«Бактериальная палитра»: пигменты синегнойной палочки | Микробиологическая лаборатория Qmedlab.ru

Бактериальные пигменты – это вторичные метаболиты бактерий с разнообразной окраской, гетерогенной структурой и низкой молекулярной массой. Большое количество бактерий продуцируют пигменты, которые выполняют различные функции, такие как фотосинтез (Chloracidobacterium thermophilum), защита от ультрафиолетового излучения (споры Bacillus atrophaeus), поглощение железа (Pseudomonas aeruginosa), взаимодействие с другими микроорганизмами и участие в передаче сигналов между бактериальными клетками.

Pseudomonas aeruginosa — это повсеместно распространенная бактерия, встречающаяся во многих средах, таких как вода и ризосфера. Она производит большой набор факторов колонизации и вирулентности, позволяющих ей обосновываться в растениях, нематодах, насекомых и млекопитающих, включая человека, где она может вызывать различные типы инфекций. P. aeruginosa способна переходить от планктонного одноклеточного образа жизни к «сидячему» образу жизни в биоплёнках.

При культивировании на твердой среде колонии имеют средний диаметр, обычно имеют плоскую поверхность и склонность к ползучему росту, неровные края и металлический блеск, который часто связан с аутолизом колоний. Существуют и другие виды колоний, включающие гладкие, колиформные колонии, а также слизистые, карликовые и мукоидные формы. Вариантов колоний не перечесть!

Колонии приобретают зеленоватый цвет из-за синтеза двух основных продуцируемых пигментов, синего (пиоцианина) и желтого (флуоресцеина). Еще одной характерной чертой культур синегнойной палочки является фруктовый аромат «земляничного мыла» или, как его характеризуют зарубежные микробиологи, запаха «винограда или зерна тако», получаемый в результате синтеза 2-аминоацетофенона.

P. aeruginosa может синтезировать по меньшей мере семь различных пигментов: флуоресцеин, пиовердин, пиорубрин, пиомеланин, аэругинозин А, аэругинозин В и пиоцианин. Последние три перечисленных пигмента являются феназинами.

Рис. 1. «Палитра» синегнойной палочки. Агар Мюллера-Хинтон. Фото из архива Аминевой П.Г.

Палочка «сине-зеленого» гноя

Пиоцианин — это ярко-синий пигмент, относящийся к группе феназинов (молекулы с гетероциклическими кольцами, содержащими азот), вырабатываемый исключительно (на 90–95%) штаммами Pseudomonas aeruginosa.

Рис. 2. P. aeruginosa, продуцирующая пигмент пиоцианин. Агар Мюллера-Хинтон. Фото из архива Аминевой П.Г.

Рис. 3. P. aeruginosa, продуцирующая пигмент пиоцианин, в смешанной культуре с другими бактериями, видна диффузия пигмента в среду под колониями. Агар UriSelect4. Фото из архива Аминевой П.Г.

Пигмент пиоцианин был впервые описан в 1860 году Фордосом при наблюдении за синеватой гнойной пробой, образовавшейся при инфекции, вызванной P. aeruginosa. Название пигмента состоит из двух греческих слов “pyon” (гной) и “kyanos” (синий). Доктор Фордос также описал различные свойства пигмента, такие как его растворимость и оттенки цвета, которые он проявляет при различных уровнях pH. Он предположил, что бактерии способны производить четыре типа цвета. Позже это явление назвали как «эффект хамелеона».

Матюрен-Жозеф Фордос (3 ноября 1816 г. – 1 июля 1878 г.) – французский химик-фармацевт, первым исследовавший вещество, названное им пиоцианином, – синий пигмент в гное, вырабатываемый синегнойной палочкой. Это был первый описанный природный феназин.

Впервые пигмент был выделен из синегнойной палочки в 1882 году, когда Джессард попытался подтвердить инфекционное происхождение явления, придающего синий цвет гною и тканям.

Луи-Карл Джессар (3 октября 1850 г. - 7 ноября 1925 г.) — французский фармацевт, химик и бактериолог. Он открыл Pseudomonas aeruginosa, что принесло ему дружбу Луи Пастера и зависть коллег.

Вскоре ученые обнаружили, что пиоцианазу, вырабатываемую “синильной палочкой”, можно использовать для лечения дифтерии и менингококковой инфекции. Кроме того, она использовалась для полоскания рта, а годы спустя было доказано, что она эффективна против сибирской язвы. Пиоцианаза в виде глазных капель, спреев и ополаскивателей для рта была наиболее распространенным препаратом, поскольку ее системное применение оказалось очень токсичным. Таким образом, пиоцианаза, вероятно, была первым антибиотиком, полученным промышленным путем и применявшимся в терапевтических целях у людей, за десятилетия до открытия пенициллина и эры антимикробной химиотерапии.

Позднее начали выясняться механизмы действия пиоцианина, что выявило метаболические и экологические преимущества P. aeruginosa по сравнению с другими микроорганизмами.

Конкуренция в микробном мире — это естественный процесс, который возникает, когда один организм вырабатывает вещество, оказывающее ингибирующее действие на рост другого; эта взаимосвязь обеспечивает баланс сосуществования видов, а также всей экосистемы.

Во многих исследованиях обсуждалась антибактериальная активность пиоцианина против как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Эль-Фоули наблюдал ингибирующую активность пиоцианина против золотистого стафилококка, кишечной палочки, видов клебсиелл, сальмонеллы брюшного тифа и шигелл.

Бактериальный «загар»

Пиомеланин (пигмент черного цвета) предохраняет микроорганизм от неблагоприятного действия изменений концентрации О₂ и UV-лучей. Его наличие также помогает бактериям переносить гипоксию при инфекциях глубоких тканей. Подобные свойства пигмента дают основание считать меланинобразующие штаммы более вирулентными.

Рис. 4. P. aeruginosa, роение (видны распластанные слизистые колонии с прокрашиванием агара вокруг колонии). Агар шоколадный. Фото из архива Аминевой П.Г.

Рис. 5. P. aeruginosa: виден феномен «радужного лизиса» - появление на колониях пленки, переливающейся в отраженном свете, в смешанной культуре с другими бактериями, видна диффузия пигмента в среду под колониями. Агар UriSelect4. Фото из архива Аминевой П.Г.

Пиорубрин - красный пигмент, вырабатываемый некоторыми культурами Pseudomonas aeruginosa, был впервые описан Мидером, Робинсоном и Леонардом в 1925. Сравнение спектра поглощения пиорубрина (Narano, 1966) со спектром поглощения аэругинозинов А и В (Holliman, 1961) позволило сделать вывод, что пиорубрин представляет собой смесь этих пигментов. Таким образом, пиорубрин, подобно пиоцианину, является феназиновым пигментом.

Рис. 6. P. aeruginosa: пигмент пиорубрин, видна диффузия пигмента в среду под колониями. Агар UriSelect4. Фото из архива Аминевой П.Г

Рис. 7. P. aeruginosa, продуцирующая пигмент пиорубрин. Агар Мюллера-Хинтон. Фото из архива Аминевой П.Г.

Частота встречаемости красных пигментированных вариантов в клинических образцах невелика и составляет 3,5–6 % (Огуннариво и Гамильтон-Миллер, 1975). У пациентов с хронической инфекцией и муковисцидозом коричневые пигментированные варианты с пиомеланином встречаются чаще — до 13 % (Майер-Хамлетт и др., 2014).

Свет имеет значение

Культуры Pseudomonas aeruginosa, выращенные при непрерывном освещении широким спектром света, демонстрировали иную пигментацию по сравнению с культурами, выращенными в темноте. В то время как бактерии, выращенные в темноте, продуцировали пигменты, которые приводили к сине-фиолетовому цвету агара, микроорганизмы, выращенные на свету, давали красные оттенки. Экстракция и количественное определение пигментов показали, что как в темных, так и в световых культурах наблюдались сходные концентрации пиорубрина (красный) и пиовердина (желтый). Напротив, концентрация пиоцианина (синий) существенно снижалась при определенных условиях освещения. Это снижение зависело как от интенсивности, так и от длины волны света и происходило при освещении ультрафиолетовой и фиолетовой областью спектра.

Propst C, Lubin L. Light-mediated changes in pigmentation of Pseudomonas aeruginosa cultures. J Gen Microbiol. 1979 Aug;113(2):261-6.

Пигменты-сидерофоры

Железо необходимо для роста бактерий, и многие грамотрицательные бактерии, в частности Pseudomonas aeruginosa, используют высокоаффинные системы поглощения железа. Они включают внеклеточно высвобождаемые хелаторы железа или сидерофоры и связанные с внешней мембраной белковые рецепторы комплексов железо-сидерофор. Пиохелин и пиовердин (желто-зеленое водорастворимое соединение) действуют как сидерофоры для бактерий.

Рис. 8. P. aeruginosa, продуцирующая бета-гемолизин. Кроме просветления, вызванного гемолизом эритроцитов в среде, виден черный металлический блеск. Агар с 5% кровью барана. Фото из архива Аминевой П.Г.

«Слайм» на чашках Петри

Могут также встречаться и беспигментные штаммы P. aeruginosa, очень часто это штаммы с повышенным содержанием мукоида (рис.9, 10). Мукоидный вариант избыточно продуцирует альгинат, который является матрицей биопленки P. aeruginosa. Мукоидные колонии обнаруживаются у пациентов с хронической биопленочной инфекцией, например, при инфекции мочевыводящих путей или муковисцидозе.

Рис. 9. Мукоидный вариант колоний синегнойной палочки в образцах мочи: слева – смешанная культура, справа – монокультура. Агар UriSelect4. Фото из архива Аминевой П.Г.

Рис. 10. Беспигментные штаммы синегнойной палочки в образцах мочи: слева – Мукоидный вариант колоний, справа – Немукоидный вариант. Агар UriSelect4. Фото из архива Аминевой П.Г.

Вместо заключения

Большой интерес для науки и медицины представляет поиск биологически активных метаболитов микроорганизмов, таких как пигменты. Микробные пигменты обладают различными преимуществами, например, их безопасно использовать благодаря природному составу. Pseudomonas aeruginosa производит феназиновые пигменты, которые имеют экологическое значение для взаимодействия между видами Pseudomonas и другими микроорганизмами. Пиоцианин - пигмент, синтезируемый P. aeruginosa, обладает мощными антибактериальными, антиоксидантными и противораковыми свойствами. В последнее время найдены важные эффекты пиоцианина, например, как средства против образования биопленок, препятствующее механизму кворум-сенсинга (quorum sensing, система «коммуникации» у микробов). Применение данного пигмента возможно в различных областях биотехнологии, инженерии и биологии.