Механизмы повреждений бактерий при лиофилизации и протективное действие защитных сред
https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-3-5-12
Аннотация
В работе рассмотрены современные представления о механизмах и факторах повреждений бактериальных клеток при лиофилизации и хранении сухих препаратов, представлены сведения о наиболее эффективных лиопротекторах и механизмах их защитного действия. Лиофилизация или высушивание из замороженного состояния – основной метод консервации бактерий в коллекциях культур и биологических ресурсных центрах. В процессе лиофилизации клетки подвергаются действию повреждающих стрессовых факторов. Низкие температуры, кристаллизация воды, осмотический стресс, изменения рН растворов, дегидратация вызывают повреждения клеточных структур и молекул. Окислительные реакции, протекающие в препаратах сухих клеток, изменяют состав и структуру липидов, белков, нуклеиновых кислот и, как следствие, снижают количество живых клеток при хранении. Одним из главных факторов, влияющим на жизнеспособность бактерий после лиофилизации и хранения, является состав защитной среды, с которой смешивают клетки перед консервацией. Использование защитных сред, содержащих углеводы, аминокислоты, восстановленное молоко, желатин и другие компоненты снижает вероятность повреждений клеточных компонентов, увеличивает гарантированный срок хранения бактерий.
Ключевые слова
Об авторах
И. В. Грачева
ФКУЗ «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
Россия
Россия
Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46
А. В. Осин
ФКУЗ «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
Россия
Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46
Россия
Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46
Список литературы
1. Волков В.Я. К вопросу о физиологических и физико-химических механизмах устойчивости микроорганизмов к замораживанию и высушиванию. Микробиология. 1994; 63(1):5–15.
2. Гришкина Т.А., Тимофеева Е.В., Спиридонов В.А. Оценка результатов хранения музейных штаммов возбудителя сапа в течение длительного периода. Пробл. особо опасных инф. 2004; 1(87):40–2.
3. Куплетская М.Б., Нетрусов А.И. Жизнеспособность лиофилизированных микроорганизм после 50 лет хранения. Микробиология. 2011; 80(6):842–6.
4. Adams G. The Principles of Freeze-Drying. Methods Mol. Biol. 2007; 368:15–38. DOI: 10.1007/978-1-59745-362-2_2.
5. Amenan Y.A., Wathelet B., Thonart P. Effect of protective compounds on the survival, electrolyte leakage, and lipid degradation of freeze-dried Weissella paramesenteroides LC11 during storage. J. Microbiol. Biotechnol. 2009; 19(8):810–7.
6. Bank H., Mazur P. Visualization of freezing damage. J. Cell. Biol. 1973; 5(3):729–42.
7. Bergenholtz A.S., Wessman P., Wuttke A., Hеkansson S. A case study on stress preconditioning of a Lactobacillus strain prior to freeze-drying. Cryobiology. 2012; 64:152–9 . DOI: 10.1016/j.cryobiol.2012.01.002.
8. Buitink J., Leprince O. Intracellular glasses and seed survival in the dry state. C. R. Biol. 2008; 331(10):788–95. DOI: 10.1016/j.crvi.2008.08.002.
9. Cabri guidelines. Laboratory procedures of microorganisms. Protective suspension media for freezing or (freeze)-drying. Available from: http://www.cabri.org/guidelines/micro-organisms/M300Ap3.html. Дата обращения 05.11.15.
10. Carlsen C.U., Kurtmann L., Brüggemann D.A., Hoff S., Risbo J., Skibsted L.H. Investigation of oxidation in freeze-dried membranes using the fluorescent probe C11-BODIPY (581/59). Cryobiology. 2009; 58:262–7. DOI: 10.1016/j.cryobiol.2009.01.005.
11. Castro H.P., Teixeira P.M., Kirby R. Changes in the cell membrane of Lactobacillus bulgaricus during storage following freeze-drying. Biotechnol. Lett. 1996; 18:99–104.
12. Cleland D., Krader P., McCree C., Tang J., Emerson D. Glycine betaine as a cryoprotectant for prokaryotes. J. Microbiol. Methods. 2004; 58(1):31–8.
13. Costa E., Usall J., Teixido N., Garsia N., Vinas I. Effect of protective agents, rehydration media and initial cell concentration on viability of Pantoea agglomerans strain CPA-2 subjected to freezedrying. J. Appl. Microbiol. 2000; 89:793–800. DOI: 10.1046/j.1365-2672.2000.01182.x.
14. Crowe J.H., Crowe L.M., Hoekstra F.A. Phase transitions and permeability changes in dry membranes during rehydration. J.Bioenerg. Biomembr. 1989; 21(1):77–91.
15. Crowe L.M., Reid D.S., Crowe J.H. Is trehalose special for preserving dry biomaterials? Biophys. J. 1996; 71:2087–93.
16. Delgado H., Moreira T., Luis L., Garsia H., Martino T.K., Moreno A. Preservation of Vibrio cholerae by freeze-drying. Cryo- Letters. 1995; 16:91–101.
17. Dumont F., Marechal P-A., Gervais P. Involvement of two specific causes of cell mortality in freeze-thaw cycles with freezing to -196 °C. Appl. Environ. Microbiol. 2006; 72(2):1330–5. DOI: 10.1128/AEM.72.2.1330-1335.2006.
18. Fonseca F., Marin M., Morris G.J. Stabilization of frozen Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus in glycerol suspensions: freezing kinetics and storage temperature effects. Appl. Environ. Microbiol. 2006; 72(10):6474–82. DOI: 10.1128/AEM.00998-06.
19. Fonseca F., Passot S., Cunin O., Marin M. Collapse temperature of freeze-dried Lactobacillus bulgaricus suspensions and protective media. Biotechnol. Prog. 2004; 20:229–38. DOI: 10.1021/bp034136n.
20. Gao D., Critser J.K. Mechanisms of cryoinjury in living cells. ILAR J. 2000; 41(4):187–96. DOI: 10.1093/ilar.41.4.187.
21. Guidance for the operation of biological research centres (BRCs) Part 2: Microorganism domen 2007. Available from: http://www.oecd.org/sti/biotech/38777417. Дата обращения 05.11.15.
22. Heckly R.J., Dimmick R.L., Windle J.J. Free radical formation and survival of lyophilized microorganisms. J. Bacteriol. 1963; 85:961–6.
23. Hubalek Z. Protectants used in the cryopreservation of microorganisms. Cryobiology. 2003; 46(3):205–29. DOI: 10.1016/S0011-2240(03)00046-4.
24. Kurtmann L., Carlsen C.U., Risbo J., Skibsted L.H. Storage stability of freeze-dried Lactobacillus acidophilus (La-5) in relation to water activity and the presence of oxygen and ascorbate. Cryobiology.2009; 58:175–80. DOI: 10.1016/j.cryobiol.2008.12.001.
25. Kurtmann L., Carlsen C.U., Skibsted L.H., Risbo J. Water activity-temperature state diagrams of freeze-dried Lactobacillus acidophilus (La-5): influence of physical state on bacterial survival during storage. Biotechnol. Prog. 2009; 25(1):265–70. DOI: 10.1002/btpr.96.
26. Leslie S.B., Israeli E., Lighthart B., Crowe J.H., Crowe L.M. Trehalose and sucrose protect both membranes and proteins in intact bacteria during drying. Appl. Environ. Microbiol. 1995; 61(10):3592–7.
27. Lievense L.C., Verbreek M.A.M., Noomen A., van’t Riet K. Mechanism of dehydration inactivation of Lactobacillus plantarum. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1994; 41(1):90–4. DOI: 10.1007/BF00166087.
28. Martos G.I., Minahk C.J., de Valdez G.F., Morero R. Effects of protective agents on membrane fluidity of freeze-dried Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus. Let. Appl. Microbiol. 2007; 45:282–8. DOI: 10.1111/j.1472-765X.2007.02188.x.
29. Miyamoto-Shinohara Y., Sukenobe J., Imaizumi T., Nakahara T. Survival of freeze-dried bacteria. J. Gen. Appl. Microbiol. 2008; 54(1):9–24. DOI: 10.2323/jgam.54.9.
30. Morgan C.A., Herman N., White P.A., Vesey G. Preservation of microorganisms by drying: a review. J. Microbiol. Methods. 2006; 66:183–93. DOI:10.1016/j.mimet.2006.02.017.
31. Ohtake S., Martin R.A., Saxena A., Lechuga-Ballesteros D., Santiago A.E., Barry E.M., Truong-Le V. Formulation and stabilization of Francisella tularensis live vaccine strain. J. Pharm. Sci.. 2011; 100(8):3076–87. DOI: 10.1002/jps.22563.
32. Pehkonen K.S., Roos Y.H., Miao S., Ross R.P., Stanton C. State transitions and physicochemical aspects of cryoprotection and stabilization in freeze-drying of Lactobacillus rhamnosus GG (LGG). J. Appl. Microbiol. 2008; 104:1732–43. DOI: 10.1111/j.1365-2672.2007.03719.x.
33. Peiren J., Buyse J., De Vos P., Lang E., Clermont D., Hamon S., Bégaud E., Bizet C., Pascual J., Ruvira M.A., Macián M.C., Arahal D.R. Improving survival and storage stability of bacteria recalcitrant to freeze-drying: a coordinated study by European culture collections. Arahal. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015; 99(8):3559–71. DOI: 10.1007/s00253-015-6476-6.
34. Portner D.C., Leuschner R.G.K., Murray B.S. Optimising the viability during storage of freeze-dried cell preparations of Campylobacter jejuni. Cryobiology. 2007; 54(3):265–70. DOI:10.1016/j.cryobiol.2007.03.002.
35. Prakash O., Nimonkar Y., ShoucheY.S. Practice and prospects of microbial preservation. FEMS Microbiol. Lett. 2013;339(1):1–9. DOI: 10.1111/1574-6968.12034.
36. Santivarangkna C., Wenning M., Foerst P., Kulozik U. Damage of cell envelope of Lactobacillus helveticus during vacuum drying. J. Appl. Microbiology. 2007(3); 102:748–56. DOI: 10.1111/j.1365-2672.2006.03123.x.
37. Schwab C., Vogel R., Ganzle M.G. Influence of oligosaccharides on the viability and membrane properties of Lactobacillus reuteri TMW1.106 during freeze-drying. Cryobiology. 2007;55(2):108–14. DOI: 10.1016/j.cryobiol.2007.06.004
38. Sinskey T.J., Silverman G.J. Characterization of injury incurred by Escherichia coli upon freeze-drying. J. Bacteriol. 1970; 101(2):429–37.
39. Tymczyszyn E.E., Díaz M.R., Gómez-Zavaglia A., Disalvo E.A. Volume recovery, surface properties and membrane integrity of Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus dehydrated in the presence of trehalose or sucrose. J. Appl. Microbiol. 2007; 103(6):2410–9. DOI: 10.1111/j.1365-2672.2007.03482.x.
40. Tymczyszyn E.E., Sosa N., Gerbino E, Hugo A., Gómez-Zavaglia A., Schebor C. Effect of physical properties on the stability of Lactobacillus bulgaricus in a freeze-dried galacto- oligosaccharides matrix. Int. J. Food Microbiol. 2012; 155(3):217–21. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2012.02.008.
41. Yang L., Ma Y., Zhang Y. Freeze-drying of live attenuated Vibrio anguillarum mutant for vaccine preparation. Biologicals. 2007; 35:265–9. DOI: 10.1016/j.biologicals.2007.03.001.
42. ZhanY., Xu Q., Yang M.M., Yang H.T., Liu H.X., Wang Y.P., Guo J.H. Screening of freeze- dried protective agents for the formulation of biocontrol strains Bacillus cereus AR156, Burkholderia vietnamiensis B418 and Pantoea agglomerans 2Re40. Let. Appl. Microbiol. 2012; 54(1):10–7. DOI: 10.1111/j.1472-765X.2011.03165.x.
43. Zhao G., Zhang G. Effect of protective agents, freezing temperature, rehydration media on viability of malolactic bacteria subjected to freeze-drying. J. Appl. Microbiol. 2005; 99(2):333–8. DOI: 10.1111/j.1365-2672.2005.02587.x.
Рецензия
Для цитирования:
Грачева И.В., Осин А.В. Механизмы повреждений бактерий при лиофилизации и протективное действие защитных сред. Проблемы особо опасных инфекций. 2016;(3):5-12. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-3-5-12
For citation:
Gracheva I.V., Osin A.V. Mechanisms of Damaging Bacteria during Lyophilization and Protective Activity of Shielding Media. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2016;(3):5-12. (In Russ.) https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-3-5-12
Просмотров: 1298
Послать статью по эл. почте 