CC BY
181
© Б.Г. Андрюков, Л.М. Сомова, Н.Ф. Тимченко, 2015 г УДК 597.554.3:574.64 + 592:574.64
Б.Г. Андрюков, Л.М. Сомова, Н.Ф.Тимченко
жирные кислоты как объект исследования температурных адаптационных стратегий микроорганизмов-психрофилов
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Г.П. Сомова», г. Владивосток
Способность микроорганизмов-психрофилов существовать и размножаться при низких температурах доказывает эффективность их адаптационных стратегий. Большое значение в этих стратегиях занимает снижение текучести клеточных мембран. В обзоре приведены результаты исследования состава жирных кислот при температурной адаптации психрофилов на примере патогенных видов Yersinia (Y. pseudotuberculosis, Y.enterocolitica, Ypestis). Обращено внимание на изменения спектра жирных кислот как одного из механизмов адаптации бактерий к изменениям температуры среды обитания. Эти изменения оказывают стрессорное воздействие на бактерии и являются важным фактором, регулирующим морфологические и функциональные свойства психрофилов. При температуре близкой к замерзанию воды у Yersinia возникают качественные и количественные изменения состава жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов. В этих условиях у Yersinia происходит увеличение содержания полиненасыщенных короткоцепочечных жирных кислот, что приводит к уменьшению вязкости (текучести) клеточных мембран. Изменения вязкости клеточной мембраны, ассоциированные со спектром жирных кислот Yersinia, рассматриваются как проявление эволюционно закрепленной биологической стратегии сохранения структурно-динамического гомеостаза клеточной мембраны при температурной адаптации психрофилов в экстремальных условиях.
Ключевые слова: микроорганизмы-психрофилы, Yersinia, жирные кислоты, температура, окружающая среда, адаптация, клеточные мембраны, вязкость (текучесть) мембран.
Цитировать: Андрюков Б.Г., Сомова Л.М., Тимченко Н.Ф. Жирные кислоты как объект исследования температурных адаптационных стратегий микроорганизмов-психрофилов // Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2015. №3(61). С. 43-49. URL: https://yadi.sk/i/FSypPAsihdKt8
Выживание микроорганизмов находится в тесной зависимости от условий окружающей среды. Любое изменение параметров среды обитания (температуры, рН, осмолярности, химического состава и др.) оказывает стрессорное влияние на микроорганизмы и их функционально-морфологические свойства.
Значительное влияние температуры на кинетику ферментативных реакций клеточных систем стало причиной наибольшего распространения в природе адаптационных стратегий бактерий к изменениям этого важнейшего параметра внешней среды. Установлено, что в основе этих стратегий лежит единый механизм изменения текучести клеточных мембран, действующий у всех пойкилотермных представителей живых организмов: животных [46], растений [56], рыб [56] и бактерий [15]. В ходе этих исследований особое внимание уделялось действию низкой положительной температуры (4-6°С). При этом убедительно показано, что снижение температуры окружающей среды вызывает ряд специфических изменений в клеточных мембранах и белковых конформационных изменений организмов, которые обеспечивают выживание живых систем и замечательное биологическое разнообразие в холодных условиях обитания.
Среди бактерий-психрофилов, толерантных к низким температурам, были обнаружены грамполо-
жительные и грамотрицательные микроорганизмы, общим свойством которых является способность к существованию и размножению при относительно низких температурах (обычно не выше 10°C) [5].
При этом различают облигатные психрофилы неспособные размножаться при температуре выше 20°C и факультативные, которые имеют оптимум роста от 22 до 30°C. Именно в группе факультативных психрофилов - иерсиний обнаружены возбудители болезней человека (чумы, кишечного иерсиниоза и псевдотуберкулеза). Широко известны факты распространения иерсиний в северных широтах, зимне-весенняя сезонность заболеваний и эффективное выделение возбудителей при инкубации посевов при температуре 4°С [4, 5].
Клеточные мембраны Yersinia, как и других гра-мотрицательных микроорганизмов, относящихся к семейству Enterobacteriaceae, представляют собой сложные гетерогенные системы, свойства которых в значительной степени определяются их пространственной организацией и физико-химическим составом. Установлено, что в основе повышения вязкости мембран при снижении температуры лежат изменения физических свойств мембранных липидов и дезинтеграция липидного бислоя, связанные со способностью микроорганизмов изменять спектр жирных кислот (ЖК), входящих в состав фосфолипидов (рис. 1).
Рис. 1. Строение наружной мембраны грамотрицательных бактерий [41]
Известно, что спектр ЖК у микроорганизмов, выращенных при определенной температуре, является наиболее консервативной характеристикой. Качественное и количественное исследование ЖК явилось основой для разработки общего подхода определения родовой и видовой хемодифференциации и таксономической классификации микроорганизмов, а также экспресс-диагностики ряда заболеваний по жирнокислотным маркерам и профилям [3, 54]. В последние десятилетия ХХ века было показано, что со спектром ЖК связана адаптация бактерий к изменяющимся условиям существования [27, 30, 39, 40].
В ходе исследований, проведенных в конце ХХ века было показано, что у бактерий эти изменения носят однотипный характер. Они связаны с увеличением, по мере снижения температуры среды обитания, содержания ненасыщенных короткоцепочечных ЖК и не зависят от характера стрессора [34, 50, 60].
Снижение температуры окружающей среды оказывает неблагоприятное воздействие на физические свойства и биологические функции цитоплазматических мембран. Как правило, это приводит к снижению текучести мембран, началу гелевого фазового перехода и, в конечном счете, к изменениям физических свойств мембран, которые зависят от качественных и количественных характеристик липидного бислоя, изменяющихся в зависимости от температуры среды обитания микроорганизмов. В целом, более низкие температуры роста индуцирует более высокое содержание ненасыщенных, полиненасыщенных ЖК, уменьшение длины ацильной цепи, более высокую долю цис-ненасыщенных двойных связей и разветвленных ЖК [27, 61].
Выбор адаптационных механизмов зависит от вида микроорганизма, его чувствительности к перепадам температур внешней среды и продолжительности их
воздействия. Однако до настоящего времени молекулярные механизмы, отвечающие за регуляцию текучести мембран, возможные сенсоры и медиаторы сигналов пока полностью не определены [27].
В качестве модели исследования адаптации часто используются бактерии с психрофильными свойствами, имеющие широкий диапазон температур роста (0-40°С), например, Yersinia или другие представители семейства Enterobacteriaceae. В процессе эволюции эти микроорганизмы выработали адаптационные стратегии, позволяющие их существовать и размножаться при пониженной температуре окружающей среды, следствием чего является экспоненциальное снижение скорости протекания биохимических реакций, а также способность изменять вязкость (текучесть) клеточных мембран, которая повышается по мере снижения температуры с 37° до 0°С. Ярким примером психрофилов являются микроорганизмы рода Yersinia, которые выработали стратегии низкотемпературной толерантности, сохранив способность к существованию и размножению при температурах окружающей среды близких к 0°С [12, 43, 49].
Целью данного обзора является обобщение знаний о молекулярных механизмах низкотемпературной адаптации психрофилов на примере микроорганизмов рода Yersinia, связанной с изменением качественных и количественных характеристик мембраносвя-занных жирных кислот, а также конформационных изменений ферментов. Изучение закономерностей влияния низкой температуры на биологические свойства Yersinia имеет важное теоретическое и практическое значение. Теоретически представляют интерес вопросы, касающиеся изучения стратегии адаптации психрофилов, возможности выживать и сохранять вирулентность в природных очагах в межэпидемический период. С практической точки зрения выявление механизмов низкотемпературной адаптации Yersinia поможет выработать способы влияния на антигенные детерминанты патогенности [4, 17-19].
Давно известно неблагоприятное влияние низких температур на проницаемость клеточных мембран и ферментные системы психрофилов: снижение проницаемости ведет к замедлению обмена с внеклеточной средой, а конформационные белковые изменения -к резкому снижению активности энзимов [11].
У иерсиний известны механизмы, позволяющие им выживать при значительных перепадах температуры внешней среды. Они связанны с морфологическими [5, 6] и функциональными изменениями активности метаболических ферментов [4] или текучести клеточных мембран, ассоциированными со спектром ЖК.
Исследования, проведенные в последние десятилетия, позволили установить зависимость функционально-морфологических свойств Yersinia от абиотических характеристик внешней среды [4, 5]. Представители рода Yersinia постоянно сталкивают-
ся с изменением температуры окружающей среды. В процессе филогенетического развития у них развились определенные механизмы адаптационного реагирования на изменения температуры среды обитания. Эти механизмы отличаются от низкотемпературных стратегий мезофиллов и связаны со сменой организма-хозяина и природного резервуара. Главная стратегия, решающая для выживания бактерий при низкой температуре, связана с их способностью регулировать текучесть мембран с помощью изменения состава ЖК. Это сохраняет способность Yersinia колонизировать клетки организма-хозяина, расположенные в различных тканях и противостоять его иммунологической защите [6].
С 70-х годов прошлого века стали активно проводиться исследования спектра ЖК различных видов Yersinia с целью таксономической характеристики представителей этого рода [2, 4, 7, 14], а также выявления видовых особенностей и различий.
Для исследования адаптационных стратегий Yersinia, представляется интересным тот факт, что характеристика изменений спектров ЖК этих факультативных психрофилов проводилась при разной температуре культивирования (37°С, 24-26°С и 4-6°С). Результаты этих исследований обсуждались в работах [1-4, 8, 13 и др.]. C.A. Abbas и G.L. Card (1980) впервые отметили, что Y enterocolitica способны регулиро-
да
Жидкокристаллический
б
Гепевый
Йена сыщ енные, попиненасыщенные ЖМ, уменьшение длины ацильной цепи
Кристаллический
М
о°с
ТШг
вать состав ЖК и текучесть мембран в зависимости от температуры окружающей среды [8]. В дальнейшем А.Ф. Фролов и соавт. (1989) и А.А. Salaman c М.А. Ali (1995) обнаружили это и у других видов Yersinia [5, 51]. Анализ этих работ показал, что, независимо от вида иерсиний, их патогенности, а также межвидовых различий и сходств, качественные и количественные изменения спектров ЖК под влиянием температуры имели общую тенденцию. С понижением температуры отношение насыщенных ЖК к ненасыщенным изменялось от 2,18 (37°С) и 1,6 (24-26°С) до 0,5 (4-6°С) [1, 3]. Содержание некоторых ненасыщенных кислот, например, гексаденовой (С16:1) при снижении температуры культивирования с 37°С до 4°С увеличивалось в 3,5 раза [3, 4]. При этом все 7 изученных авторами видов Yersinia при 4°С приобретали сходный спектр ЖК с преобладанием С16:1 и С18:1, что расценивалось как признак генотипического родства [3].
Известно, что реологические свойства клеточных мембран (вязкость, текучесть, плотность, структурированность) и их функции зависят от длины ацильных цепей ЖК и степени их насыщенности [20, 22, 24]. Полученные результаты, по-видимому, связаны с тем, что клеточная мембрана является одной из первых ор-ганелл клетки, которая испытывает воздействие температуры и тем самым компенсирует реологические параметры изменением спектра ЖК [5, 15, 19].
Дальнейшие исследования спектров жирных кислот у патогенных видов Yersinia и других представителей семейства Enterobacteriaceae позволили провести аналогию между адаптационными стратегиями на температурный, осмотический и химические стрессы [14, 22-24]. Они выявили сходство в структурно-динамических изменениях клеточных мембран, связанных с качественным и количественным составом жирных кислот в ответ на воздействие разных стрессоров.
Определенный липидный состав мембран Yersinia обеспечивает в оптимальных условиях окружающей среды их жидкокристаллическое состояние. Оно характеризуется необходимой степенью вязкости, структурной целостностью и подвижностью мембранных белков, а также активностью ферментов [43, 58]. Процесс регулируется активностью специфических клеточных ферментов - десатуразами. Способность сохранять жидкокристаллическое состояние мембраны при снижении температуры является важнейшим свойством бактерий в адаптационной стратегии. Она состоит в переходе мембраны в гелевое состояние, что обеспечива-
Рис. 2. Модуляция текучести цитоплазматических мембран микроорганизмов при изменении температуры окружающей среды. А - при снижении температуры в составе липидного бислоя мембран появляется более высокое содержание ненасыщенных, полиненасыщенные ЖК, уменьшение длины ацильной цепи, более высокая доля ЦИС-ненасыщенных двойных связей и разветвленных ЖК. Б - при снижении температуры окружающей среды происходит фазовый переход от жидко-кристаллической до кристаллической структуры цитоплазматической мембраны и снижение ее текучести
ется синтезом полиненасыщенных жирных кислот с короткими и разветвленными углеводородными цепями. Необходимая вязкость мембран достигается увеличением в жирных кислотах двойных связей. Они находятся в основном в ^ис-положении с большим количеством изгибов, что делает липидный бислой клеточной мембраны более текучим [45] (рис. 2).
Для изучения молекулярных механизмов регуляции насыщенности жирных кислот Yersinia, были проведены исследования с использованием генно-инженерных методов [18, 29, 41, 58]. Штаммы патогенных видов Yersinia характеризовались наличием нескольких десятков генов десатураз жирных кислот (des), принимающих участие в синтезе жирных кислот с двойными связями. Инактивация этих генов приводила к потере устойчивости бактериальных клеток к низкой температуре. В этих работах было отмечено, что, несмотря на то, что оптимальная температура роста Yersinia лежит в пределах 26-28°С, признаки низкотемпературного стресса у бактерий наблюдались уже при 16-18°С [18, 58].
Аналогичные исследования проведены с другими представителями семейства Enterobacteriaceae, с бактериями иных таксономических групп, а также грибов, растений, рыб и животных [26, 28, 31, 40, 43]. Результаты показали, что зависимость текучести клеточных мембран от компенсаторной экспрессии генов десату-раз, индуцируемой низкой температурой окружающей среды, является широко распространенным явлением.
На сегодняшний день известно более 50 генов, отвечающих на низкотемпературный стресс. В исследованиях, проведенных E. Palonen, M. Lindstrem (2001) было выявлено статистически значимое (р<0,05) повышение относительного уровня 44 генов при снижении температуры культивирования Y pseudotuberculosis с 28°С до 3°С. Среди них описаны и гены десатураз, отвечающих за поддержание текучести митохондриаль-ных мембран, которые, как известно, также имеют в своем строении липидный бислой [50].
Зависимость текучести клеточных мембран микро-организмов-психрофилов от степени насыщенности ЖК в настоящее время является хорошо изученным феноменом для всех живых организмов. Иллюстрацией этих стратегий микроорганизмов является повышение степени ненасыщенности жирных кислот Yersinia в ли-пидах мембран при понижении температуры роста [51].
В последние годы ведутся исследования по поиску клеточных сенсоров и медиаторов сигнала о понижении температуры, которые пока полностью не определены. В обзоре Shivaji S. и Prakash J.S. (2010) описывается несколько механизмов восприятия и трансдукция температурного сигнала [57].
Наиболее изученный из них называется двухком-понентным регулятором трансдукции, ассоциированным с клеточной мембраной и цитоплазмой. Эта система широко распространена среди бактерий и помогает им контролировать изменения параметров
окружающей среды. Классическая система восприятия сигнала о снижении температуры состоит из ги-стидин-киназы (Hik33, мембрана) и регулятора ответа (Hik19, цитоплазма). Эта система при понижении температуры регулирует экспрессию, примерно, половину из 50 генов, включая гены, кодирующие белки холодового шока, каротиноиды и сатуразы, и запуская весь механизм модуляции текучести мембраны [55]. У Y pseudotuberculosis была выявлена подобная двух-компонентная система (Chemotaxis regulatory protein, CheA)/(chemotaxis regulatory protein, Chey). Гены, кодирующие эту систему, имели самый высокий относительный уровень экспрессии при 3°С [55, 58].
Заключение
Температура является универсальным параметром окружающей среды, который влияет на все аспекты жизнедеятельности микроорганизмов. Колебания температуры могут происходить со сменой среды обитания бактерий, попадающих из внешней среды в организм-хозяина при его инфицировании и обратно.
В то время как высокая температура приводят к гибели бактерии, низкая положительная температура часто лишь замедляет рост бактерий, не убивая их. Участие ЖК в изменениях текучести мембран при восприятии температурного стресса является в настоящее время общепризнанным фактом. Он позволил расширить и углубить наши знания о механизмах адаптационных стратегий бактерий к меняющимся условиям окружающей среды. У Yersinia имеются механизмы, которые они используют в разных условиях обитания (организм-внешняя среда), связанные с двухкомпонентной системой. Изучение этих механизмов показало, что они достаточно многообразны и реагируют не только на температурный стресс. Они модулируют не только вязкость клеточных мембран, но и конформационные изменения белков, изменение активности ферментов и энергию активации многих реакций.
В конце ХХ века были описаны белки холодового шока (БХШ), являющиеся отражением стрессорно-го влияния низкотемпературных изменений окружающей среды на микроорганизмы [33, 37, 39]. Эти белки недавно были обнаружены и у психрофилов. Однако их роль в механизмах низкотемпературной адаптации у этих микроорганизмов пока до конца не выяснена [37]. Проведенные исследования показали, что несмотря на существенные различия в механизмах низкотемпературной толерантности различных психрофильных микроорганизмов, БХШ имеют высокую степень консервативности и гомологии первичной последовательности и высокую степень трехмерного структурного сходства [39].
Основные биологические функции психрофилов, которые связаны с нуклеиновыми кислотами, такие как репликация ДНК, транскрипция и трансляция, также могут испытывать воздействие низких температур. До настоящего времени остаются неясными
вопросы о механизмах, которые используют психро-филы для сохранения этих функций.
Эти и другие вопросы ожидают своего решения. Они касаются исследования молекулярных механизмов, контролирующих и распознающих изменения состояния текучести мембран и передачи стрессовых сигналов. Современные исследования направлены на поиск доменов и аминокислот, вовлеченных в восприятие сигналов, на дальнейшее изучение сложных структур молекулярных термосенсоров и медиаторов изменений температуры. Решение этих вопросов ждёт своих исследователей.
Вывод
В процессе эволюции психрофильные микроорганизмы выработали стратегии успешного решения двух основных проблем, связанных с существованием в условиях низких температур: высокую вязкость цитоплазматических мембран и снижение активности ферментов. Оба механизма связаны с замедлением метаболизма клеток и снижением тепловой энергии. Качественные и количественные характеристики спектра ЖК в цитоплазматической мембране являются основными механизмами изменения их вязкости у микро-организмов-психрофилов. Однако как показали геномные и протеомные исследования XXI в., изменениями вязкости мембран и модуляциями состава ЖК не ограничиваются низкотемпературные адаптации, которые оказывают влияние на биологические свойства бактерий. При понижении температуры окружающей среды у психрофилов наблюдается экспрессия БХШ и белковые конформации, а также изменяются биологические функции психрофилов, которые связаны с нуклеиновыми кислотами. Такие подходы, как секвенирование генома и протеомные исследования, возможно, прольют свет на другие механизмы низкотемпературных адаптационных стратегий психрофилов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бахолдина С.И. и др. Термотропное поведение липидов и морфология клеток Yersinia pseudotuberculosis c высоким содержанием лизофос-фатидилэтаноламина // Микробиология. 2007. Т. 76, № 3. С. 321-328.
2. Васюренко З.П., Фролов А.Ф., Смирнов В.В., Рубан Н.М. Жирнокислотные профили бактерий, патогенных для человека и животных. - Киев: Наук. думка, 1992. 263 с.
3. Сельникова О.П., Васюренко З.П., Полищук Е.И. и др. Отсутствие различий в жирнокислотном составе клеток и липополисахаридов иерсиний разных видов в условиях роста при низкой температуре // Журн. микробиол., эпидемиол. и иммунобиол. 2005. № 6. С.10-14.
4. Сомов Г.П., Покровский В.И., Н.Н. Бе-седнова и др. Псевдотуберкулез. - М.: Медицина, 2001. 256 с.
5. Сомов Г.П., Бузолева Л.С. Адаптация патогенных бактерий к абиотическим факторам окружающей среды. - Владивосток, 2004. 168 с.
6. Сомова Л.М., Бузолева Л.С., Плехова Н.Г. Ультраструктура патогенных бактерий в разных экологических условиях. - Владивосток: Медицина ДВ, 2009. 200 с.
7. Фролов А.Ф., Рубан Н., Васюренко З.П. Жирнокислотный состав липополисахаридов штаммов различных видов иерсиний. J Hyg Epidemiol Microbiol Immunol.1989; 33(1): 55-61.
8. Abbas C.A., Card G.L. The relationships between growth temperature, fatty acid composition and the physical state and fluidity of membrane lipids in Yersinia enterocolitica. Biochim Biophys Acta, 1980; 602: 469-76.
9. Abee T., Wouters J.A. Microbial stress response in minimal processing. Int J Food Microbiol., 1999; 50: 5-91.
10. Abel K., De Schmertzing H., Peterson J.I. Classification of microorganisms of chemical composition. I. Feasibility of utilizing gas chromatography. J Bacteriol., 1963; 85: 1039-44.
11. Achtman M., Zurth K., Morelli G. et all. Yersinia pestis, the cause of plague, is a recently emerged clone of Yersinia pseudotuberculosis. Proc Natl Acad Sci USA, 1999; 0: 14043-8.
12. Achtman M. Population structure of pathogenic bacteria revisited. Int. J. Med. Microbiol., 2004; 294: 67-73.
13. Annous B.A., Becker L.A., Bayles D.O. et all. Critical role of anteiso-C15:0 fatty acid in the growth of Listeria monocytogenes at low temperatures. Appl Environ Microbiol., 1997; 63(10): 3887-94.
14. Bakholdina, S.I., Sanina, N.M., Krasikova, I.N. et all. The impact of abiotic factors (temperature and glucose) on physicochemical properties of lipids from Yersinia pseudotuberculosis. Biochimie, 2004; 86: 875-81.
15. Bayles D.O., Bassam A.A., Wilkinson B.J. Cold stress proteins induced in Listeria monocytogenes in response to temperature down shock and growth at low temperatures. Appl Environ Microbiol., 1996; 62(3): 1116-9.
16. Beales N. Adaptation of Microorganisms to Cold Temperatures, Weak Acid Preservatives, Low pH, and Osmotic Stress. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2004; 3(1): 1-20.
17. Bengoechea J.A., Brandenburg K., Seydel U. et all. Yersinia pseudotuberculosis and Yersinia pestis show increased outer membrane permeability to hydrophobic agents which correlates with lipopolysaccharide acylchain fluidity. Microbiology, 1998; 144: 1517-26.
18. Bengoechea J.A., Brandenburg K., Arraiza M.D. et all. Pathogenic Yersinia enterocolitica strains increase the outer membrane permeability in response to environmental stimuli by modulating lipopolysaccharide fluidity and lipid A structure. Infect Immun., 2003; 71: 2014-21.
19. Bengoechea J.A. Zhang L., Toivanen P., Srurnik M. Regulatory network of lipopolysaccharide O-antigen biosynthesis in Yersinia enterocolitica includes cell envelopedependent signals. Molecular Microbiology, 2002; 44(4): 1045-62.
20. Berry E.D. Cold shock proteins and cold shock domains in Bacillus cereus. Abstracts, 96th General Meeting of American Society of Microbiology; Washington DC. 1996; p 317.
21. Berry E.D., Foegeding P.M. Cold temperature adaptation and growth of microorganisms. J Food Prot., 1997; 60(12): 1583-94.
22. Betts G.D., Linton P., Betteridge R.J. Synergistic effects of sodium chloride, temperature and pH on growth of spoilage yeasts: a research note. Food Microbiol., 2000; 17(1): 47-52.
23. Bodnauk P.W., Golden D A. Influence of pH and incubation temperature on fatty acid composition and virulence factors of Yersinia enterocolitica. Food Microbiol., 1996; 13(1): 17-22.
24. Brown J.L., Ross T., McMeekin TA. et all. Acid habituation of Escherichia coli and the potential role of cyclopropane fatty acids in low pH tolerance. Int J Food Microbiol., 1997; 37: 163-73.
25. Browne N., Dowds B.C. Acid stress in the food pathogen Bacillus cereus. J Appl Microbiol., 2002; 92(3): 404-14.
26. Casey P.G., Condon S. Sodium chloride decreases the bactericidal effect of acid pH on Escherichia coli O157:H45. Int J Food Microbiol., 2002; 79: 199-206.
27. Chintalapati S., Kiran M.D., Shivaji S. Role of membrane lipid fatty acids in cold adaptation. Cell Mol Biol. 2004; 50(5): 631-42.
28. D>Amico S., Collins Т., Marx J.-C., Feller G., Gerday С. Psychrophilic microorganisms: challenges for life. EMBO Rep. 2006; 7(4): 385-9; doi: 10.1038/ sj.embor.7400662.
29. De Jonge R., Ritmeester W.S., Van Leusden F.M. Adaptive responses of Salmonella enterica serovar Typhimurium DT104 and other S. Typhimurium strains and Escherichia coli O157 to low pH environments. J Appl Microbiol., 2003; 94: 625-32.
30. De Wulf P., Akerley B.J., Lin E C. Presence of the Cpx system in bacteria. Microbiology. 2000; 146(Pt 2): 247-8.
31. Favier G.I., Escudero M.E. De Guzman A.M.S. Inhibitory effects of sucrose fatty acid esters on survival of Yersinia enterocolitica on eggshell surface and use of blue lake as indicator of bacterial penetration into eggs. Journal of applied microbiology, 2009; 106(3): 774-83.
32. Finlay B.B., Falkow S. Common themes in microbial pathogenicity revisited. Microbiol Mol Biol Rev., 1997; 61: 136-69.
33. Foster J.W. Acid stress response of Salmonella and E. coli: survival mechanisms, regulation, and implications for pathogenesis. J Microbiol., 2001; 39(2): 89-94.
34. Gounot A.M. Bacterial life at low temperature: physiological aspects and biotechnological implications. J Appl Bacteriol., 1991; 71: 386-97.
35. Goverde R. L., Kusters J. G., Huisveld J. H. Growth rate and physiology of Yersinia enterocolitica; influence of temperature and presence of the virulence plasmid. Journal of Applied Microbiology, 1994; 77: 96-104.
36. Guillot A., Obis D., Mistou M Y. Fatty acid membrane composition and activation of glycine-betaine transport in Lactococcus lactissubjected to osmotic stress. J Food Microbiol., 2000; 55(1/3): 47-51.
37. Herbst K., Bujara M., Heroven A.K. et al. Intrinsic Thermal Sensing Controls Proteolysis of Yersinia virulence regulator RovA. PLoS Pathogens, 2009; 5(5): 35-43.
38. Hebraud M., Potier P. Cold shock response and low temperature adaptation in psychrotrophic bacteria. J Mol Microbiol Biotech., 1999; 1(2): 211-9.
39. Hitchen, P. G., Prior, J. L., Oyston, P. C. F. et al. Structural characterization of lipo-oligosaccharide (LOS) from Yersiniapestis: regulation of LOS structure by the PhoPQ system. Molecular Microbiology, 2002; 44: 1637-50.
40. Horn G., Hofweber R., Kremer W., Kalbitzer H.R. Structure and function of bacterial cold shock proteins. Cell Mol Life Sci. 2007; 64(12): 1457-70.
41. Jantzen E., Lassen J. Characterization of Yersinia Species by Analysis of Whole-Cell Fatty Acids. Intern. Journ. Syst. biac., 1980; 421-8.
42. Kilâr, A., Dörnyei, A., Kocsis, B. Structural characterization of bacterial lipopolysaccharides with mass spectrometry and on- and off-line separation techniques. Mass Spectrom. Rev., 2012; 22(11): 23-8.
43. Koolman J., Röhm K.-H. Taschenatlas der Biochemie. New York, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1998. 469 p.
44. Leclercq A., Guiyoule A., Lioui E.l. et al. High homogeneity of the Yersinia pestis fatty acid composition. J Clin Microbiol., 2000; 38: 1545-51.
45. Logue C M., Sheridan J.J., McDowell D A. et al. The effect of temperature and selective agents on the growth of Yersinia enterocolitica serotype O:3 in pure culture. Journal of Applied Microbiology, 2000; 88(2): 1001-8.
46. Loffhagen N., Härtig C., Geyer W. et al. Competition between cis, trans and Cyclopropane Fatty Acid Formation and its Impact on Membrane Fluidity. Engineering in Life Sciences, 2007; 7(1): 67-74
47. Mansilla M. C., Cybulski L. E., Albanesi D. et al. Control of Membrane Lipid Fluidity by Molecular Thermosensors. J. Bacteriol. 2004; 186(20): 6681-8.
48. Mrozik A., Piotrowska-Seget Z., Labuzek S. Cytoplasmatic Bacterial Membrane Responses to Environmental Perturbations. Pol. J. of Environmental Studies, 2004; 13(5): 487-94.
49. Nakagawa T., Fujimoto Y., Uchino M. et al. Isolation and characterisation of psychrophiles producing cold-active 4bT-galactosidase. Lett Appl Microbiol., 2003; 37: 154-7.
50. Ohno Y., Yana I., Hiramatsu T. et al. Lipids and fatty acids of moderately halophilic bacterium. Biochem Biophys Acta., 1976; 424: 337-50.
51. Palonen E., Lindstrom M., Korkeala H. et al. Expression of Signal Transduction System Encoding Genes of Yersinia pseudotuberculosis IP32953 at 28°C and 3°C. PloS One, 2011; 6(9): e25063
52. Salaman A.A., Ali M.A. Effect of temperature jn the lipid and fatty acid composition of Y. pseudotuberculosis. Microbiologica, 1995; 18: 27-33.
53. Shapiro R. S., Cowen L. E. Thermal Control of Microbial Development and Virulence: Molecular Mechanisms of Microbial Temperature Sensing. MBio, 2012; 3(5): 8-12.
54. Sulakvelidze A. Yersiniae other than
Y enterocolitica, Y pseudotuberculosis and Y pestis: the ignored species. Microbes Infect., 2000; 2(5): 497-513.
55. Sel>nikova O.P., Polishchuk EI, Vasiurenko ZP, et al. Fatty-acid composition of cells and lipopolysaccharides in different Yersinia species under the conditions of growth at low temperature. J. Mikrobiol Epidemiol Immunobiol., 2005; (6): 10-4.
56. Straley S.C., Perry R.D. Environmental modulation of gene expression and pathogenesis in Yersinia. Trends Microbiol., 1995; 3: 310-17.
57. Shivaji S., Prakash J.S. How do bacteria sense
B.G. Andryukov, L.M. Somova, N.F.Timchenko fatty acid as an object of research of temperature adaptation strategies microorganisms psychrophiles
Federal State Budget Scientific Institution «Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology, G. P. Somova», Vladivostok, Russia.
The ability of microorganisms-psychrophiles exist and multiply at low temperatures implies the effectiveness of their adaptation strategies. Of great importance in these strategies is a decrease of cell membrane fluidity. This review presents the results of a study of fatty acids for example of pathogenic Yersinia species (Y. pseudotuberculosis, Y enterocolitica,
Y pestis). Emphasis is placed on the issues of the phylogenetic species homogeneity Yersinia, taxonomic characteristics of the genus, called attention to the changes in the spectrum of fatty acids as one of the mechanisms of adaptation to ambient temperature. Environmental conditions have stressor effects on microorganisms. Temperature is one of the important parameters governing the morphological and functional properties Yersinia. Culturing of microorganisms at suboptimal temperatures (4-6°C) leads to qualitative and quantitative changes in fatty acid composition of lipids included in the bacterial cell. At low temperatures, increased cultivation short chain polyunsaturated fatty acids. These changes cause a reduction in viscosity (fluidity) of cell membranes and are of the same type for all the species Yersinia. This confirms the close phylogenetic relationship of Yersinia species studied and the evidence of their pronounced biological community during their incubation in low temperature conditions. Changes in the spectrum of cellular fatty acids are considered as a manifestation of Yersinia biological conservation strategies structural dynamic homeostasis of the cell membrane in temperature adaptation in psychrophilic bacteria in extreme conditions.
Keywords: microorganisms-psychrophiles, Yersinia, fatty acids, temperature, environment, adaptation, cell membrane viscosity (fluidity) of the membranes.
Citation: Andryukov B.G., Somova L.M., Timchenko N.F. Fatty acid as an object of research of temperature adaptation strategies psychrophiles. Health. Medical ecology. Science. 2015; 3(61): 43-49. URL: https://yadi.sk/i/FSypPAsihdKt8
Сведения об авторах
Андрюков Борис Георгиевич - доктор медицинских наук, заведующий лабораторией молекулярной эпидемиологии и микробиологии ФГБНУ «НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова», телефоны: 8(423)-246-78-14, 89242304647; 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, д. 1; e-mail: [email protected];
Сомова Лариса Михайловна - доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова, 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, 1; e-mail [email protected];
Тимченко Нэлли Федоровна - доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и микробиологии. ФГБНУ «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Г.П. Сомова», 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, 1; Тел.: 244-11-47; e-mail [email protected].
and respond to low temperature? Arch Microbiol. 2010;192(2): 85-95.
58. Tan U., Vu M., Lyu N. et al. Cellular fatty acids as chemical markers for differentiation of Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis. Lett Appl Microbiol., 2010; 50(1): 104-11.
59. Tsuchiya H., Sato M., Kanematsus N. et al. Temperature-dependent changes in phospholipid and fatty acid composition and membrane lipid fluidity of Yersinia enterocolitica. Lett Appl Microbiol., 1987; 5: 15-8.
60. Temperature Adaptation in a Changing Climate: Nature at Risk (eds K.B. Storey and K.K. Tanino). CAB International, 2012.
61. Whittaker P. Comparison of Yersinia pestis to other closely related Yersinia species using fatty acid profiles. Food Chem, 2009; 116: 629-32.
62. Rebeil R., Ernst R. K., Gowen B. B. et al. Variation in lipid A structure in the pathogenic yersiniae. Molecular Microbiology, 2004; 52: 1363-73.
63. Venezia N. D., Minka S., Bruneteau M. et al. Lipopolysaccharides from Yersinia pestis Studies on lipid A of lipopolysaccharides I and II. European Journal of Biochemistry, 1985; 151(2): 399-404.
