Микробная эндокринология и биополитика

Статья о роли нового биологического направления — микробной эндокринологии, посвященной исследованию эволюционно-консервативных химических факторов, выступающих как гормоны и/или медиаторы у высших животных и человека и в то же время как сигнальные молекулы — агенты межклеточной коммуникации в микробном и, в частности, в прокариотическом мире. Показано, что микробная эндокринология имеет существенное биомедицинское и биополитическое значение и в то же время способствует смене доминирующих биологических парадигм в следующих отношениях:1)все большее значение в эволюции жизни и ее происхождении отводится не биополимерам, а малым молекулам;2)преодолеваются дисциплинарные барьеры между биологией и социальными науками на основе изучения биосоциальных форм и факторов поведения (биосоциология, биополитика, социобиология и др.); 3)микробные объекты все чаще рассматриваются не как одноклеточные существа, а как компоненты колоний, представляющих аналоги многоклеточных организмов.

This paper concentrates on the implications of a novel subfield of biology, microbial endocrinology, which deals with conservative chemical factors functioning as hormones and/or neuromediators in higher animals and humans as well as intercellular communication agents in microorganisms. Microbial endocrinology has a considerable biomedical and biopolitical potential, and it has recently contributed to the following innovations in the biological paradigms: (1) modern biology attaches special attention to the evolutionary role of small molecules, such as inorganic compounds (CO, NO), anions (S2- , Sn2-, OH -, PO43-, etc.), and cations (Al3+, Mg2+, Mn2+, etc.), as well as simple organic substances including carbohydrogens, amines, and amino acids. Presumably, the emergence of life on Earth and the earliest stages of its evolution depended on the dynamic interplay of small-size molecules. Biopolymers became secondarily involved in the fine-grained regulation of life-sustaining and reproductive activities (which had originally depended on small molecules); (2) a large number of human human and non-human behaviors have turned out to depend, in part, on similar or even identical information-carrying substances (involved in the operation of the nervous, paracrine, and endocrine system). These facts have significantly contributed to the development of the conceptual basis of modern biopolitics, a subfield of life sciences dealing with the biological roots of social and political activities of Homo sapiens; (3) the life of unicellular creatures is considered from a biosocial perspective. For example, a microbial colony is envisaged as similar to a coherent multicellular organism or a "superorganism"

Тема настоящей работы — философско-методологическое значение современного биологического направления (имеющего биотехнологическое и биомедицинское значение) — микробной эндокринологии (Lyte, 1993). Это направление исследует роль внутриорганизменных сигнальных агентов (гормоны, медиаторы) высших животных и человека в клеточной дифференцировке, социальном поведении и коммуникации одноклеточных существ.

Микробная эндокринология служит логическим продолжением широкого фронта исследований на протяжении многих десятилетий, направленных на расширение круга биологических объектов, "охваченных" эндокринологическим подходом. Первоначально отнесенное к высшим животным и человеку, центральное понятие эндокринологии — гормон — оказалось, как известно, применимым к насекомым и другим беспозвоночным животным, а также к высшим растениям и водорослям.

Начало микробной эндокринологии было положено обнаружением у микроорганизмов соединений, идентичных или аналогичных гормонам животных. Например, инсулин был обнаружен во многих исследованных микроорганизмах. У Neurospora crassa инсулин принимает участие в регуляции метаболизма углеводов. Этот грибок содержит ген, гомологичный инсулиновому гену млекопитающих (Lenard, 1992). Другие гормоны, идентифицированные у микроорганизмов, включают кортикотропин (Tetrahymena pyriformis), соматостатин (Bacillus subtilis, простейшее Plasmodium falciparum), прогестерон (грибок Trychophyton mentagrophytes), а также a-фактор (дрожжи Saccharomyces cerevisiae), гомолог гонадотропин-высвобождающего гормона высших животных (Lenard,1992). Дальнейшие примеры приведены в таблице, суммирующей данные литературы.

Существенное значение, помимо данных об обнаружении тех или иных "животных" сигнальных агентов у про- или эукариотической микрофлоры, имеют также следующие факты: 1) обнаружение у микроорганизмов специфических рецепторов, с высоким сродством связывающих сигнальные вещества животных/человека (например, кортикостероид-связывающего белка у дрожжей Candida albicans, Lenard, 1992); 2) данные об эффектах в микробных системах гормонов и других внутриорганизменных сигнальных молекул. Так, прогестерон подавляет, а инсулин стимулирует рост штаммов микроскопического грибка Blakeslea trispora (Феофилова и др., 1997). Дополнительные примеры приведены ниже.

Особый интерес представляет микробиологическая роль нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров) — передатчиков нервного импульса от клетки к клетке в нервной системе (серотонин, норадреналин, дофамин, окись азота, аспарагиновая и γ-аминомасляная кислоты и др.). Подобные агенты, как представляется вероятным в свете современных данных, опосредуют взаимодействие макро- и микроорганизма в ходе инфекционного процесса (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996); потенциальный интерес представляет их использование в качестве ростстимулирующих агентов в биотехнологической индустрии (например, серотонин ускоряет накопление дрожжевой биомассы, Страховская и др., 1991, 1993).

Отметим в порядке сопоставления, что серотонин, катехоламины, и ряд других нейротрансмиттеров синтезируются также многими растениями (Рощина, 1991); наряду с этим серотонин представляет близкий химический аналог ауксинов, одной из основных групп растительных ростовых гормонов.

Таблица 1. Синтез сигнальных веществ высших животных (гормоны, нейротрансмиттеры и др.) микроорганизмами (по данным работ: Мак-Мюррей, 1980; Hsu et al., 1986; Страховская и др., 1993; Lenard, 1993; Lyte, 1993; Zumft, 1993; Бабин и др., 1994; Budrene, Berg, 1995; Lyte et al., 1996; Олескин и др., 1998)

Сигнальные вещества	Микроорганизмы
1. Амины
Серотонин	E. coli, Rhodospirillum rubrum, Streptococcus faecalis, Candida guillermondii, по-видимому, многие другие про- и эукариотические микроорганизмы
Норадреналин (норэпинефрин)	Патогенные штаммы (ЕНЕС 0157:Н7 и др.) E. coli. Примечание: эндогенный синтез не установлен. Есть данные (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996) о специфической стимуляции роста и токсинообразования добавленным норадреналином
Гистамин	Симбиотическая микрофлора кишечника человека
Тирамин	То же
2. Аминокислоты
Аспарагиновая кислота	E. coli и др. компоненты симбиотической микрофлоры кишечника человека
Глутаминовая кислота	Симбиотическая микрофлора кишечника человека
γ-Аминомасляная кислота	То же
Сигнальные вещества	Микроорганизмы
β-Аланин	То же
3. Пептиды
Инсулин	E. coli, грибок Neurospora crassa, другие про- и эукариотические микроорганизмы
Кальцитонин	Инфузория Tetrahymena pyriformis
β-Эндорфин	T. pyriformis, Amoeba proteus
Глюкагон	Neurospora crassa
Гонадотропин	Pseudomonas maltophila
Гонадотропин-высвобождающий гормон (α-фактор)	Дрожи Saccharomyces cerevisiae
Релаксин	Инфузория T. pyriformis
Соматостатин	T. pyriformis, Plasmodium falciparum, E. coli, Bacillus subtilis
Тимозин α1	T. pyriformis, Mycobacterium sp.
Тиротропин	Clostridium perfringens, Yersinia autolytica
4. Стероиды
Эстрадиол	Saccharomyces cerevisiae
Прогестерон	Дрожжи Candida albicans, Coccidioides immitis, грибок Trychophyton sp.
Метаболизированные производные желчных кислот	Симбиотическая кишечная микрофлора человека
5. Неорганические соединения
Окись азота	Pseudomonas stutzeri, Thiobacillus denitrificans, грибки Fusarium oxysporum, Dictyostellium discoideum и многие другие микроорганизмы

Эволюционно-консервативный характер сигнальных молекул обусловливает все больший интерес к поиску универсальной для всего живого химической "грамматики" межклеточных взаимодействий различных типов — конкуренции и кооперации, когезии и взаимной изоляции клеточных клонов и т. д. По известной гипотезе А.М. Уголева (1987), эволюция на клеточном и молекулярном уровнях реализуется на основе многократного использования готовых блоков (в том числе и консервативных химических структур), которые приобретают в ходе эволюции все новые функции, но почти или вовсе не меняются в структурном плане. Отметим, что, например, ретиноевая кислота — важный фактор эмбриогенеза у дрозофилы, цыпленка, мыши и других животных — в то же время весьма сходна по химической структуре с триспоровыми кислотами отвечающими за дифференциацию гиф у микроскопических грибов (cм. Олескин, 1993).

Возникновение микробной эндокринологии (и в частности, исследование нейромедиаторов как факторов микробной коммуникации и дифференцировки) способствует радикальной перестройке парадигм современной биологии в следующих аспектах:

все большее значение в эволюции жизни и ее происхождении отводится не биополимерам, а малым молекулам; преодолеваются дисциплинарные барьеры между биологией и социальными науками на основе изучения биосоциальных форм и факторов поведения (биосоциология, биополитика, социобиология и др.); микробные объекты все чаще рассматриваются не как одноклеточные существа, а как компоненты колоний, представляющих аналоги многоклеточных организмов, а также как составные части единого целостного мира Prokaryota (ср. Гусев, Минеева, 1992).

Подробнее рассмотрим эти аспекты смены биологических парадигм.

1. Жизнь как форма существования малых молекул.

Происходящий в последние годы процесс смены концептуальных парадигм отражает изменение фундаментальных взглядов на живое, его происхождение и эволюцию. Еще совсем недавно молекулярные биологи, опьяненные успехами в изучении нуклеиновых кислот, полагали, что начало жизни на планете Земля совпадает с абиогенным синтезом первой молекулы ДНК (РНК?). Им возражали те, кто по-прежнему воспринимал как аксиому слова Ф. Энгельса о "жизни как способе существования белковых тел" и, соответственно, видел в белке начало всего живого (теория А. Опарина). В последние десятилетия накапливаются данные о том, что не белок и не ДНК/РНК, вероятно, положили начло доклеточным предшественникам современной жизни — гипотетическим пробионтам. Жизнь, что представляется все более правдоподобным в свете современных данных (ср. Mader, 1985; Harold, 1986), эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических). Это были ионы металлов (Fe2+, Zn2+, Al3+, Ni+, Cu 2+, Co 2+, Mg2+, Ca2+), соединения серы (дисульфиды, полисульфиды), фосфора (ортофосфат, пирофосфат, полифосфаты), азота (особенно NO и N2O), а также небольшие органические молекулы типа аминов (этаноламин, холин, гистамин и др.), аминокислот (особенно, глицин, глутамат, аспартат), углеводородов (например, этилен). Подобная гипотеза, постулируя вторичное возникновение биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) как более тонких регуляторов "игры" малых молекул, находится в соотвествии с данными об эволюционно консервативной природе биологически активных малых молекул, осуществляющих жизненно важные процессы в ныне существующих организмах в свободном (гормоны, феромоны, аттрактанты, репелленты, факторы внутри- и межклеточной коммуникации и др.) или в связанном состоянии (всевозможные кофакторы, активные группы ферментов и др.).

Имеется предположение, что даже функция наследственной передачи признаков, ныне выполняемая нуклеиновыми кислотами, первоначально зависела от "неорганических генов" — матриц для синтеза молекул (вначале даже небелковой природы), построенных на основе алюмосиликатов глины (Mader, 1985). Первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул: получены сведения об автокаталитическом эффекте пептидной связи, ведущем к спонтанному формированию полипептидов в растворе, содержащем свободные аминокислоты и короткий пептид-затравку (Baksakov, Voeikov, 1996; Voeikov et al., 1996). В современных клетках до сих пор протекают реликтовые процессы: неферментативные взаимодействия малых молекул, а белки-ферменты в некоторых случаях не столько ускоряют, сколько торомозят и регулируют эти процессы (что показано на примере неферментативных реакций хинонов с цитохромами типа с: см. Митрофанов и др., 1991). Имеется общий сценарий "возникновения жизни в облаках", где мельчайшие дождевые капли, озаренные ультрафиолетом первобытного Солнца и поглощающие частицы соединений металлов и неметаллов в ходе пыльных бурь, обеспечивали достаточную суммарную поверхность для фотоиндуцированного гетерогенного катализа и последующего синтеза более сложных органических молекул, поступавших с дождевыми потоками в океан, где жизнь "дозревала" уже в соответствии с Опаринским сценарием "первичного бульона" и "кооцерватных капель" (Harold, 1986; Гусев, Минеева , 1992).

Cреди "колоды карт" эволюционно древних малых молекул, выполняющих роль важных функциональных агентов у разнообразных форм живого, современные биологи уделяют значительное внимание агентам клеточной дифференцировки, гормонам и нейротрансмиттерам, таким как, например 5-окситриптамин (серотонин). Серотонин известен как важный нейромедиатор и гормон у животных, участвующий в восприятии болевых раздражений (и в блокировке болевой чуствительности в экстремальных ситуациях), координации моторной активности, эмоциональном поведении, поддержании ритма сна и бодрствования (наряду с мелатонином, производным серотонина), терморегуляции, а также во многих других процессах. Серотонин регулирует кишечную перистальтику, вызывает сокращение мускулатуры матки, бронхов и других гладкомышечных органов у животных и человека (Громова, 1966; Каменская, 1996).

Серотонин представляет собой эволюционно консервативный агент, представляющий интерес с позиций микробной эндокринологии. Он ускоряет рост микроорганизмов: дрожжей C. guillermondii (Страховская и др., 1993), бактерий Streptococcus faecalis (Страховская и др., 1993), Escherichia coli (Олескин и др., 1998), Rhodospirillum rubrum (Олескин и др., 1998) и Bacillus brevis (А.П. Зарубина, кафедра микробиологии биологического факультета МГУ, неопубликованные данные). Нами показано также, что серотонин вызывает агрегацию клеток E. coli, R. rubrum и миксобактерий (Олескин и др., 1998); у последних он также стимулирует формирование плодовых тел. Многообразны микробиологические функции такого нейротрансмиттера и полифункционального (регуляторного и цитотоксического) агента, как окись азота (Stamler et al., 1992; Zumft, 1993), также играющего важную роль в ходе взаимодействия макро- и микроорганизма, в частности во время инфекционного процесса (James, 1995). Макроструктура колоний E. coli формируется под влиянием образуемого ее клетками градиента атрактанта — аспарагиновой кислоты (Budrene, Berg, 1995), в то же время представляющей собой нейротрансмиттер у млекопитающих.С каждым годом список нейромедиаторов и гормонов, одновременно выступающих в качестве агенты межклеточной коммуникации, все более пополняется — достаточно указать на сведения о выработке микроорганизмами трансмиттеров глутаминовой и γ-аминомасляной кислоты.

Подобные полифункциональные агенты интересны в двух отношениях: 1) они подтверждают точку зрения о том, что многоклеточный организм подобен коллективу одноклеточных существ, и агенты внутриорганизменной регуляции соответствуют сигнальным веществам, отвечающим за коммуникацию между свободноживущими клетками; 2) взаимодействие макро- и микроорганизмов в разных ситуациях (пищеварение, выработка кожных секретов, инфекционный процесс) опосредуется низкомолекулярными агентами. Так, значительный интерес представляет такой нейромедиатор (функционирующий также как гормон надпочечников) как норадреналин. Установлено, что норадреналин стимулирует рост некоторых бактерий семейств Enterobacteriaceae и Pseudomonadaceae. У патогенных штаммов E. coli норадреналин стимулирует синтез адгезина К99 и Шига-подобных токсинов I и II (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996). 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 в литературе (Lyte, 1993) как свидетельство эволюционной адаптации, позволяющей патогенным штаммам этой бактерии использовать ради ускорения собственного развития продукт защитной реакции макроорганизма. На этом примере можно показать, что микробная эндокринология имеет большое значение для медицины.

Что касается серотонина, окиси азота, аспарагиновой, глутаминовой и γ-аминомасляной кислот, то все эти сигнальные агенты вырабатываются, по-видимому, обоими партнерами во взаимодействии макроорганизма и населяющих его микробных биоценозов — микробиоты (в кишечнике, кожных покровах, дыхательных путях, мочеполовой системе и др.). Причем, не только бактерии реагируют на "хозяйские" медиаторы (см. выше о микробных эффектах серотонина и норадреналина), но и макроорганизм-хозяин — на микробные сигнальные агенты.

"Важной иллюстрацией способности микробиоты поставлять хозяину сигнальные молекулы является образование γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) в реакции декарбоксилирования глутамата. ГАМК является одним из основных тормозных нейромедиаторов... Кроме того, бактериальная ГАМК оказывает влияние на моторную деятельность толстой кишки. Снижение ее выработки микробиотой и поступления в нервную ткань толстой кишки приводит, как мы полагаем, к снижению порога болевой чувствительности" (Бабин и др., 1994, С. 69). Подобные факты свидетельствуют об участии эволюционно-консервативных сигнальных молекул во взаимоотношении макроорганизма и его микрофлоры — теме интенсивных междисциплинарных исследований последних лет. Жизнедеятельность макроорганизма и населяющих его поверхность и внутренние органы микроорганизмов регулируется по принципу обратной связи. Неполноценное функционирование симбиотической микрофлоры дестабилизирует организм животного. В то же время дисбаланс в функционировании животного макроорганизма (дистресс, неправильное питание, инфекционный процесс и др.) вызывает, по имеющимся данным, изменение состава эндогенного микроценоза. Эти исследования имеют несомненное медицинское значение, в том числе и при разработке диет, учитывающих тот факт, что мы кормим не только себя, но и целый "мир прокариот", чье гармоничное функционирование жизненно важно для человека.

2. Биополитика и микробная эндокринология

Представляя собой эволюционно консервативные молекулы жизни, наделенные важными и многообразными функциями, нейромедиаторы и гормоны в то же время имеет отношение к еще одному аспекту смены парадигм в современной биологии. Меняются не только взгляды на факторы, породившие наиболее примитивные формы живого; столь же радикальным изменениям подвергаются взгляды на эволюционно продвинутые формы живого, включая человека. Еще недавно считалось "дурным тоном" и "социальным дарвинизмом" проводить параллели между концепциями биологии и нашими знаниями о человеческом обществе, культуре, психике — всем тем, что рассматривалось как поприще для комплекса социальных и гуманитарных наук, отделенных дисциплинарной "китайской стеной" от естественных наук, к которым причисляли биологию. В настоящее время все больший интерес ученых вызывают биологические факторы. влияющие на поведение человека, его потребности, память, эмоции, пути приобретения знаний о мире. На гребне волны сближения биологического и социогуманитарного знания расцветает биополитика — стыковая область научного знания, посвященная эволюционной предыстории человеческого социума и политических систем, значению биологических факторов в политическом поведении человека и, в целом, политической роли биологии в современном мире (Caldwell, 1964; Somit, 1968, 1972; Flohr, Tonnesmann, 1983; Vlavianos-Arvanitis, 1985, 1991; Зуб, 1987; Gusev et al., 1991; Masters, 1991; Влавианос-Арванитис, Олескин, 1993; Олескин, 1994; Oleskin, Masters, 1997).

Например, серотонин имеет прямое отношение к биополитической проблеме нейрофизиологических механизмов властных отношений (доминирования и подчинения). В диапазоне от сверчков и омаров (Masters, 1994) до обезьян (McGuire, 1982;Raleigh, McGuire, 1994) доминирующие особи имеют повышенные уровни серотонина в крови. Так, у зеленых мартышек-верветок самец-доминант имеет его в ~1,5 раза больше, чем недоминирующие особи. Исследования на студентах-добровольцах показали, что у людей также имеет место корреляция между уровнем серотонина в крови и социальным рангом, хотя и более сложная, чем у других изученных приматов (Madsen, 1994). При этом выявлено по крайней мере два различных типа человеческих личностей:

"агрессивные конкуренты" (амбициозные, энергичные, эгоцентричные, готовые преступитть моральные запреты — "маккиавелевский тип"), у которых содержание серотонина в сыворотке крови возрастает по мере повышения социального ранга; "уступчивые моралисты" (убежденные, что "можно совершать поступок, только если ты уверен, что он морально справедлив"), у которых, наоборот, содержание серотонина убывает по мере повышения социального ранга (Madsen, 1994).

Отличия людей от других приматов указывают на уникальные черты человека и человеческого общества, в частности, на тот факт, что иерархии доминирования-подчинения в человеческом обществе более многоплановы, чем в группах других приматов. Впрочем, и эти отличия могут в какой-то мере иметь нейрологическую подоплеку: человеческое поведение находится под влиянием не только серотонина, но и других нейромедиаторов, в первую очередь норадреналина (связанного с "зависимостью человеческого поведения от вознаграждения") и дофамина (предположительно стимулирующего "поиск новизны": Masters, 1994). В зависимости от уровней других нейромедиаторов эффект одних и тех же концентраций серотонина может проявляться по-разному.

Поскольку серотонин отвечает за ингибирование процессов возбуждения во многих участках мозга, то снижение его концентрации уменьшает контроль за импульсивным поведением. Приведет ли, в случае человеческого индивида, этот эффект снижения содержания серотонина к депрессии, вспышкам насилия, попыткам самоубийства илиже никак не проявится, зависит от социально-культурных факторов и характерологических черт личности (которые, как отмечалось выше, находятся под влиянием также и других нейромедиаторов). Борьба с хронической депрессией и другими состояниями, связанными с недостаточным уровнем серотонина в мозгу человека, велась в США с использованием лекарственного препарата "Прозак", ингибирующего поглощение серотонина пресинаптическим нейроном и тем самым повышающего его действующую синаптическую концентрацию.

В настоящее время на биологическом факультете МГУ ведутся исследования, направленные на разработку метода непосредственного введения серотонина в кровь для снятия состояний депрессии и повышения обучаемости и социальной активности индивидов. Поскольку серотонин представляется всеобщим "фактором социальности", он побуждает к агрегации и группированию не только свободноживущие одноклеточные организмы, но и клетки крови в организме многоклеточного животного. В результате возникает угроза формирования тромбов в кровяномрусле, поэтому серотонин предполагают вводить в кровь в комбинации с антикоагулянтом гепарином (Кондашевская, Ляпина, 1996; Кондашевская и др., 1996). Отметим, что комплекс серотонин—гепарин, помимо антидепрессивной активности, обладает еще и способностьюулучшать снабжение тканей кислородом, что позволяет использовать его для борьбы с разными формам гипоксии.

Окись азота привлекает интерес биополитиков, поскольку именно это вещество вырабатывается кожей при взаимных ласках (груминге) у животных и человека. Как летучее низкомолекулярное вещество, окись азота легко проникает в мозг, где и вызывает эффект, улучшая настроение. Отсутствие чувствительности к окиси азота (мутация по соответствующим рецепторам) у мышей вызывает к жизни мышей-садистов, способных к агрессивному сексу и убийству сородичей, но не к ласкам (имеются аналогичные гипотезы в отношении некоторых типов людей-маньяков и серийных убийц: см. Masters, 1994).

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: конспект занятия, реферат.





1  2 | Следующая страница реферата