Адаптивные реакции, будь то эпигенетические или нет, являются главным средством обеспечения выживания бактерий в условиях стресса. Ряд исследований показывает, что различные стресс-резистентные фенотипы могут защищать от одного и того же стрессора, несмотря на то, что задействованные молекулярные механизмы защиты могут значительно отличаться. Клетки, по-видимому, могут задействовать множественные и перекрывающиеся механизмы сопротивления для предотвращения или восстановления повреждений и достижения максимальной выживаемости.
Определение выживаемости клеток
Фундаментальная проблема, неразрывно связанная с изучением физиологии бактериального стресса, заключается в том, как определить выживаемость. Наиболее практичные методы опираются на культуральность клеток. Клетки выражены живыми или мертвыми в зависимости от того, способны ли они пролиферировать (выживать) в определенной среде и при определенных условиях. На самом деле, только культивируемые клетки могут быть точно подсчитаны на основе факторов роста, в то время как количество мертвых клеток выводится косвенно из необработанной контрольной популяции. Однако существует, по крайней мере, одно дополнительное физиологическое состояние после воздействия стресса на популяцию клеток, а именно состояние “поврежденной” клетки. Поврежденные клетки метаболически активны, но получили повреждение в такой степени, что вызывают постоянную потерю способности к пролиферации (размножение клеток). Они иногда требуют длительного времени восстановления или могут восстановиться только при особых условиях.
Определение количества поврежденных клеток
Анализы для определения наличия или количества поврежденных клеток часто бывают одинаковыми и простыми для каждого типа бактерий. Простейшая процедура заключается в использовании флуоресцентного зонда для выявления метаболической активности при отсутствии культивируемости клеток. Различные зонды обычно используются в тестах определения жизнеспособности для измерения, например, метаболической активности, мембранного потенциала, репликации и целостности мембраны. Такие зонды были успешно соединены с флуоресцентной микроскопией или проточной цитометрией для оценки жизнеспособности поврежденной клетки.
Разрабатываются также новые количественные методы на основе ПЦР. Становится все более очевидным, что существует неоднородность между живыми и поврежденными клетками. Чем более мультиплексным является анализ жизнеспособности, например, при использовании все большего числа зондов (проведения нескольких анализов в одной ПЦР), тем больше субпопуляций может быть идентифицировано. Идентифицированные способами, описанными выше, субпопуляции могут далее определяться различными тестами на культивируемость.
Преимущества данных анализов
Подобные анализы привлекательны для промышленных применений, потому что они предлагают очень быстрый контроль клеток на физиологопсихологическое их состояние.
Еще одно важное преимущество данных анализов заключается в том, что они могут применяться на одноклеточном уровне. В большинстве исследований стресс-реакции бактерий оценивались только на популяционном уровне.
Сосуществование живых, поврежденных и мертвых клеток после смертельного «удара» является косвенным признаком врожденной гетерогенности в исходной популяции. Эта популяционная гетерогенность среди бактериальных клонов была объяснена асинхронной прогрессией через клеточный цикл, различиями в возрасте клеток, мутациями, вариациями условий микроокружения и стохастическими явлениями. Мониторинг кинетики адаптации на одноклеточном уровне также показал, что ответ приобретается на клеточной основе, в то время как не все клетки способны адаптироваться в течение того же периода времени.
Таким образом, как видно из приведенных выше данных, лаборатории на протяжении многих лет уделяли повышенное внимание изучению поведения и устойчивости в стрессовых условиях бактериальных клеток. Это вовсе не удивительно, учитывая, что они являются чрезвычайно важной группой значимых в промышленности и медицине организмов. А разгадывание загадок стрессовых реакций в лабораторных условиях и применение полученных знаний в биотехнологии или медицине, в конечном итоге, приведет этот исследовательский поиск к созданию новой бактериальной клетки с высокой устойчивостью к различным факторам, с помощью разработки различных механизмов в бактериальной клетке для устранения различных внутренних и внешних стрессов, приводящих к ее лизису. Поэтому исследования физиологии стресса лаборатории будут по-прежнему играть центральную роль в понимании их поведения.