ДЕЙСТВИЕ НЕЙРОМЕДИАТОРНЫХ АМИНОВ НА РОСТ И ДЫХАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Г.О. Кагарлицкий, Т.А.
Кировская, А.В. Олескин, сектор биосоциальных проблем, кафедра
физиологии микроорганизмов, Биологический факультет МГУ
Серотонин, норадреналин,
адреналин, дофамин и другие биогенные амины, играющие роль важных
нейромедиаторов и гормонов (или гистогормонов) у животных и человека, широко
распространены в живой природе. Так, они обнаружены у растений [1]. Особый
интерес представляет роль аминных нейромедиаторов у микроорганиизмов. В
литературе представлены данные по стимуляции добавленным серотонином роста
культур дрожжей Candida
guillermondii
и бактерий Enterococcus faecalis
[2], норадреналином - культур патогенных штаммов Escherichia coli и ряда других энтеробактерий [3]. В недавней работе
показана стимуляция роста бактерии Aeromonas hydrophila дофамином,
норадреналином и в меньшей мере
серотонином [4]. Методом высокоэффек-тивной жидкостной
хроматографии мы ранее детектировали
серотонин в биомассе бактерий Bacillus
subtilis
и Staphylococcus
aureus,
норадреналин у B. subtilis, B. cereus, Proteus vulgaris и Serratia marcescens, дрож-жей, грибка Penicillum chrysogenum, дофамин
- у большинства тестированных прокариот [5]. Добавленный серотонин ускорял в
нашей работе рост Escherichia col, пурпурной
бактерии Rhodospirillum
rubrum [6].
Серотонин ускорял также агрегацию клеток E. coli и
миксобактерий [6].
В
настоящей работе изложены данные о действии дофамина, норадреналина и
серотонина на рост и дыхание у E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Культуры E. coli
К-12 и S. cerevisiae (дар проф.
Е.П. Феофиловой) выращивали при 30оС на среде LB и среде Сабуро, соответственно. Рост культур
оценивали нефеломет-рически (l = 540
нм). Дофамин соляно-кислый, серотонин солянокислый и норадреналин битартрат
(Sigma, CША) добавляли в виде свежепри-го-товленных водных растворов в момент
инокуляции. Стати-стическую обработку результатов проводили на базе метода
медианы и критерия Менн-Уитнея [7].
Нейромедиатор
и нейрогормон гипоталамуса катехоламин дофамин стимулировал рост E.coli
(рис.1, кружки) и S. cerevisiae (рис. 2,
кружки), причем максимальный эффект у E. coli соответствовал по медиане 50%-ной
стимуляции и достигался при концентрации 1 мкМ. У дрожжей мы наблюдали 30%-ную стимуляцию роста (медиана) при
существенно более высокой концентрации дофамина - 100 мкМ. Данные соответствуют
3-часовым куль-турам E. coli и
1,5-часовым - S. cerevisiae, т.е.
середине экспоненциальной фазы их роста; стимуляцию роста наблюдали и при сравнении оптической плотности культур в
начале их экспоненциальной фазы
роста (данные не представлены). При росте культур в течение 6 (фаза замедления
роста) и, тем более, 24 ч (прекращение роста и автолиз) рост-стимулирующий рост
дофамина значительно ослабевал. Таким
образом, в целом речь идет об ускорении
роста как бактериальной, так и
дрожжевой культуры посредством добавленного дофамина.
 |  |
| Рис. 1. Влияние дофамина (кружки), серотонина (квадраты), норадреналина (треугольники) на накопление биомассы E. coli (2-3 ч культивации). | Рис. 2. Влияние дофамина (кружки), серотонина (квадраты), норадреналина (треугольники) на накопление биомассы S. cerеvisiae (1,5 ч культивации) |
Другой
испытанный нами катехоламин, норадреналин, как известно,
отличается от дофамина лишь дополнительной гидроксильной группировкой в боковой
цепи. Однако норадреналин, по контрасту с дофамином, в сравнительно слабой
степени (на 25%) и в сравнительно высоких концентрациях (100 мкМ) увеличивал
биомассу 3-часовой культуры E. coli (рис. 1,
треугольники). Различие в ростовых эффектах близких по химической структуре
соединений является доводом в пользу специфического характера более существенного рост-ускоряющего эффекта,
вызываемого дофамином. В повестке дня дальнейших исследований нашей лаборатории
проверка гипотезы о наличии специфических рецепторов к дофамину, которая может
проводиться с использованием агонистов известных из литературы дофаминовых
рецепторов (D-типов) у
животных и человека [8]. Эволюционные потомки грамотрицательных бактерий
(представленных в наших опытах E. coli) -
митохондрии, имеют рецепторы для нейромедиаторов на своих мембранах. Примером
могут служить рецепторы NMDA для
связывания глутамата и g-аминомасляной
кислоты на митохондриальных мембранах нейронов.
Необходимо
отметить, что наши данные о неэффективности норадреналина в качестве
рост-ускоряющего агента у E. coli не соответствуют результатам, полученным в
лаборатории Лайта [3, 9] с патогенными штаммами E. coli. По
данным Лайта и др., число
колониеобразующих единиц у этих штаммов значительно возрастало при добавлении
норадреналина. Норадреналин был не менее эффективен, чем дофамин и в плане
стимуляции формирования колониеобразующих единиц у другого патогена -
энтеробактерии Aeromonas
hydrophila
[4]. Возможное объяснение
несоответствия между нашими результатами и данными литературы было предложено в
цитируемой работе Лайта с сотр. [3]:
норадреналин присутствует в пищеварительном тракте, и его синтез резко
интенсифицируется в ответ на проникновение инфекционного агента, такого как
патогенные штаммы E. coli. Поэтому
стимуляция роста E. coli
норадреналином интерпретируется Лайтом и сотр. [3] как свидетельство
эволюционной адаптации, позволяющей патогенным штаммам этой бактерии
использовать ради ускорения собственного развития продукт защитной реакции
макроорганизма. Низкая эффективность норадреналина как ростускоряющего агента в
наших экспериментах может быть объяснена тем, что мы работали с непатогенным,
не адаптированным к факторам иммунной защиты хозяина, штаммом E. coli.
Что
касается культуры S. cerevisiae, то то у
ней оба испытанных катехоламина действовали лишь в субмиллимолярных
концентрациях (см. рис. 2, кружки и треугольники) и были эффективны примерно в
одинаковой степени, хотя дофамин достигал маскимального эффекта и в этой
системе при несколько более низкой концентрации, чем норадреналин.
Важный
нейромедиатор и гистогормон (фактор воспаления) серотонин был испытан
нами в системе E. coli ранее;
данные были опубликованы [5] и воспроизведены здесь в целях сопоставления (рис.
1, квадраты). Серотонин стимулирует накопление биомассы растущей культурой E. coli
в более высоких концентрациях, чем дофамин, но максимальная стимуляция
достигается при примерно тех же концентрациях (порядка 1 мкМ), что и в случае
дофамина. Максимальный стимулирующий эффект серотонина в случае 2-часовой
культуры E. coli составлял
~25%, т.е. был выражен слабее, чем эффект дофамина (примерно в той же степени,
что и эффект норадреналина). Отметим, что по результатам, полученным методом
посчета колониеобразующих единиц в системе энтеробактерии A. hydrophila [4], серотонин стимулирует рост культуры в более
слабой степени, чем катехоламины. Однако, по контрасту с нашими данными,
серотонин действует на культуру A. hydrophila не в
микро-, а лишь в миллимолярных концентрациях.
Серотонин,
подобно катехоламинам, стимулировал рост культуры дрожжей лишь в субмиллимолярных
концентрациях (рис. 2, квадраты), однако уровень этой стимуляции был слабым по
сравнению с эффектами испытанных катехоламинов. Эти данные качественно
отличаются от результатов опытов Страховской и др. [2] с представителем другой
таксономической группы дрожжей - Candida
guillermondii, у которых серотонин существенно стимулировал рост
(также оцененный нефелометрически) уже при концентрациях менее 1 мкМ.
Сопоставляя данные в системах S. cerevisiae и C. guillermondii, можно говорить о видоспецифическом
характере эффектов биогенных аминов, что может быть связано с наличем или
отсутствием соответствующих мембранных рецепторов.
В свете высказанного предположения о
мембранных рецепторах у микроорганизмов представляло интерес изучить влияние
дофамина, серотонина и норадреналина на сукцинатизависимое дыхание клеток E. coli и S. cerevisiae - процесс,
зависимый от мембранной ЭТЦ. Дыхательную активность клеток E. coli и S. cerevisiae оценивали
по поглощению О2 на
полярографе с закрытым электродом Кларка при напряжении V = 0,65 В в 50 мМ Трис-HCl-буфере (рН 7.05), содержащем 5 мМ Трис-сукцинат.
Дофамин, нораденалин или серотонин в полярографических опы-тах добавляли
непосредственно в ячейку; эффект нейромедиаторов на ско-рость
сукцинат-зависимого дыхания E. coli оценивали
через 5 мин. после их добавления.
 |  |
| Рис. 3. Влияние дофамина (кружки), серотонина (квадраты), норадреналина (треугольники) на поглощение О2 E. coli
(7 ч культивации). | Рис. 4. Влияние дофамина (кружки), серотонина (квадраты), норадреналина (треугольники) на поглощение О2 S. cerеvisiae (7 ч культивации) |
Дофамин и серотонин, но не
норадреналин вызывали стимуляцию
поглощения О2 E. coli (рис.
3). Максимальная (~80%-ная)
стимуляция дыхания наступала при добавлении 2 мкМ дофамина и 10 мкМ серотонина;
эффект ослаблялся при более высоких концентрациях этих соединений. Полярографические данные могут быть объ-яс-нены
влиянием дофамина и серотонина на внешнюю мембрану E. coli и/или ее мемб-ранную дыхательную цепь, что может быть
обусловлено модификацией специфических рецепторов, которые не реагируют на
химически сходный с дофамином норадреналин (ср. обсуждение выше ростовых
эффектов биогенных аминов).
Все три испытанных амина
стимулировали сукцинатзависимое дыхание дрожжей (рис. 4), причем, по контрасту
с E. coli, норадреналин был столь же
эффективен, что и дофамин (максимальная стимуляцию наблюдали при добавлении 3
мкМ норадреналина и 5 мкМ дофамина; она составляла около 50% контроля). Эффект
серотонина был значительно слабее (примерно 25%) Полученные в случае S. cerevisiae результаты представляют особый интерес в том
плане, что дыхание дрожжей, как эукариот, зависит от митохондрий.
Соответственно, представляется целесообразным
исследовать эффекты всех испытанных соединений также на митохондриях
высших животных и человека, в частности, на митохондриях нейронов, что помогло
бы выяснить многие аспекты их функционирования в норме и патологии.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Рощина
В. В. Биомедиаторы в растениях.
Ацетилхолин и биогенные амины. Пущино. 1991.
2.
Страховская
М.Г., Иванова Е.В., Фрайкин Г.Я. Стимулирующее влияние серотонина на рост
дрожжей Candida guillermondii и бактерий Streptococcus faecalis // Микробиология. 1993. Т.62. С.46-49.
3.
Lyte M., Auralananden B., Nguyen K., Frank C.,
Erikson A., Francis D. Norepinephrine-induced growth and expression of
virulence-associated factors in enterotoxigenic and enterohemorhagic strains of
Escherichia coli // Mechanisms in the
Pathogenesis of Enteric Diseases (P.S. Paul et al., eds.). N.Y. L. 1996.
P.16-44.
4.
Kinney K.S., Austin C.E., Morton D.S.,
Sonnenfeld G. Catecholamine enhancement of Aeromonas
hydrophila growth // Microbial Pathogenesis. 1999. V.25. P.85-91.
5.
Цавкелова Е.А., Ботвинко И.В., Кудрин В.С., Олескин А.В. Детекция
нейромедиаторных аминов у микроорганизмов методом высокоэффективной жидкостной
хроматографии // Докл. Росс. Акад. Наук. 2000. Т.372. С.840-842.
6.
Олескин А.В., Кировская Т.А., Ботвинко И.В., Лысак Л.В. Действие
серотонина (5-окситриптамина) на рост и дифференциацию микроорганизмов //
Микробиология. 1998. Т.67. ?3. С.306-311
7.
Ашмарин
И.П., Воробьев А.А. Статистические методы в микробиологических исследованиях.
Л. Гос. изд-во медицинской литературы. 1962.
8.
Дубынин
В.А., Каменский А.А., Сапин М.Р., Сивоглазов В.Н. Регуляторные системы
организма человека. М.: Дрофа. 2003.
9.
Lyte M. The role of microbial endocrinology in
infectious disease//J. Endocrinol. 1993. V.137. P.343-345.
