микроорганизмы и экстракты растительного происхождения. Они стимулируют рост и физиологическую активность пробиотических микроорганизмов, а также улучшают морфофункциональное состояние слизистой оболочки кишечного биотопа.
Особенностью комплексных препаратов, которые сочетают в себе биологически активные соединения как микробного, так и растительного происхождения является проявление синергического действия, которое достигается за счет более активного размножения пробиотических микроорганизмов в биотопе, большей адгезии на поверхности слизистой кишечника и соответственно, их более эффективному антиинфекционному действию.
Антагонистическая активность микроорганизмов для пробиотиков, в частности лактобацилл многократно исследована самыми разными методами с использованием различных тест-культур (условнопа-тогенные грамнегативные и грампозитивные бактерии и кокки). Большинство молочнокислых бактерий этой таксономической группы обладают выраженным антагонизмом к той или иной группе. Микроорганизмы, которые используют в качестве пробиотиков, должны иметь высокую скорость роста, колонизационный потенциал (устойчивость к низким рН, желчным кислотам, антимикробным субстанциям) в пищевом тракте, стабильные характеристики клинической и технологической эффективности, четкую фи-зиолого-биохимическую и генетическую маркировку, быть совместимыми с другими микроорганизмами, присутствующими в желудочно-кишечном тракте и не проявлять побочных эффектов при длительном использовании. Основные процессы, которые обеспечивают положительный эффект пробиотиков на основе живых микроорганизмов на организм человека через нормализацию его микробной экологии, приведены ниже:
- основные функции: ингибирование роста потенциально вредных микроорганизмов в результате продукции антимикробных субстанций, активации имму-нокомпетентных клеток; стимуляция роста представителей флоры в результате продукции витаминов и других ростостимулирующих факторов, нейтрализация токсинов и нормализация рН; изменение микробного метаболизма, проявляющееся в повышении или снижении активности ферментов [1].
Как известно, микроорганизмы рода Ьа^оЬасШш' широко распространены в природе, а некоторые виды являются важнейшими представителями микробиоты
организма человека [2] Главным конечным продуктом метаболизма лактобацилл является Б- и L-молочная кислота. У гомоферментативных лактобацилл лактат составляет 90% всех продуктов брожения. Благодаря продукции органических кислот, перекиси водорода и бактериоцинов многие штаммы лактобацилл проявляют выраженную антагонистическую активность в отношении патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Кроме того молочнокислые бактерии усиливают гидролиз белков, сбраживают углеводы, омыляют жиры, препятствуют микробному декар-боксилированию пищевого гистидина и повышению количества гистамина [3]. Среди адаптационных характеристик лактобацилл, наряду с устойчивостью к кислой среде желудка, к высокой концентрации желчных кислот, не менее важны адгезивная активность и способность формировать биопленку на поверхности слизистой оболочки. Вместе с тем актуальны моле-кулярно-биологические исследования таких биологических свойств лактобацилл как антиоксидантная и иммуномодулирующая активность, и, конечно же, биопленкообразующая способность. В совокупности, вышеперечисленные свойства являются основными механизмами действия лактобацилл в ингибировании роста и размножения патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, в восстановлении микробиоценоза в кишечном биотопе путем микроб - микробного взаимодействия, в укреплении барьерной функции кишечных эпителиоцитов и модуляции иммунного ответа [4-8].
Актуальны исследования, касающиеся антиокси-дантных характеристик среди различных родов, видов и штаммов молочнокислых бактерий. В последние годы отдельными исследованиями показана способность различных штаммов молочнокислых бактерий подавлять процессы перекисного окисления липидов ми-кросом и липидов низкой плотности, захватывать свободные радикалы, усиливать экспрессию генов ферментов антиоксидантной защиты в различных тканях и повышать их антиоксидантную емкость.
Микроорганизмы, населяющие почву, растительный покров, воду, высеваемые из воздуха, вегетиру-ющие на слизистой открытых полостей живых организмов достаточно стабильно сохраняют физиологическую активность и популяционный уровень благодаря способности к адгезии и формированию биопленки на поверхности неорганической либо органической подложки (микрочастицы почвы, воды, эпителиоциты и др.). Биоплёнка рассматривается как пространственная структура и оптимальная метаболическая среда для населяющих ее микрорганизмов [9-13]. Ее формирование связано, наряду с полимерными компонентами (кишечный муцин и др.), выделяемыми эпителио-цитами макроорганизма с адгезивной и
Полисахаридпродуцирующей способностью микроорганизмов.
Специфическая адгезия к эпителиоцитам связана с рецепцией поверхностных структур микробной и тка-
1п1егасйуе Баепсе | 11 (21) • 2017 17
i
Биология
невой клеток. В составе полимерной структуры биопленки выявлены такие экзополисахариды микроорганизмов как декстран, целлюлоза, гиалуроновая кислота, а также протеогликаны, гликопротеиды. Полимерный матрикс является не только питательной средой, но и защитной структурой для сообщества микроорганизмов, обеспечивающий им физиологическую и функциональную стабильность [14]. К обязательным структурным компонентам полимерного матрикса биопленки относятся пронизывающие ее многочисленные поры, обеспечивающие эффективный транспорт компонентов микробного метаболизма
Неспецифическая адгезия микроорганизмов к поверхности осуществляется за счет действия электростатических и гидрофобных сил, сил Ван дер Ваальса. Биопленка в кишечном биотопе состоит из микробных экзо-полисахаридов, колоний микроорганизмов и тканевого муцина. Адгезия микроорганизмов к поверхности эпи-телиоцитов обусловливается специфическим взаимодействием поверхностных структур микробной клетки (бел-ки-адгезины, ворсинки) с определенными рецепторными структурами на поверхности кишечных эпителиоцитов.
Установлено, что многие виды МКБ, относящиеся к родам LаctоbаcШus, ¿а^от^т', Lеucоnоstоc, Strерtоcоc-cus, СагупоЬаШпиш и т. д. способны продуцировать вещества с антимикробной активностью, такие как бак-териоцины. Изначально считалось, что бактериоцины, вырабатываемые различными штаммами обладают активностью только против других близкородственных видов МКБ, но дальнейшие исследования показали их антибактериальную активность против более филогенетически отдаленных грампозитивных и иногда против грамнегативных бактерий. Так, из культуры ¿а^оЬасй-lus 'аНуапш' NRRL B-30514 методами ионно-обменной и гидрофобно-взаимодействующей хроматографии выделен бактериоцин OR-7, проявляющий активность к грам-негативным бактериям ^ет N. J. е! а1., 2006). В целом, спектр ингибирования некоторых бактериоци-нов включает медицински-значимые микроорганизмы (Сашру1оЬаШг]е]ит, Listеriа шоnоcуtоgеnеs, Sаlшоnеllа tурhiшuriuш и др.), вызывающие порчу продуктов и/или распространяющиеся через пищу.
Молочнокислые бактерии образуют широкий спектр бактериоцинов: курвацин, диацетин, лактокок-цин, ацидоцин, лактоцин, плантацин, плантарицин и др. Бактериоцины из молочнокислых бактерий разделяют на две группы. Представители первой группы характеризуются узким спектром антибактериального действия - вызывают гибель организмов, близких к организму-продуценту. В эту группу входят лактоцин В и F-27, амиловорин, педиоцин N5P, термофилин А, курвацин А, амиловорин L471, энтерококцин. Бактерио-цины, относящиеся ко второй группе, ингибируют рост многих видов грамположительных микроорганизмов, в том числе Listеriа шопосу^епе^', С1о'Мёшш ЬоЫ-1тиш, С1о'МЛиш sроrоgеnеs, Stарhуlоcоccus аигеш\ Реёюсосст аа^1асй^, БасШт ьрр., ЕШегососсш /аесаНь' [15]. Перечисленные бактерии вызывают пор-
чу пищевых продуктов, среди них есть и патогенные виды. К бактериоцинам второй группы относятся: педиоцин А, ацидоцин В, диацетин В-1, курвацин FS47, лактицин 3147, плантарицин C, энтерококцины, саливарцин, низин, саркацин 674, мутацин. Показано, что большая часть этих бактериоцинов не токсична и не иммуногенна.
Выделен штамм Ьа^оЬасШш' р1аШагит, который продуцирует плантарицин, обладающий широким спектром действия, максимальный биосинтез бактери-оцина происходит на мясном бульоне с 0,6% глюкозы. Бактериоцин термостабилен, имеет мол. массу 3500 Да, установлена его аминокислотная последовательность. Казеицин, выделенный из Ьа^оЬасШш' са^ег, образуется при росте продуцента как в естественной, так и в синтетической средах [15].
Молочнокислые бактерии продуцируют ряд биологически-активных веществ с антимикробными свойствами. Антагонизм МКБ в ферментированных продуктах ассоциируется с их метаболитами, такими, как молочная и уксусная кислоты, перекись водорода или бактериоцины, представляющие себя молекулами пептидной природы [16; 17].
Самая высокая активность продукции бактериоци-на Е. mundtii QU2 была отмечена на среде МРС, тогда как наиболее интенсивный рост данного штамма наблюдался на среде АТР [19]. Аналогично, низкий уровень активности бактериоцина штамма Е. /аесшт ST311LD был отмечен при росте на средах BHI и М17, несмотря на высокий титр клеток. В то же время, несмотря на хороший рост на мелассе, продукция бакте-риоцина у штамма Е. /аесшт ST311LD отсутствовала [18]. Таким образом, оптимальные условия для роста клеток не всегда являются наилучшими для продукции бактериоцинов.
Некоторые представители молочнокислых пробио-тических бактерий (например, L. аcidорhilus) вырабатывают высокоактивную перекись водорода, благодаря чему оказывают выраженное вирусоцидное действие в отношении вируса иммунодефицита человека [20].
Синтез бактериоцинов - наследственная особенность микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый штамм способен образовывать один или несколько определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ [21].
Естественно, проведение экспериментальных разработок по выявлению новых штаммов молочнокислых бактерий, проявляющих антиоксидантное и биопленкообразующее действие, характеризующиеся бак-териоцинпродукцией актуализирует практическую востребованность и эффективность пробиотических препаратов, в основе которых будут такие штаммы. А сочетание пробиотически активных штаммов молочнокислых бактерий с экстрактом тополя бальзамического, характеризующегося противовоспалительным и цитопротекторным действием повысит их лечебно-профилактическую эффективность.
Biology
Литература
1. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://studbooks.net/503623/tovarovedenie/obschaya_harakteristika_ bifido_laktobakteriy
2. Pыбaльчeнкo О.В. CTpyraypa и функции бaктepиaльных 6roraeHoK cимбиoтичecких и yMoBHo-naroreHHbix бaктepий / О.В. Рыбaльчeнкo, В.М. Бoндapeнкo, О.Г. Оpлoвa // Вepхнeвoлжcкий мeдицинcкий жypнaл. -2013. - Т. 11. - Вып. 4. - C. 37-42.
3. Бoндapeнкэ В.М. Дисбгозы и npenapara с пpoбиoтичeскoй фyнкциeй / В.М. Бoндapeнкo, А.А. Bopo6beB // Жypнaл микpoбиoлoгии. - 2004. - С. 84-92.
4. Tallon R., Bressollier Р. and Urdaci M.C. Isolation and characterization of two exopolysaccharides produced by Lactobacillus plantarum ЕР56 // Res. Microbiol. 154:705-712. - 2003.
5. Stern N. J. et al. Isolation of a Lactobacillus salivarius Strain and Purification of Its Bacteriocin, Which Is Inhibitory to Campylobacter jejuni in the Chicken Gastrointestinal System // Antimicrobial agents and chemotherapy. - 2006. -№9. - Vol. 50. - P. 3111-3116.
6. Зopинa В.В. Влиянда бaктepий poдa Lactobacillus Ha мигpaциoннyю aктивнoсть мaкpoфaгoв / В.В. Зopинa, Т.Н. Никoлaeвa, О.В. Шaпoвaлoвa // Жypнaл микpoбиoлoгии, эпидeмиoлoгии и иммyнoбиoлoгии. - 2006. - №6. -С. 40-44.
7. Зopинa В.В. Влиянда бaктepий poдa Lactobacillus Ha пpoдyкцию интepфepoнoв в HopMe и пpи экспepимeн-тaльнoй шигeллeзнoй инфeкции / В.В. Зopинa, A.A. Бaбaянц, Т.Н. Никoлaeвa // Иммyнoлoгия. - 2006. - №4. -С. 224-226.
8. ArceTOB И.В. Овднга aнтиoксидaнтных и гeпaтoпpoтeктopных свoйств mTaMMa Lactobacillus casei 114001 нa мoдeли тoксичeскoгo пopaжeния пeчeни, индyциpoвaннoгo чeтыpeххлopистым yглepoдoм / И.В. Aксeнoв, Л.В. Кpaвчeнкo, Л.И. Aвpeньeвa, М.А. Вaсильeвa, Г.В. Гyсeвa, Н.В. Тpyсoв, М.А. ybroBa // Вoпpoсы питaния. -2009. - №5. - С. 24-30.
9. Merrit J.H., Kadouri D.E., Toole G.A. Growing and analyring static biofilms // Curr. Protoc. Microbiol. - 2005. -№1. - P. 135-139.
10. Watnick P., Kolter R. Biofilm, city of microbes //J Bacteriol. - 2000. - №182. - P. 2675.
11. Merrit J.H., Kadouri D.E., Toole G.A. Growing and analyring static biofilms // Curr. Protoc. Microbiol. - 2005. -№1. - P. 135-139.
12. Смиpнoвa T.A. Стpyктypнo-фyнкциoнaльнaя хapaктepистикa бaктepиaльных биoплeнoк / T.A. Смиpнoвa, Л.В. Ди^нго, P.P. Aзизбeкян, Ю.М. Poмaнoвa // Mикpoбиoлoгия. - 2010. - №79 (4). - С. 435-446.
13. G.C.L. Wong, G.A.O 'Toole All together now: Integrating biofilm research across disciplines, MRS Bulletin. - 2011. -№36. - P. 339-342.
14. Pыбaльчeнкo О.В. Элeктpoннo-микpoскoпичeскoe исслeдoвaниe мeжклeточных взaимoдeйствий микpoopгa-низмoв пpи aнтaгoнистичeскoм xaparaepe взaимooтнoшeний // Mикpoбиoлoгия. - 2006. - 75 (4). - C. 550-555.
15. Ильига T.C. Биoплeнки кaк cпocoб cyщecтвoвaния бaктepий в oкpyжaющeй cpeдe и opгaнизмe xoзяинa: фeнo-мeн, гeнeтичecкий кoнтpoль и cиcтeмы peгyляции их paзвития / T.C. Ильига, Ю.М. Poмaнoвa, A^. Гинцбypг // Гeнeтикa. - 2004. - 40 (11). - C. 1-12.
16. Marugg J.D. Bacteriocins, their role in developing natural products // Food biootechnol. - 1991. - №3. - С. 305-312.
17. Abee T., Krockel L., Hill C. Bacteriocins: modes of action and potentials in food preservation and control of food poisoning // Int. J. Food Microbiol. - 1995. - V. 28. - P. 169-185.
18. Cleveland J., Montville T.J., Nes I.F. and Chikindas M.L. Bacteriocins: safe, natural antimicrobials for food preservation // Int.J.Food Microbiol. - 2001. - V 71. - P. 1-20.
19. Todorov S.D., Dicks M.T. Optimization of bacteriocin ST311LD production by Enterococcus faecium ST311LD, isolated from spoiled black olives // J. Microbiol. - 2005. - V 43 (4). - P. 370-374.
20. Zendo T., Eungruttanagorn N., Fujioka S., Tashiro У, Nomura K., Sera У, Kobayashi G., Nakayama J., Ishizaki A., Sanomoto K. Identification and production of a bacteriocin from Enterococcus mundtii QU 2 isolated from soybean // J. Appl. Microbiol. - 2005. - V. 99 (5). - P. 1181-1190.
21. Klebanoff S. J., Coombs R. W. Viricidal effect of Lactobacillus acidophilus on human immunodeficiency virus type 1: possible role in heterosexual transmission // J. Exp. Med. - 1991. - №174 (1). - P. 289-292.
22. Гopeлoв A£. Влиянда пpoбиoтичeскoгo ^o^^a «Aктимeль» ra сoстoяниe здopoвья дeтeй / A£. Гopeлoв, Д.В. У^нго // Вoпpoсы сoвpeмeннoй пeдиaтpии. - 2003 (2). - №4. - P. 87-90.
Interactive science | 11 (21) • 2017 19
