О пропионовокислых бактериях (Автор: Воробьева Л. И.)

О ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЯХ

 Автор: Доктор биологических наук Л.И. ВОРОБЬЕВА,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Летом 2001 г. пропионово-кислые бактерии (ПКБ) оказались в центре внимания III Международного симпозиума "Propioni bacteria", проходившего в Цюрихе (Швейцария). Он начался с присуждения награды российскому биологу Лене Ивановне Воробьевой за выдающийся вклад в развитие науки об уникальной форме жизни, которую представляют эти микроорганизмы. О проблемах микробиологии, ставшей главной темой жизни и деятельности ученого, и пойдет речь в публикуемой статье.

Все живое на Земле в отношении существования и питания непосредственно или опосредованно зависит от микроорганизмов - самых активных, быстрее всех делящихся, интенсивнее всех дышащих существ на планете. Их большая каталитическая сила проявляется и в химических трансформациях различных органических веществ, а также таких элементов, как двухвалентное железо, теллурий, сера, фосфорит, соли селениума и др. Любое катионное или анионное соединение, которое может окисляться, служит источником энергии для бактерий - литотрофов, фиксирующих СО₂ .

Многообразие микроорганизмов и веществ, обеспечивающих их существование, удивительную приспособляемость к изменяющимся условиям окружающей среды, позволили выдающемуся французскому ученому XIX в., основоположнику современной микробиологии и иммунологии, иностранному почетному члену Петербургской АН Л. Пастеру сделать заключение: "Последнее слово будет за бактериями".

Сегодня описано более 100 тыс. видов бактерий, что составляет около 10% от существующих в природе. Некоторые из них, например, молочнокислые, пропионово- кислые, бифидобактерии, так называемые пробиотики, постоянно находятся в желудочно-кишечном тракте и на коже людей, угнетают рост гнилостной и вредоносной микрофлоры, положительно влияют на здоровье человека.

Более того, ПКБ относят к "одомашненным" бактериям: их еще 9 тыс. лет тому назад использовали для получения сыра. В настоящее время они применяются в производстве витамина В₁₂ (участвуют в синтезе необходимых человеку соединений - метионина, нуклеиновых кислот, в процессе кроветворения и т.д.), пропионовой кислоты, в хлебопечении, ветеринарии и медицине.

"ПОРТРЕТ" ПРОПИОНОВО-КИСЛЫХ БАКТЕРИЙ

Специалист, много лет изучающий ПКБ, всегда отличит их от других бактерий столь же маленьких размеров (1,0-1,5 х 0,5 мкм), потому что для них характерен "палисадный" тип расположения клеток, имеющих вид иероглифов, большое число вмятин и вздутий, видимых в сканирующем микроскопе. К тому же они - неспорообразующие, неподвижные, факультативные анаэробы, т.е. могут расти как при наличии небольшого количества кислорода, так и при полном его отсутствии.

Свое название ПКБ получили от образуемой ими пропионовой кислоты (наряду с уксусной и СО₂ ). Они относятся к роду Propionibacterium, куда входят молочные, или классические, и кожные бактерии. Такое деление связано с особенностями мест их обитания: первые выделяют из молока и твердых сычужных сыров; вторые представляют собой единственную анаэробную микрофлору здоровой кожи человека и компонент ассоциантов рубца жвачных. Еще в 1975 г. французский ученый Б. Хальперн показал стимулирующее действие этой микрофлоры на иммунную систему и ингибирование роста опухолей у людей. Впоследствии данные выводы были подтверждены работами ряда других ученых.

Прим.: Одной из известных работ, посвященных пропионовокислым бактериям, является монография профессора МГУ, Л.И. Воробьевой. Рекомендована для микробиологов, биохимиков, биотехнологов.

В монографии обобщены результаты многолетних исследований автора, а также данные литературы об уникальной форме жизни пропионовокислых бактерий. Автор рассказывает о сложности научных поисков, оригинальных подходах в изучении пропионовокислых бактерий, о большом вкладе в эту область микробиологии отечественных исследователей, открывших удивительные факты" имеющие общебиологическое значение. Представлены данные об ультраструктурной организации пропионовокислых бактерий, их биохимии, физиологии, экологии, новые данные о генетике этих бактерий, имеющие важное значение для понимания эволюции мира живых существ. Воробьева Л.И. Пропионовокислые бактерии. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 288 с.

Природа наградила ПКБ большими синтетическими способностями, определяющими лабильность их обмена и приспособляемость к различным условиям. Они растут в среде, содержащей только глюкозу, минеральные соли и два- три витамина, способны к фиксации молекулярного азота и переключению с анаэробного на аэробный тип жизни, причем такому переходу способствует синтезируемый клетками витамин В₁₂. При его отсутствии (например, при культивировании в отсутствие солей кобальта - компонента витамина) бактерии переходят с анаэробного на аэробный способ существования.

ПКБ получают энергию в результате пропионово-кислого брожения, происходящего также в клетках млекопитающих. Но здесь реакции циклического процесса противоположно направлены по отношению к реакции у бактерий, и как следствие, приводят к деградации ряда аминокислот, жирных кислот, тимина.

До 1954 г. ПКБ культивировали только в анаэробных (бескислородных) условиях, и наши предположения о возможности их выращивания на воздухе при активном доступе кислорода вызывали тогда скептическое отношение у многих микробиологов. Однако позднее удалось показать: пропионовые бактерии содержат короткую дыхательную цепь и способны к осуществлению окислительного фосфорилирования, при котором переносчиками электронов служат цитохромы^*. Но если у высших организмов при дыхании акцептором электронов служит молекулярный кислород, то пропионовые бактерии, кроме него, в качестве акцепторов электронов используют также нитраты и фумараты (при участии цитохрома b в качестве переносчика); при этом дыхание у них анаэробное, встречающееся только у бактерий.

РАДИ ВИТАМИНА В₁₂

Важная особенность данных бактерий - это сверхсинтез витамина В₁₂. Он содержится в клетках их природных штаммов в количествах, в сотни раз превышающих необходимое для осуществления пропионово-кислого брожения как такового. В промышленном масштабе это органическое вещество получают микробиологическим синтезом, где главную роль играют пропионово-кислые бактерии.

В 1970-х годах перед нашими учеными была поставлена задача увеличить продуктивность продуцента витамина для снижения себестоимости его производства. Однако рутинный метод отбора и проверка активных штаммов могли растянуть этот поиск на очень длительный период, если бы в течение одного года мы не сумели разработать принципиально новый экспресс-метод. Суть его состояла в том, что суспензию клеток после обработки мутагеном и суспензию необработанных клеток (т.е. контрольных) рассеивали на плотную среду с радиоактивным кобальтом (Кобальт-60, ⁶⁰Со). Через 10 дней культивирования в анаэробных условиях определяли массу не менее 100 выросших колоний (взвешивая на стерильных подложках) и уровень их радиоактивности (сцинтилляционным счетчиком гамма- излучений).

Предложенный нами способ отбора микроорганизмов, образующих кобальтоорганические соединения, позволил с высокой точностью проверять не менее 400-500 колоний в день. Их селекцию проводили путем ступенчатого отбора мутаций. Полученный нами штамм, в 10 раз превышавший исходный по продуктивности В₁₂ был передан на Московский химико-фармацевтический завод им. Л.Я. Карпова.

См.: микробиологический синтез В12

КОРМОВОЙ ПРЕПАРАТ "ПРОПИОВИТ"

В ходе дальнейших наших исследований выяснилось: добавка витамина В₁₂ в растительные корма для сельскохозяйственных животных и птиц повышает их питательность и усвоение, что способствует значительному увеличению продуктивности. К тому же пропионовые бактерии снижают избыточную кислотность силосов, а образующиеся при брожении пропионовая и уксусная кислоты хорошо утилизируются животными. При этом бактерии в больших количествах вырабатывают витамины В₂ и В₁₂ (в растениях В₁₂ отсутствует). Использование пропионовых бактерий в качестве закваски при силосовании позволяет получить высококачественный "диетический" корм для скота.

Полезные свойства ПКБ и полное отсутствие у них токсичности позволило нам рекомендовать данные микроорганизмы в качестве лечебно-профилактических ветеринарных средств. На основе клеток Propionibacterium acnes ВКПМ-1967, выделенных из рубца коровы, был изготовлен препарат "Пропиовит". Он обеспечивает животных витамином В₁₂, компенсирует недостаток витаминов В₁, В₂, В₃, В₆, повышает привесы, сопротивляемость болезням, что в 2 раза сокращает их гибель. Как показала практика, в результате может быть получена прибыль в 19 руб. на 1 руб. затрат.

См.: Способ получения бактериального препарата "Пропиовит"

НОВЫЙ РЕЦЕПТ ПРИВЫЧНОГО СЫРА

Сыроделие - наиболее древняя биотехнология, использующая активность пропионовых бактерий. Первые исследования в этом направлении были связаны с изучением их роли для его созревания, так как для приготовления сыра нужны молоко, поваренная соль, сычужный фермент - реннин (выделяют из желудка молодых телят) и бактериальная закваска. Варьируя данные компоненты и режим приготовления, можно получать сотни сортов сыра.

Решающую роль в определении качества сыров играет состав последнего компонента - ПКБ. Их вносят в закваску вместе с молочными бактериями (физиологически они совместимы), участвующими в подкислении молока и способствующими выпадению в осадок казеина. Первоначально процесс связан с превращением сахара (лактозы) в молочную кислоту, которую пропионовые бактерии сбраживают; при этом образуются пропионовая и уксусная кислоты и СО₂, обеспечивающие специфический острый вкус.

Пропионовые бактерии осуществляют также распад белка с образованием аминокислот и выделяют летучие вещества - ацетоин, диацетил, диметилсульфид, ацетальдегид, обусловливающие аромат лучших сортов сыра. Такова традиционная технология.

Значительным усовершенствованием сыроварения стало создание в нашей лаборатории совместно с микробиологами Института маслодельной и сыродельной промышленности в Барнауле многоштаммовой сухой закваски пропионовых бактерий, превосходящей монокультуру по газо- и кислотообразованию. Сухие культуры вносили в молоко без предварительного перевода их в активное состояние. Такая закваска по сравнению с применявшейся ранее более удобна при транспортировке; вырос и экономический эффект. Сегодня лучшие сорта сыра в России производят именно с помощью многоштаммовой закваски пропионовых бактерий.

См.: Микробиология сыра

ЯИЧНЫЙ ПОРОШОК ХРАНИТСЯ ДОЛЬШЕ

Сухой яичный порошок за рубежом получают, обрабатывая его высокоочищенными ферментными препаратами - глюкозооксидазой и каталазой - для удаления из конечного продукта углеводов, так как они снижают его влагостойкость при хранении; при этом изменяются цвет и органолептические свойства. Мы предложили иной способ - бактериологический, т.е. с использованием пропионовых бактерий. Развиваясь в течение 24 ч в жидком белке, они извлекают из него углеводы. Одновременно там накапливается пропионовая кислота (консервант), витамины группы В, свободные аминокислоты, происходит расщепление жиров яйца, которые способствуют порче сухого порошка при длительном хранении. Было также установлено: после ферментации белка нашим методом число посторонних бактерий в продукте снижается более чем в 2 раза; улучшаются физико-химические свойства яйца - увеличивается стойкость пены и ее объем. К примеру, кексы, выпеченные после предварительной ферментации в белке ПКБ, приобретают приятную белизну, аромат, хорошую структуру и высокую пористость.

 ХЛЕБОПЕЧЕНИЕ

На III Международном симпозиуме "Propionibacteria" мы представили материалы, демонстрирующие пользу включения пропионовых бактерий в закваски для выпечки пшеничного хлеба. Если в ее состав, помимо дрожжей и молочнокислых бактерий, внести пропионовые, то выпеченный хлеб более защищен от так называемой картофельной болезни, которую вызывают некоторые бациллы. Кроме того, изменяются реологические свойства теста (вязкость, пластичность, упругость), поры равномерно распределяются по всему объему. Благодаря протеолитической активности ПКБ хлебобулочные изделия обогащаются аминокислотами, витамином В₁₂, а выделяемые микроорганизмами летучие соединения придают им приятный аромат и вкус. Сегодня предложенную технологию новых пшеничных заквасок широко применяют в хлебопекарнях России и других стран СНГ.

См.: Пробиотические закваски в хлебопечении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение хочется отметить: исследования ПКБ приносят все новые сюрпризы. Например, на кафедре микробиологии МГУ им. М.В. Ломоносова впервые обнаружили, что пропионовые бактерии в больших количествах образуют ферменты, обезвреживающие активные формы кислорода (супероксидный радикал О ^-₂, гидроксильные радикалы ОН ^-, ОН^*), перекись водорода, а также производят другие вещества, способные предотвращать губительное влияние на организм человека химических мутагенов, ультрафиолетовых лучей и радиации.

До последнего времени главным источником антимутагенов - агентов, снижающих уровень индуцированных и спонтанных мутаций, служили растения, некоторые морские животные и соединения, полученные химическим путем. Оказалось, клетки многих изученных нами бактерий и внеклеточные соединения белковой природы, выделяемые ПКБ в среду, более чем на 85-90% снижают вредное воздействие веществ, вызывающих точковые (внутригенные) мутации, которые могут приводить к образованию поврежденных белков, либо к полному отсутствию их синтеза.

Словом, обнаружение антимутагенных свойств пропионовых бактерий открывает новые области их применения как профилактических средств, которые могут быть использованы в пищевых продуктах для людей и в кормах для животных.

См.: Антиоксидантные ферменты; Антимутагенные свойства

По теме пропионовокислых бактерий см. также:

• Propionibacterium spp. - источник важных для промышленности метаболитов
• История изучения пропионовокислых бактерий - страница
• Пропионовокислые бактерии как пробиотики
• Свойства и биотехнологический потенциал пропионовокислых бактерий- страница
• Предпосылки для испытаний штамма Propionibacterium freudenreichii  - Рыжкова Е.П. (формат PDF)
  
• Пропионовокислые бактерии (Монография) - Воробьева Л.И. (формат PDF)
  
• Биотехнология заквасок пропионовокислых бактерий (Монография) - Хамагаева И.С. (формат PDF)

Более подробную информацию об уникальных пробиотических свойствах и биотехнологическом потенциале пропионовокислых бактерий см. в разделе "СТАТЬИ".

Будьте здоровы!