CC BY
83
с
ПЕРЕРАБОТКА
]
УДК 579.864.1:537.531
АДАПТАЦИЯ ЛАКТОБАКТЕРИИ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
О.Д. СИДОРЕНКО, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Б.В. ПРОНИН, кандидат технических наук, зав. кафедрой
А.П. ХАРЬКОВА, аспирант
Т.В. КУДРЯВЦЕВА фельдшер-лаборант
РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева
E-mail: soleg39@mail.ru
Резюме. Воздействие электромагнитных волн на лактобактерии рассматривается как приём управления метаболизмом клетки. Оно вызывает повреждения биологических мембран и потерю гомеостаза; происходят коренные перестройки в метаболической активности и химическом составе клетки, что вызывает переход особи в новое состояние. Основная цель эксперимента - установить степень воздействия электромагнитных волн на морфологические изменения и метаболизм лактобактерий заквасок кисломолочных продуктов. Для проведения исследований на кисломолочные продукты (айран, курунга, «Эвиталия») воздействовали низкочастотными электромагнитными полями в течение 3 ч. Влияние стресса перестраивает метаболические процессы в клетке, что приводит к новомутипуобмена веществ. Изменяются морфологическиехарак-теристики клеток и колоний на твёрдой питательной среде. Причём мутированные клетки дают характерные колонии кремового цвета с резко очерченным краем. В биологической пробе супернатанта кисломолочных продуктов установлены ионный состав и их концентрация, измерен рН до и после воздействия электромагнитных волн. При экстремальном воздействии на лактобактерии и дрожжи снижается рН средь: в курунге с 6,0 до 5,0; в продукте «Эвиталия» - с 5,0 до 4,0. Соотношение ионов Na+/K+ в курунге изменяется с 0,56 до 0,66 после воздействия; №+/Са2+ - с 1,69 до 1,99. Возникновение пигмента кремового цвета в колонии лактобактерий - результат биохимической перестройки организма. Содержание белка в клетках курунги после воздействия магнитных волн выросло с 3,8 до 8,3 mmoll/l, в айране - с 6,7 до 9,4; в «Эвиталии» - с 3,6 и 4,5 mmoll/l. Исследования показали, что реакция ответа лактобактерий молочных продуктов характеризуется изменениями морфологии и биохимии клеток закваски, что может быть использовано при производстве функциональных продуктов питания. Ключевые слова: магнитное поле, адаптация, мутанты, колонии, пигменты, аллелокатализ.
Экстремальное воздействие на микроорганизм и последующее его состояние привлекают внимание многих исследователей - теоретиков и практиков биотехнологии и медицины.
Общебиологическое действие любого неблагоприятного фактора (стрессора) приводит к тому, что организм из состояния активной жизнедеятельности переходит к ее торможению, вызывает ряд неспецифических ответных реакций и «включение» стрессорами неспецифических сигнальных систем в клетке. В передачу сигнала внутри клетки во многих случаях, кроме белковых посредников, вовлекаются и относительно небольшие молекулы, служащие вторичными сигналами, типа ионов кальция (Са2+). В этот период происходит коренная перестройка метаболических процессов, приводящая к новым типам метаболизма.
Воздействия стрессоров на бактерии сопровождаются глубокими изменениями в синтезе органических протекторов (сахаров, сахароспир-тов, белков, липидов и др.) и интенсивности метаболизма, в том числе путем выделения
некоторых метаболитов во внешнюю среду [1...3]. Усиленный синтез низкомолекулярных органических соединений и изменение состояния ДНК при стрессе отмечается для бактерий, грибов и дрожжей. Кроме того, при экстремальном воздействии на микроорганизмы изменяется концентрация и соотношения ионов Ыа+/К+, Ыа+/Н+ и др. [4].
Следовательно, экстремальное воздействие на микроорганизмы стрессоров вызывает повреждения биологических мембран и потерю гомеостаза клетки. В организме происходят коренные перестройки в метаболической активности и химическом составе клеток и, в первую очередь, в составе липидного бислоя и антиоксидантном статусе. Наблюдается и морфологическое разнообразие организмов, причем не только между видами, но и в цикле развития одного вида. Нарушение гомеостаза вызывает переход особи в новое состояние и это не обязательно следует рассматривать как негативный эффект.
Цель нашего исследования - определить степень воздействия магнитных полей на изменения метаболических процессов лактобактерий и их ответы, которые могут иметь общебиологическое значение и играют основную роль при формировании функциональных кисломолочных продуктов.
Условия, материалы и методы. В опыте изучали образцы молочных продуктов (айран, курунга, «Эвиталия») до и после воздействия низкочастотных электромагнитныхполей, создаваемых кольцами Гельмгольца, обеспечивающими однородное (до 5 %) магнитное поле в зоне расположения стеклянныхколб с заквашенным молоком, продолжительностью 3 ч. Концентрацию протонов устанавливали методом сравнительного измерения по автоматической калибровке стандартных растворов. Концентрацию Са2+, Ыа+, К+, С1-, Fe3+, Р5+, Мд2+, а также общее содержание белка и рН определяли непосредственно в биологической пробе супернатанта кисломолочных продуктов на анализаторах Острив Д11-400 и Баву Lyte с помощью селективных электродов (УББ, диаметр 5-20 мкм) и фотометрического УФ теста. Микробиологические анализы и микрофотосъемкупроводили по модифицированным стандартным методам.
Результаты и обсуждение. Адаптация лактобактерий к стрессу, в частности, к воздействию электромагнитного поля, сопряжена с изменением физиологического состояния клеток. С увеличением напряженности стресса происходят качественные (экспрессия новых активностей) и количественные (изменения баланса уже действующих систем) преобразования.
Магнитное поле - это мутагенный фактор, которй влияет на популяцию лактобактерий закваски, изменяя их исходный качественный состав. Изменяется и окружающая среда. Кислотность в курунге снижается с 6,0 до 5,0, в
Рис. 1. Динамика образования пигмента в колонии.
ПЕРЕРАБОТКА
«Эвиталии» - с 5,0 до 4,0. Дрожжи рода БассЬаготусев вр. в некоторых случаях совсем исчезают или их клетки сильно вакуолизируются и значительно уменьшаются в размерах. При этом изменяется форма клеток, несколько вытягивающаяся в длину. Эти процессы носят достаточно стойкий характер, что дает возможность предположить наличие серьезных изменений свойств маннано-протеидного и глю-канового компонентов клеточной стенки, определяющих форму клетки. Магнитная индукция привела к изменению клеток. Происходит отбор мутантов, устойчивых к кислой среде. На плотных питательных средах колонии растут ра-диально, поэтому даже если в одной из клеток произойдет мутация, ее легко обнаружить визуально.
Мутанты продуцируют кремовый пигмент, который в дальнейшем приобретает вся колония (рис. 1).
Колонии, сформированные под действием стрессора, обычно более плотно прилегают к агаровой среде, более интенсивно окрашены (от кремового до коричневого цвета). Можно предположить, что этот пигмент представляет собой высокомолекулярное соединение фенольной природы (меланин), который, как известно, обладает выраженными антиоксидантными и гепапротекторными свойствами [6, 7]. Возможно, он вносит существенные изменения в архитектонику мембран и влияет на состояние липидов, так как колонии приобретают четко очерченный край.
Вторичные колонии появляются в виде небольших выростов, бугорков или наростов (мелкобугристые) с волнистыми краями. Это наблюдается после того, как рост колонии в основном заканчивается и клетки начинают стареть. Вторичные или дочерние колонии могут появляться на поверхности, развиваться внутри или формировать отростки по краю исходной колонии. Они бывают разных размеров, формы и количества. По нашим наблюдениям, клетки вторичных колоний сильно отличаются от исходных по многим морфологическим и физиологическим характеристикам и, верятно, имеют отличия на генетическом уровне.
Установлено, что концентрация Са2+, Ыа+, К+, С1-, Fe3+, Р5+, Мд2+, а также содержание белка и рН до и после воздействия магнитных полей на лактобактерии закваски заметно отличаются (рис. 2).
45
Кальций Фосфор Железо Магний Калий Натрий Хлор Общий
белок
Биохимические показатели "Эвитллии"
Рис. 2. Биохимическая характеристика кисломолчного продукта «Эвиталия»: - без обработки ЭМВ; ■ - с обработкой ЭМВ.
Вероятно, это связано с тем, что в результате взаимодействия магнитных полей и поляризованных структурных элементов клетки могут изменяться характеристики трансмембранного переноса воды и веществ, метаболическая активность бактерий и экскретироваться специальные ауторегуляторы-преобразователи сигналов [6,7].
Выводы. Адаптация лактобактерий к стрессу сопряжена с изменением физиологического состояния клеток. Реакция ответа лактобактерий и дрожжей заквасок на воздействие электромагнитных полей характеризуется изменениями в морфологии и биохимии клеток. Под влиянием магнитной индукции возможен синтез de novo ряда протекторных соединений и белков общего стрес-сорного ответа лактобактерий.
Пигментация колоний лактобактерий - ответ клеток прокариот на стрессор и результат биохимической перестройки организма лактобактерий.
Электромагнитные поля имеют большой потенциал влияния на механизм развития и метаболизм лактобактерий. Они способны активно изменять рН и ионный состав клетки, соотношение и концентрацию ионов, что может быть использовано в производстве функциональных кисломолочных продуктов.
Литература.
1. Хочачка П., Сомеро Д. //Биохимическая адаптация. - М.: Мир, 1988.-568 с.
2. Lindquist S., Craig E.A. 1988. The heat-shock proteins // Annu. Rev. Genet. - Vol. 22. - P.631-677.
3. ParsellD. A.., Lindguist S. //Jbid. - 1999. - Vol. 27. - P. 438-478.
4. Nishi Т., Yagi T. //G. Gen. Appl. Microbiol. - 1995. - Vol. 41. - № 1. - P. 87-97
5. Kim Woo jin S Perl J Park et al. Assessment of stress response of the probiotic Lactobacillus acidophilus // Curr Microbiol. - 2001 Vol. - 43. - P. 346-350.
6. Бабицкая В.Г., Щерба В.В., Иконников Н.В. Меланиновый комплекс гриба Inonotus obliquus//Прикладная биохимия и микробиология. - 2000. - т. 36. - № 4. - С.439-444.
7. Николаев Ю.А., Проссер Дж. И. и Паников Н.С. Внеклеточные факторы адаптации к неблагоприятным условиям среды в периодической культуре Pseudomonas fluorescens//Микробиология. - 2000. - Т.69. - № 5. С. - 629-635.
LACTOBACILLI ADAPTATION TO ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE O.D. Sidorenko, B.V. Pronin, A.P. Kharkova, T.V. Kydryavceva
Summary. The impact of electromagnetic waves on the lactobacilli is seen as taking control cell metabolism. It causes damage to biological membranes and loss of homeostasis, it is undergoing fundamental restructuring in the metabolic activity and the chemical composition of cells, and the disruption of homeostasis causes the individual to a new state. The main goal of the experiment is to determine the degree of influence of electromagnetic waves on the morphological changes of the metabolism of lactic acid bacteria starter cultures and dairy products. Dairy products (ayran, kurung, "Evitaliya") were tested, there are worked of the low-frequency electromagnetic fields within 3 hours. Exposition stress rearranges metabolic processes in a cell that leads to a new type of metabolism. Morphological characteristics of cells and colonies are changed on solid medium. Moreover the mutated cells give the characteristic cream-colored colonies with a sharply defined edge. The ionic composition and their concentration were established in biological sample supernatant dairy products, pH was measured before and after exposure to electromagnetic waves. At the extreme effects on lactobacilli and yeasts pH of the medium is reduced: in kurung before processing of electromagnetic wave pH amounted to 6.0, after exposure - 5.0, in the product "Evitaliya" was 5.0, after - 4.0. The concentration and ratio of ions Na+/K+, ^/Са^ change. In kurung the ratio of Na+/K+ is 0.56 before treatment and 0.66 after EMW exposure; ^/Са^ - 1.69 and 1.99, respectively. Thus, cell metabolism is changed under the influence of stress. The appearance of the cream-colored pigment in colonies of lactobacillus is the result of biochemical reorganization of the organism. The protein content in the cells is increased after exposure magnetic waves: in the original sample kurung rate is 3,8 mmoll/l, after processing -8.3, in ayran before exposure of EME is 6.7, after - 9.4, in "Evitalii" -3.6 and 4.5 respectively. Studies have shown the reaction response of lactobacilli dairy products ayran, kurung, "Evitalii" is characterized by the changes of cells morphology and biochemistry which can be used in the production of functional foods. Key words: magnetic field, adaptation, mutants, colonies, pigments, allelokataliz.
