Lactobacillus acidophilus ( нео-лат. «кислотолюбивая молочная палочка») — палочковидный, грамположительный , гомоферментативный , анаэробный микроб, впервые выделенный из детских фекалий в 1900 году. [1] Этот вид обычно встречается у людей, в частности в желудочно-кишечном тракте и полости рта, а также в некоторых специальных ферментированных продуктах, таких как ферментированное молоко или йогурт, хотя это не самый распространенный вид для этого. Вид наиболее легко растет при низких уровнях pH (ниже 5,0) и имеет оптимальную температуру роста 37 °C. Некоторые штаммы L. acidophilus демонстрируют сильные пробиотические эффекты и коммерчески используются в молочном производстве. Геном L. acidophilus был секвенирован.
L. acidophilus оказывает антагонистическое действие на рост Staphylococcus aureus , Escherichia coli , Salmonella typhimurium и Clostridium perfringens . [ 2 ] Из этих четырех организмов Staphylococcus aureus является наиболее пораженным. Наряду с S. aureus , другие грамположительные бактерии, C. perfringens, были поражены L. acidophilus больше, чем две другие грамотрицательные бактерии. Было обнаружено, что L. acidophilus также уменьшает образование зубного налета в полости рта, вызванное Streptococcus mutans . [3]
Lactobacillus acidophilus был впервые выделен из желудочно-кишечного тракта человека в 1900 году Эрнстом Моро с первоначальным названием Bacillus acidophilus. Со временем было много изменений в методах характеристики таксономии организмов, что привело к выделению рода Lactobacillus в 1929 году. Сложность с поиском исходного штамма возникла, когда нескольким штаммам одного изолята были даны различные названия. Большинство исследований L. acidophilus было сосредоточено на одном конкретном штамме, Lactobacillus acidophilus NCFM. С большим объемом информации, обнаруженной о L. acidophilus NCFM, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США признало микроб одобренным ингредиентом в напитках, молочных продуктах и других пробиотических продуктах. [4]
Lactobacillus acidophilus — это неподвижный палочковидный (бацилла), грамположительный организм, размер которого варьируется от 2 до 10 мкм. L. acidophilus имеет одну фосфолипидную бислойную мембрану с большой клеточной стенкой, состоящей из пептидогликана снаружи мембраны. Клеточная стенка L. acidophilus переплетена с тейхоевыми кислотами и поверхностными белками, с анионными и нейтральными полисахаридами, а также с S-слоем, выстилающим внешнюю часть клетки. [5] Было показано, что белки S-слоя L. acidophilus прилипают к эпителиальным клеткам, а также к слизи и другим внеклеточным белкам. [6] S-слой состоит из двух структурных доменов. C-концевой домен отвечает за закрепление клеточной стенки, в то время как N-концевой домен отвечает за взаимодействие с клеточной средой, а также за самосборку S-слоя. [6] У вида L. acidophilus N-концевая область показывает высокую аминокислотную изменчивость наряду с низкой гомологией последовательностей (31-72%). Однако C-конец показывает низкую аминокислотную изменчивость и высокую гомологию аминокислотных последовательностей (77-99%). [6] L. acidophilus не имеет никаких внеклеточных средств движения, таких как жгутик или пили, и поэтому является неподвижным микробом.
L. acidophilus — гомоферментативный анаэробный микроорганизм, что означает, что он производит только молочную кислоту в качестве конечного продукта ферментации; и что он может ферментировать только гексозы (не пентозы) посредством пути EMP (гликолиза). [5] L. acidophilus имеет более медленное время роста в молоке, чем в организме хозяина, из-за ограниченного количества доступных питательных веществ. Из-за его использования в качестве пробиотика в молоке, исследование, проведенное Американским журналом молочной науки, изучило потребности L. acidophilus в питательных веществах в попытке увеличить его низкую скорость роста. Исследование показало, что глюкоза и аминокислоты цистеин , глутаминовая кислота , изолейцин , лейцин , лизин , метионин , фенилаланин , треонин , тирозин , валин и аргинин являются необходимыми питательными веществами для роста L. acidophilus , а глицин , пантотенат кальция и Mn 2+ действуют как стимулирующие питательные вещества. [7] Исследование помогает объяснить низкую скорость роста L. acidophilus в молоке, поскольку некоторые аминокислоты, необходимые для роста L. acidophilus, отсутствуют в молоке. Добавление аминокислот с высокой скоростью потребления в ферментированное молоко является возможным решением проблемы. [7]
Специализация прокариотических геномов различима при распознавании того, как прокариот реплицирует свою ДНК во время репликации . У L. acidophilus репликация начинается в точке начала, называемой oriC , и движется двунаправленно в форме репликационных вилок . [5] ДНК синтезируется непрерывно на ведущей нити и в прерывистых фрагментах Оказаки на отстающей нити с помощью фермента ДНК-полимеразы III . [8] Для инициирования синтеза ДНК на ведущей и отстающей нитях необходим РНК-праймер. ДНК-полимераза III следует за РНК-праймером с синтезом ДНК в направлении от 5' к 3'. [8] L. acidophilus состоит из небольшого генома с низким содержанием гуанина-цитозина , приблизительно 30%. [5] Исследование, сравнивающее 46 геномов различных штаммов L. acidophilus, показало, что размер генома варьировался от 1,95 Мб до 2,09 Мб, при среднем размере 1,98 Мб. [1] Среднее количество кодирующих последовательностей в геноме составило 1780, при этом штаммы, выделенные из ферментированных продуктов и коммерческих пробиотиков, имели в среднем больше кодирующих последовательностей, чем штаммы, выделенные от людей. [1] L. acidophilus имеет открытое состояние пангенома (все гены в пределах вида), что означает, что размер пангенома увеличивался по мере увеличения числа секвенированных геномов. Основной геном (гены, общие для всех особей вида) состоит примерно из 1117 генов в случае L. acidophilus. [1] Генетический анализ также показал, что все штаммы L. acidophilus содержали по крайней мере 15 семейств гликозилгидролаз, которые являются ключевыми ферментами в метаболизме углеводов. Каждое из 15 семейств GH было вовлечено в метаболизм обычных углеводов, таких как глюкоза, галактоза, фруктоза, сахароза, крахмал и мальтоза. Гены, кодирующие устойчивость к антибиотикам посредством оттока антибиотиков, изменения мишени антибиотиков и защиты мишени антибиотиков, присутствовали во всех штаммах L. acidophilus , обеспечивая защиту от 18 различных классов антибиотиков во всех штаммах. Фторхинолон, гликопептид, линкозамид, макролид и тетрациклин были пятью классами антибиотиков, к которым L. acidophilus демонстрировала самый высокий уровень толерантности, с более чем 300 генами, относящимися к этим классам. [1]
L. acidophilus естественным образом растет в ротовой, кишечной и вагинальной полостях млекопитающих. [9] Почти все виды Lactobacillus имеют особые механизмы термоустойчивости, которые включают усиление активности шаперонов . Шапероны — это высококонсервативные стрессовые белки, которые обеспечивают повышенную устойчивость к повышенным температурам, стабильность рибосом, температурную чувствительность и контроль рибосомальной функции при высоких температурах. [10] Эта способность функционировать при высоких температурах чрезвычайно важна для выхода клеток в процессе ферментации, и в настоящее время проводится генетическое тестирование L. acidophilus с целью повышения его температурной устойчивости. [1] При рассмотрении L. acidophilus в качестве пробиотика важно, чтобы он обладал признаками, подходящими для жизни в желудочно-кишечном тракте. Часто требуется устойчивость к низкому уровню pH и высоким уровням токсичности. Эти признаки различаются и являются штаммоспецифичными. Механизмы, с помощью которых выражается эта толерантность, включают различия в структуре клеточной стенки, а также другие изменения в экспрессии белка. [9] Было показано, что изменения концентрации соли влияют на жизнеспособность L. acidophilus , но только после воздействия более высоких концентраций соли. В другом эксперименте, отмеченном Американской ассоциацией молочной науки, количество жизнеспособных клеток показало значительное снижение только после воздействия концентраций NaCl 7,5% или выше. [11] Также было замечено, что клетки отчетливо удлиняются при выращивании в условиях концентрации NaCl 10% или выше. [11] L. acidophilus также очень хорошо подходит для жизни в молочной среде, поскольку ферментированное молоко является идеальным методом доставки для введения L. acidophilus в микробиом кишечника. [7] Жизнеспособность клеток L. acidophilus , инкапсулированных с помощью технологии распылительной сушки, хранящихся в охлажденном состоянии (4 °C), выше, чем жизнеспособность клеток, хранящихся при комнатной температуре (25 °C). [12]
Чувство кворума среди клеток — это процесс, в ходе которого клеточная сигнализация может приводить к скоординированным действиям, которые в конечном итоге могут помочь бактериям контролировать экспрессию генов в последовательной последовательности. Это достигается путем обнаружения небольших аутоиндукторов , которые секретируются в ответ на увеличение плотности популяции клеток. [13] У Lactobacillus acidophilus, которые можно обнаружить в желудочно-кишечном тракте, чувство кворума важно для взаимодействия бактерий при рассмотрении образования биопленки и секреции токсинов. [14] У L. acidophilus , наряду со многими другими бактериями, опосредованное luxS чувство кворума участвует в регуляции поведения. В монокультуре продукция luxS увеличивалась во время экспоненциальной фазы роста и начинала выходить на плато по мере перехода к стационарной фазе. Повышение регуляции luxS может происходить, когда L. acidophilus помещают в совместное культивирование с другим видом Lactobacillus . [13]
Lactobacillus acidophilus относительно редко встречается в микробиоме влагалища ; [15] [16] [17] он чаще встречается в кишечнике. [16] Другие виды этого рода встречаются чаще, включая Lactobacillus crispatus , Lactobacillus gasseri , Lactobacillus jensenii и Lactobacillus iners . [18] [19] [20] [21] В экспериментах L. acidophilus , по-видимому, снижал способность Candida albicans прикрепляться к эпителиальным клеткам влагалища; однако использование L. acidophilus для профилактики дрожжевых инфекций неясно, поскольку также было обнаружено, что этот вид Lactobacilli не обладает очень сильной способностью прикрепляться к клеткам влагалища (и, таким образом, колонизировать их). [22]
Исследования показали, что присутствие L. acidophilus может вызывать различные пробиотические эффекты у людей, такие как действие в качестве барьера против патогенов, помощь в переваривании лактозы, усиление иммунного ответа и снижение уровня холестерина. L. acidophilus должны существовать в концентрации 10^5 - 10^6 КОЕ (колониеобразующих единиц) на мл, чтобы эти эффекты были видны. [8] Исследование, проведенное в Медицинской школе Уэйк Форест, изучало влияние L. acidophilus на структуру и состав микробиома кишечника мышей в зависимости от возраста мышей. Исследование установило важность взаимодействия между микробами в микробной среде кишечника для общего здоровья организма, и данные показали, что у мышей, которым добавляли L. acidophilus , снизились уровни протеобактерий и повысились уровни других пробиотических бактерий по сравнению с другими мышами аналогичного возраста. [23] Другое исследование, проведенное в Христианском университете Мараната, изучало влияние бесклеточных супернатантов L. acidophilus (жидкая среда, содержащая метаболиты, вырабатываемые микробным ростом) [24] на характер роста Salmonella typhi , микроба, связанного с брюшным тифом. Исследование показало, что присутствие метаболитов L. acidophilus значительно подавляло кривые роста, демонстрируемые S. typhi , [25] подтверждая идею о том, что присутствие L. acidophilus оказывает положительное влияние на видовой состав микробного сообщества кишечника, обеспечивая организму преимущества для здоровья кишечника. Врожденная иммунная система L. acidophilus также вырабатывает антимикробные пептиды. [26] Группа коротких пептидов, обнаруженных там, продемонстрировала антимикробные свойства, такие как их сила против вирусов и других типов клеток, включая раковые клетки. [27] Также имеются некоторые доказательства, подтверждающие использование симбиотического геля (содержащего L. acidophilus ) при лечении желудочно-кишечных симптомов у пациентов, прошедших лечение гемодиализом. Этот гель также уменьшил возникновение рвоты, изжоги и болей в животе. Для того, чтобы сделать окончательные выводы, необходимы дальнейшие исследования по этому вопросу. [28]
Как указано в журнале Американской ассоциации молочной науки, « Lactobacillus acidophilus — это коммерческий штамм и пробиотик, который широко используется в молочной промышленности для получения высококачественных продуктов ферментации». [7] Повышение уровня полезных бактерий и снижение уровня патогенных бактерий в кишечнике из-за потребления ферментированного молока, содержащего штаммы L. acidophilus, имеет ряд пробиотических эффектов. Снижение уровня сывороточного холестерина, стимулирование иммунного ответа и улучшение переваривания молочной кислоты — все это пробиотические эффекты, связанные с присутствием L. acidophilus в кишечнике . L. acidophilus также эффективно снижал уровень Streptococcus mutans в слюне, а также уменьшал факторы риска, связанные с развитием неалкогольной жировой болезни печени. [7] Штамм L. acidophilus , который был наиболее широко исследован и наиболее широко используется в качестве пробиотика, называется NCFM. [1]
Наиболее распространенным видом Lactobacillus , используемым при производстве йогурта, является Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus .
Хотя пробиотики в целом безопасны, при их пероральном применении существует небольшой риск попадания жизнеспособных бактерий из желудочно-кишечного тракта в кровоток ( бактериемия ), что может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья. [29] Некоторые люди, например, с ослабленной иммунной системой , синдромом короткой кишки, центральными венозными катетерами, заболеваниями клапанов сердца и недоношенные дети, могут быть подвержены более высокому риску неблагоприятных событий.