Бактерии Bacillus subtilis

Bacillus subtilis (сенная палочка) — это грамположительная, спорообразующая, аэробная палочковидная бактерия рода Bacillus. Является одним из наиболее изученных представителей прокариот, широко распространённым в природе (почва, вода, пыль, растительные остатки). Отличается высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям благодаря способности образовывать эндоспоры, а также синтезировать широкий спектр ферментов и антибиотических веществ. Используется в биотехнологии, сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности.

История открытия и изучения

Впервые Bacillus subtilis была описана в 1835 году немецким ботаником и микробиологом Христианом Готфридом Эренбергом. Он выделил бактерию из сенного настоя (отсюда русское название «сенная палочка») и первоначально назвал её Vibrio subtilis. В 1872 году немецкий микробиолог Фердинанд Кон переименовал её в Bacillus subtilis, закрепив за ней место в систематике.

В 1920-х годах американский микробиолог Р. Дж. Дюбо начал систематическое изучение метаболизма и генетики сенной палочки. В 1940-х годах было обнаружено, что B. subtilis способна синтезировать антибиотики (например, бацитрацин, субтилин). В 1960-х годах бактерия стала модельным организмом для изучения спорообразования, а в 1997 году её геном был полностью секвентирован (первый полностью секвентированный геном грамположительной бактерии).

Морфология и физиология

Клеточное строение

Bacillus subtilis представляет собой прямые палочки размером 0,6–1,0 × 2,0–4,0 мкм. Клетки располагаются одиночно, парами или в коротких цепочках. Грамположительная окраска обусловлена толстым слоем пептидогликана в клеточной стенке. Бактерия подвижна благодаря перитрихиально расположенным жгутикам.

Спорообразование

При наступлении неблагоприятных условий (истощение питательной среды, высыхание, повышение температуры) B. subtilis образует эндоспоры — покоящиеся формы, устойчивые к нагреванию, радиации, химическим веществам и высушиванию. Споры овальные, располагаются центрально или субтерминально, не деформируют клетку. Процесс спорообразования (споруляция) занимает около 8–10 часов и включает стадии от формирования септы до созревания споры. Споры могут сохранять жизнеспособность десятилетиями.

Метаболизм

B. subtilis является хемоорганотрофом, использующим органические вещества как источник углерода и энергии. Аэроб, но способен к анаэробному дыханию с использованием нитратов в качестве конечного акцептора электронов. Оптимальная температура роста — 28–37 °C, pH — 6,0–8,0. На плотных средах образует колонии неправильной формы, шероховатые, с неровными краями, часто с характерным «сморщенным» видом.

Генетика

Геном Bacillus subtilis (штамм 168) представляет собой кольцевую хромосому длиной около 4,2 млн пар оснований, содержащую примерно 4100 генов. Характерной особенностью является высокий процент GC-пар (около 43,5 %). Бактерия обладает развитой системой рекомбинации и способностью к естественной трансформации — поглощению экзогенной ДНК из окружающей среды. Это делает её удобным объектом для генетических манипуляций.

У B. subtilis обнаружено несколько плазмид (например, pBS72), а также множество мобильных генетических элементов (транспозонов, профагов). Генетический аппарат регулирует сложные процессы, такие как спорообразование, биоплёнкообразование и синтез антибиотиков.

Применение

Биотехнология

Bacillus subtilis является одним из основных промышленных продуцентов ферментов. Она синтезирует и секретирует во внешнюю среду:

• Протеазы (субтилизин) — используются в моющих средствах, кожевенной и пищевой промышленности.
• Амилазы — для гидролиза крахмала в производстве глюкозы, пива, хлеба.
• Целлюлазы — для переработки целлюлозосодержащих отходов.
• Липазы — в производстве моющих средств и биодизеля.

Благодаря способности секретировать белки непосредственно в среду, B. subtilis используется для получения рекомбинантных белков (например, интерферонов, вакцин).

Сельское хозяйство

Штаммы B. subtilis применяются в качестве биопестицидов и биоудобрений. Они подавляют рост фитопатогенных грибов (например, Fusarium, Rhizoctonia) за счёт синтеза антибиотиков (итурины, сурфактины) и конкуренции за питательные вещества. Кроме того, бактерия стимулирует рост растений за счёт продукции фитогормонов (ауксинов) и повышения доступности фосфора. В России зарегистрированы препараты на основе B. subtilis (например, «Алирин-Б», «Гамаир», «Фитоспорин-М»).

Медицина и ветеринария

Bacillus subtilis используется в составе пробиотиков для человека и животных. Споры бактерии, попадая в кишечник, прорастают и нормализуют микрофлору, подавляя патогенные микроорганизмы (например, Salmonella, Staphylococcus). Препараты на основе B. subtilis (например, «Споробактерин», «Бактисубтил») применяются при дисбактериозах, кишечных инфекциях, для профилактики после антибиотикотерапии.

В ветеринарии B. subtilis используется для лечения и профилактики желудочно-кишечных заболеваний у сельскохозяйственных животных и птицы.

Пищевая промышленность

Bacillus subtilis участвует в производстве традиционных ферментированных продуктов, таких как японское блюдо натто (ферментированные соевые бобы). В процессе ферментации бактерия синтезирует ферменты, расщепляющие белки и углеводы, а также витамин K2 (менахинон). В некоторых странах B. subtilis используется как закваска для производства хлеба и сыров.

Роль в природе

В естественной среде обитания (почва, компост, растительные остатки) Bacillus subtilis играет важную роль в разложении органических веществ. Она участвует в круговороте углерода и азота, минерализуя сложные полимеры (целлюлозу, лигнин, белки). Бактерия также способна образовывать биоплёнки на поверхности корней растений, обеспечивая защиту от патогенов и улучшая усвоение питательных веществ.

Безопасность

Bacillus subtilis относится к группе риска 1 (непатогенна для человека) по классификации Всемирной организации здравоохранения. Большинство штаммов безопасны и используются в пищевой промышленности и медицине. Однако некоторые штаммы могут вызывать оппортунистические инфекции у людей с ослабленным иммунитетом (например, при катетеризации). В целом, B. subtilis считается безопасным продуцентом для биотехнологических процессов.

Интересные факты

• Bacillus subtilis способна выживать в условиях космоса: споры бактерии находили на внешней поверхности Международной космической станции после длительного пребывания в вакууме и под воздействием ультрафиолета.
• Сенная палочка является одним из немногих прокариот, способных к активному движению за счёт жгутиков, причём скорость движения может достигать 50 мкм/с.
• В 2018 году учёные создали «живой компьютер» на основе B. subtilis, способный выполнять логические операции (AND, OR, NOT) за счёт генетических переключателей.
• Bacillus subtilis используется в производстве фермента наттокиназы, который, по некоторым данным, обладает тромболитической активностью (способностью растворять тромбы).

Источники

• Книга: «Медицинская микробиология, вирусология и иммунология» под редакцией В. В. Зверева, 2021.
• Книга: «Биотехнология: учебное пособие» под редакцией И. В. Тихонова, 2019.
• Статья: «Bacillus subtilis: a universal cell factory for industry, agriculture, biomaterials and medicine» — Microbial Cell Factories, 2020.
• Статья: «Genome sequence of Bacillus subtilis 168» — Nature, 1997.
• Официальный сайт Роспотребнадзора: перечень зарегистрированных пробиотиков и биопестицидов.
• Учебник: «Общая микробиология» — А. Н. Нетрусов, 2012.