stringtranslate.com

Бактерии L-формы

Микрофотография L-формы Bacillus subtilis , полученная с помощью трансмиссионного электронного микроскопа . Клетки лишены электронно-плотной клеточной стенки , характерной для обычных бактерий . Масштабная линейка составляет 500 нанометров .

Бактерии L-формы , также известные как бактерии L-фазы , варианты L-фазы или бактерии с дефицитом клеточной стенки ( CWDB ), являются формами роста, полученными из разных бактерий . У них отсутствуют клеточные стенки . [1] Различают два типа L-форм: нестабильные L-формы , сферопласты , которые способны делиться, но могут возвращаться к исходной морфологии, и стабильные L-формы , L-формы, которые не способны возвращаться к исходным бактериям.

Открытие и ранние исследования

Бактерии L-формы были впервые выделены в 1935 году Эмми Клинебергер-Нобель , которая назвала их « L-формами » в честь Института Листера в Лондоне, где она работала. [2]

Она впервые интерпретировала эти формы роста как симбионтов, связанных с плевропневмониеподобными организмами (PPLO, позже обычно называемыми микоплазмами). [3] Микоплазмы (теперь в научной классификации называемые Mollicutes ), паразитические или сапротрофные виды бактерий, также лишены клеточной стенки (пептидогликан/муреин отсутствует). [4] [5] Морфологически они напоминают бактерии L-формы. Поэтому микоплазмы раньше иногда считались стабильными L-формами или, из-за их небольшого размера, даже вирусами, но филогенетический анализ идентифицировал их как бактерии, которые потеряли свои клеточные стенки в ходе эволюции. [6] И микоплазмы, и бактерии L-формы устойчивы к пенициллину .

После открытия PPLO (микоплазм/ Mollicutes ) и бактерий L-формы их способ размножения (пролиферация) стал основным предметом обсуждения. В 1954 году с помощью фазово-контрастной микроскопии постоянные наблюдения за живыми клетками показали, что бактерии L-формы (ранее также называвшиеся бактериями L-фазы) и плевропневмониеподобные организмы (PPLO, теперь микоплазмы/ Mollicutes )) размножаются не путем бинарного деления, а с помощью механизма уни- или мультиполярного почкования . Были представлены серии микрофотографий растущих микрокультур различных штаммов бактерий L-формы, PPLO и, в качестве контроля, вида Micrococcus (делящегося бинарным делением). [3] Кроме того, были проведены электронно-микроскопические исследования. [7]

Внешний вид и деление клеток

Микрофотография популяции L-формы Bacillus subtilis , полученная с помощью трансмиссионного электронного микроскопа, показывающая диапазон размеров. Масштабная линейка составляет 10 микрометров .

Бактериальная морфология определяется клеточной стенкой . Поскольку L-форма не имеет клеточной стенки, ее морфология отличается от морфологии штамма бактерий, из которого она произошла. Типичные клетки L-формы представляют собой сферы или сфероиды . Например, L-формы палочковидной бактерии Bacillus subtilis выглядят круглыми при просмотре с помощью фазово-контрастной микроскопии или просвечивающей электронной микроскопии . [8]

Хотя L-формы могут развиваться как из грамположительных, так и из грамотрицательных бактерий , при окрашивании по Граму L-формы всегда окрашиваются как грамотрицательные из-за отсутствия клеточной стенки.

Клеточная стенка важна для деления клеток , которое у большинства бактерий происходит путем бинарного деления . Этот процесс обычно требует клеточной стенки и компонентов бактериального цитоскелета, таких как FtsZ . Способность бактерий L-формы и микоплазм расти и делиться при отсутствии обеих этих структур весьма необычна и может представлять собой форму клеточного деления, которая была важна для ранних форм жизни. Этот способ деления, по-видимому, включает в себя расширение тонких выступов с поверхности клетки, а затем эти выступы отщипываются, образуя новые клетки. Отсутствие клеточной стенки у L-форм означает, что деление дезорганизовано, что приводит к появлению клеток самых разных размеров: от очень маленьких до очень больших. [1]

Фазово-контрастное изображение клеток L-формы Bacillus subtilis, показывающее диапазон размеров. Масштабная линейка — 5 микрометров.

Поколение в культурах

L-формы могут быть получены в лаборатории из многих видов бактерий, которые обычно имеют клеточные стенки, таких как Bacillus subtilis или Escherichia coli . Это делается путем ингибирования синтеза пептидогликана антибиотиками или обработки клеток лизоцимом , ферментом, который переваривает клеточные стенки. L-формы генерируются в культуральной среде, которая имеет ту же осмолярность , что и бактериальный цитозоль ( изотонический раствор ), что предотвращает лизис клеток осмотическим шоком . [2] Штаммы L-форм могут быть нестабильными, имея тенденцию возвращаться к нормальной форме бактерий путем повторного выращивания клеточной стенки, но этого можно избежать путем длительного культивирования клеток в тех же условиях, которые использовались для их получения, позволяя мутациям, нарушающим целостность стенки, накапливаться путем генетического дрейфа . [9]

Некоторые исследования выявили мутации , которые происходят, поскольку эти штаммы происходят от нормальных бактерий. [1] [2] Одна из таких точечных мутаций D92E находится в ферменте yqiD / ispA ( P54383 ), участвующем в мевалонатном пути метаболизма липидов , который увеличил частоту образования L-формы в 1000 раз. [1] Причина этого эффекта неизвестна, но предполагается, что увеличение связано с ролью этого фермента в создании липида, важного для синтеза пептидогликана.

Другая методология индукции опирается на нанотехнологии и ландшафтную экологию . Микрофлюидные устройства могут быть построены для того, чтобы бросить вызов синтезу пептидогликана путем экстремального пространственного ограничения. После биологического распространения через суженный (субмикрометровый масштаб) биологический коридор, соединяющий соседние участки микросреды обитания , клетки, подобные L-форме, могут быть получены [10] с использованием основанной на микрофлюидах (синтетической) экосистемы, реализующей адаптивный ландшафт [11], выбирающий фенотипы, изменяющие форму, подобные L-формам.

Значение и применение

В некоторых публикациях высказывалось предположение, что бактерии L-формы могут вызывать заболевания у людей [12] и других животных [13] , но поскольку доказательства, связывающие эти организмы с заболеваниями, фрагментарны и часто противоречивы, эта гипотеза остается спорной. [14] [15] Две крайние точки зрения по этому вопросу заключаются в том, что бактерии L-формы являются либо лабораторными курьезами, не имеющими клинического значения, либо важными, но недооцененными причинами заболеваний. [5] Исследования бактерий L-формы продолжаются. Например, организмы L-формы были обнаружены в легких мышей после экспериментальной инокуляции Nocardia caviae [16] [ 17] , а недавнее исследование показало, что эти организмы могут инфицировать пациентов с ослабленным иммунитетом , перенесших трансплантацию костного мозга [18] . Также предполагалось, что образование штаммов бактерий, лишенных клеточных стенок , играет важную роль в приобретении бактериальной устойчивости к антибиотикам [19] [20]

Бактерии L-формы могут быть полезны в исследованиях ранних форм жизни и в биотехнологии . Эти штаммы изучаются для возможного использования в биотехнологии в качестве штаммов-хозяев для производства рекомбинантных белков . [21] [22] [23] Здесь отсутствие клеточной стенки может позволить производить большие количества секретируемых белков, которые в противном случае накапливались бы в периплазматическом пространстве бактерий. [24] [25]

Бактерии L-формы рассматриваются как персистирующие клетки и источник рецидивирующей инфекции, которая стала представлять медицинский интерес. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Leaver M, Dominguez-Cuevas P, Coxhead JM, Daniel RA, Errington J (февраль 2009). «Жизнь без стенки или машины разделения в Bacillus subtilis». Nature . 457 (7231): 849–53. Bibcode :2009Natur.457..849L. doi :10.1038/nature07742. PMID  19212404. S2CID  4413852.
  2. ^ abc Joseleau-Petit D, Liébart JC, Ayala JA, D'Ari R (сентябрь 2007 г.). "Нестабильные формы Escherichia coli L: рост требует синтеза пептидогликана". J. Bacteriol . 189 (18): 6512–20. doi :10.1128/JB.00273-07. PMC 2045188. PMID  17586646 . 
  3. ^ аб Кандлер, Гертрауд; Кандлер, Отто (1954). «Untersuchungen über die Morphologie und die Vermehrung der pleuropneumonia-ähnlichen Organismen und der L-Phase der Bacterien. I. Lichtmikroskopische Untersuchungen» [Исследования по морфологии и размножению (пролиферации) плевропневмониоподобных организмов и бактериальной L-фазе, I. Light микроскопия (теперь микоплазмы и бактерии L-формы)] (PDF) . Archiv für Mikrobiologie (на немецком языке). 21 (2). (Доступна статья на английском языке): 178–201. дои : 10.1007/BF01816378. PMID  14350641. S2CID  21257985.
  4. ^ Razin S, Yogev D, Naot Y (декабрь 1998 г.). «Молекулярная биология и патогенность микоплазм». Microbiol . Mol. Biol. Rev. 62 (4): 1094–156. doi :10.1128/MMBR.62.4.1094-1156.1998. PMC 98941 . PMID  9841667. 
  5. ^ ab Domingue GJ, Woody HB (апрель 1997 г.). «Бактериальная персистенция и проявление заболевания». Clin. Microbiol. Rev. 10 ( 2): 320–44. doi :10.1128/CMR.10.2.320. PMC 172922. PMID  9105757 .  Полный PDF-файл
  6. ^ Woese, Carl R. ; Maniloff, J.; Zablen, LB (1980). "Филогенетический анализ микоплазм" (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (1): 494–498. Bibcode :1980PNAS...77..494W. doi : 10.1073/pnas.77.1.494 . PMC 348298 . PMID  6928642. 
  7. ^ Кандлер, Гертрауд; Кандлер, Отто ; Хубер, Оскар (1954). «Untersuchungen über die Morphologie und die Vermehrung der pleuropneumonia-ähnlichen Organismen und der L-Phase der Bacterien. II. Elektronenmikroskopische Untersuchungen» [Исследования по морфологии и размножению (пролиферации) плевропневмоноподобных организмов и бактериальной L-фазе, II. Электронная микроскопия (теперь микоплазмы и бактерии L-формы)] (PDF) . Archiv für Mikrobiologie (на немецком языке). 21 (2). (Доступна статья на английском языке): 202–216. дои : 10.1007/BF01816379. PMID  1435064. S2CID  45546531.
  8. ^ Gilpin RW, Young FE, Chatterjee AN (январь 1973 г.). «Характеристика стабильной L-формы Bacillus subtilis 168». J. Bacteriol . 113 (1): 486–99. doi :10.1128/JB.113.1.486-499.1973. PMC 251652. PMID  4631836 . 
  9. ^ Allan EJ (апрель 1991 г.). «Индукция и культивирование стабильной L-формы Bacillus subtilis». Журнал прикладной бактериологии . 70 (4): 339–43. doi :10.1111/j.1365-2672.1991.tb02946.x. PMID  1905284.
  10. ^ Männik J.; R. Driessen; P. Galajda; JE Keymer; C. Dekker (сентябрь 2009 г.). «Бактериальный рост и подвижность в субмикронных сужениях». PNAS . 106 (35): 14861–14866. Bibcode :2009PNAS..10614861M. doi : 10.1073/pnas.0907542106 . PMC 2729279 . PMID  19706420. 
  11. ^ Keymer JE; P. Galajda; C. Muldoon R.; R. Austin (ноябрь 2006 г.). «Бактериальные метапопуляции в наноизготовленных ландшафтах». PNAS . 103 (46): 17290–295. Bibcode :2006PNAS..10317290K. doi : 10.1073/pnas.0607971103 . PMC 1635019 . PMID  17090676. 
  12. ^ Wall S, Kunze ZM, Saboor S, Soufleri I, Seechurn P, Chiodini R, McFadden JJ (1993). «Идентификация сферопластоподобных агентов, выделенных из тканей пациентов с болезнью Крона и контрольных тканей с помощью полимеразной цепной реакции». J. Clin. Microbiol . 31 (5): 1241–5. doi : 10.1128/JCM.31.5.1241-1245.1993. PMC 262911. PMID  8501224. 
  13. ^ Hulten K, Karttunen TJ, El-Zimaity HM, Naser SA, Collins MT, Graham DY, El-Zaatari FA (2000). «Идентификация форм M. avium subsp. paratuberculosis с дефицитом клеточной стенки в залитых парафином тканях животных с болезнью Джона методом гибридизации in situ». J. Microbiol. Methods . 42 (2): 185–95. doi :10.1016/S0167-7012(00)00185-8. PMID  11018275.
  14. ^ Onwuamaegbu ME, Belcher RA, Soare C (2005). «Бактерии с дефицитом клеточной стенки как причина инфекций: обзор клинического значения» (PDF) . J. Int. Med. Res . 33 (1): 1–20. doi :10.1177/147323000503300101. PMID  15651712. S2CID  24781904. Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2009 г.
  15. ^ Casadesús J (декабрь 2007 г.). «Бактериальные L-формы требуют синтеза пептидогликана для деления клеток». BioEssays . 29 (12): 1189–91. doi :10.1002/bies.20680. PMID  18008373. S2CID  9863534.
  16. ^ Beaman BL (июль 1980 г.). «Индукция вариантов L-фазы Nocardia caviae в интактных легких мышей». Infect. Immun . 29 (1): 244–51. doi :10.1128/IAI.29.1.244-251.1980. PMC 551102. PMID  7399704 . 
  17. ^ Beaman BL, Scates SM (сентябрь 1981 г.). «Роль L-форм Nocardia caviae в развитии хронических мицетом в нормальных и иммунодефицитных мышиных моделях». Infect. Immun . 33 (3): 893–907. doi :10.1128/IAI.33.3.893-907.1981. PMC 350795. PMID  7287189 . 
  18. ^ Woo PC, Wong SS, Lum PN, Hui WT, Yuen KY (март 2001 г.). «Бактерии с дефицитом клеточной стенки и эпизоды лихорадки с отрицательным результатом культивирования у реципиентов трансплантата костного мозга». Lancet . 357 (9257): 675–9. doi :10.1016/S0140-6736(00)04131-3. PMID  11247551. S2CID  1295920.
  19. ^ Фуллер Э., Элмер К., Натресс Ф. и др. (декабрь 2005 г.). «Устойчивость к β-лактамам у клеток золотистого стафилококка, которым не требуется клеточная стенка для целостности». Antimicrob. Agents Chemother . 49 (12): 5075–80. doi :10.1128/AAC.49.12.5075-5080.2005. PMC 1315936. PMID 16304175  . 
  20. ^ Мицкевич, Катажина М.; Каваи, Йошиказу; Дрейдж, Лорен; Гомес, Маргарида К.; Дэвисон, Фрэнсис; Пикард, Роберт; Холл, Джудит; Мостовы, Серж; Олдридж, Филлип Д.; Эррингтон, Джефф (2019). «Возможная роль переключения L-формы при рецидивирующей инфекции мочевыводящих путей». Nature Communications . 10 (1): 4379. Bibcode :2019NatCo..10.4379M. doi :10.1038/s41467-019-12359-3. PMC 6763468 . PMID  31558767. 
  21. ^ Зибен, Стефан (апрель 1998 г.). «Die Stabilen Protoplasten-Typ L-Formen von Proteus mirabilis als neues Expressionssystem for секреторный белок и интегральный мембранопротеин». Диссертация Йенского университета . ОСЛК  246350676.
  22. ^ Sieben S, Hertle R, Gumpert J, Braun V (октябрь 1998 г.). «Гемолизин Serratia marcescens секретируется, но не активируется стабильными L-формами протопластного типа Proteus mirabilis». Arch. Microbiol . 170 (4): 236–42. Bibcode : 1998ArMic.170..236S. doi : 10.1007/s002030050638. PMID  9732437. S2CID  23295806.
  23. ^ Gumpert J, Hoischen C (октябрь 1998 г.). «Использование бактерий без клеточной стенки (L-форм) для эффективной экспрессии и секреции гетерологичных генных продуктов». Current Opinion in Biotechnology . 9 (5): 506–9. doi :10.1016/S0958-1669(98)80037-2. PMID  9821280.
  24. ^ Rippmann JF, Klein M, Hoischen C и др. (1 декабря 1998 г.). «Прокариотическая экспрессия одноцепочечных вариабельных фрагментов (scFv) антител: секреция в L-формах клеток Proteus mirabilis приводит к активному продукту и преодолевает ограничения периплазматической экспрессии в Escherichia coli». Appl. Environ. Microbiol . 64 (12): 4862–9. Bibcode : 1998ApEnM..64.4862R. doi : 10.1128/AEM.64.12.4862-4869.1998. PMC 90935. PMID  9835575. 
  25. ^ Choi JH, Lee SY (июнь 2004 г.). «Секретное и внеклеточное производство рекомбинантных белков с использованием Escherichia coli». Appl. Microbiol. Biotechnol . 64 (5): 625–35. doi :10.1007/s00253-004-1559-9. PMID  14966662. S2CID  9923116.
  26. ^ Эмами К., Бэнкс П., Ву Л.Дж., Эррингтон Дж. (2023). «Повторное использование лекарств со специфической активностью против бактерий L-формы». Front Microbiol . 14 : 1097413. doi : 10.3389/fmicb.2023.1097413 . PMC 10110866. PMID  37082179 . 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки