Quorum Quenching как перспективный подход к биоконтролю бактериальных инфекций в аквакультуре (обзор)
Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology
Рубрика: Обзоры, проблемы
Статья в выпуске: 4 т.61, 2026 года.
Бесплатный доступ
Бактериальные инфекции представляют серьезную угрозу для устойчивости и развития сектора аквакультуры, приводя к значительным экономическим потерям. Стремительный рост мирового производства аквакультурной продукции, сопровождающийся интенсификацией производства, приводит к ухудшению качества воды, повышению стресса у гидробионтов и вспышкам инфекционных заболеваний (C.E. Boyd с соавт., 2020; A. Mzula с соавт., 2021; X. Li с соавт., 2022). Традиционные методы, основанные на применении антибактериальных препаратов (АБП) для лечения и профилактики бактериальных инфекций, сопряжены с серьезными проблемами: формированием устойчивых популяций патогенов, распространением генов резистентности, включая горизонтальный перенос, а также значительным загрязнением водных экосистем (до 80 % вводимых соединений попадает в окружающую среду) (P. Chandra с соавт., 2021; M. Ifran с соавт., 2022; K. Holmström с соавт., 2003). Эти факторы не только снижают эффективность терапии, основанной на использовании АБП, но и создают прямую угрозу здоровью человека, а также могут приводить к нарушению экологического баланса, что требует поиска безопасных альтернатив (F.C. Cabello с соавт., 2013). В качестве перспективной стратегии рассматривается воздействие на системы Quorum Sensing (QS) — механизмы координации экспрессии генов у бактерий, работа которых зависит от плотности бактериальной популяции (C. Fuqua с соавт., 2001). QS регулирует ключевые процессы патогенности, включая образование биопленок, синтез факторов вирулентности, подвижность и антибиотикорезистентность. У основных патогенов аквакультуры (роды Aeromonas, Pseudomonas, Vibrio, Yersinia, Flavobacterium) сигнальную функцию выполняют N-ацил-гомосеринлактоны (АГЛ) (G.D. Sala с соавт., 2019). Подавление QS достигается ферментативной деградацией сигнальных молекул с помощью лактоназ, ацилаз и оксидоредуктаз, что позволяет ослаблять вирулентность без прямого уничтожения бактерий и, следовательно, без создания селективного давления на патогенные микроорганизмы (T. Naaz с соавт., 2023). В представленном обзоре систематизированы результаты многочисленных исследований in vitro и in vivo, демонстрирующих эффективность QQ-пробиотиков, преимущественно представителей рода Bacillus, выделенных из кишечного микробиома рыб, донных отложений и других источников. QQ-штаммы способны разрушать АГЛ, ингибировать биопленкообразование и снижать продукцию факторов вирулентности таких патогенов, как A. hydrophila, V. harveyi, V. parahaemolyticus, E. tarda (T. Defoirdt с соавт., 2011; G. Vinoj с соавт., 2014; W. Chu с соавт., 2014). В экспериментах на модельных объектах (Danio rerio, Carassius auratus, Oncorhynchus mykiss, Litopenaeus vannamei) (Y. Cao с соавт., 2020; D.H. Vadassery с соавт., 2020; S. Torabi Delshad с соавт., 2018; X. Sun с соавт., 2022) пероральное введение QQ-пробиотиков или очищенных ферментов достоверно повышало выживаемость при экспериментальном заражении до 80-86 % по сравнению с 13-50 % в контрольных группах (B. Zhang с соавт., 2019; S. Torabi Delshad с соавт., 2018). Отмечено их положительное влияние на рост, гематологические показатели, активность пищеварительных ферментов и иммунный статус. Вместе с тем, несмотря на обнадеживающие результаты, в настоящее время все еще недостаточно экспериментальных данных для всесторонней оценки эффективности и безопасности QQ-пробиотиков в реальных производственных условиях. Ключевыми нерешенными вопросами остаются влияние QQ-агентов на состав и функциональную активность микробных сообществ, ассоциированных с культивируемыми видами и окружающей средой, долгосрочные последствия для экосистем, а также отсутствие стандартизированных протоколов дозирования, способов введения и критериев оценки эффективности в зависимости от вида объекта, возраста и условий выращивания. Кроме того, требуются дальнейшие масштабные испытания для сравнения QQ-стратегий с другими биотехнологическими альтернативами (фаговая терапия, иммуностимуляторы, постбиотики) и разработки комплексных схем профилактики, сочетающих QQ с оптимизацией параметров среды.
Короткий адрес: https://sciup.org/142248599
IDS: 142248599 | УДК: 639.3.09:619:579.62 | DOI: 10.15389/agrobiology.2026.4.579rus
Quorum Quenching as a promising approach for the biocontrol of bacterial infections in aquaculture (review)
Bacterial infections seriously threaten the sustainability and development of the aquaculture sector, driving considerable economic losses. The rapid expansion of global aquaculture production, coupled with intensification practices, deteriorates water quality, elevates stress in aquatic organisms, and precipitates infectious disease outbreaks (C.E. Boyd et al., 2020; A. Mzula et al., 2021; X. Li et al., 2022). Conventional disease management relies heavily on antibacterial agents (ABAs), yet this approach has critical problems: the emergence of resistant pathogen populations, dissemination of resistance genes via horizontal transfer, and pervasive pollution of aquatic ecosystems, where up to 80 % of administered compounds accumulate in the environment (P. Chandra et al., 2021; M. Ifran et al., 2022; K. Holmström et al., 2003). These issues not only compromise therapeutic efficacy but also threaten human health and disrupt ecological equilibrium, underscoring an urgent need for safer alternatives (F.C. Cabello et al., 2013). This review critically evaluates the current evidence for Quorum Quenching (QQ) probiotics as an alternative to antibacterial agents in aquaculture. QQ interferes with Quorum Sensing (QS) – population-density-dependent regulatory systems that control biofilm formation, virulence factor synthesis, motility, and antibiotic resistance in major aquaculture pathogens, notably Aeromonas hydrophila, Pseudomonas spp., Vibrio harveyi, Vibrio parahaemolyticus, Yersinia ruckeri, and Flavobacterium spp., where N-acyl-homoserine lactones (AHLs) serve as key signaling molecules (C. Fuqua et al., 2001; G.D. Sala et al., 2019). QQ-probiotics, predominantly Bacillus strains isolated from fish intestines, sediments, and other sources, enzymatically degrade AHLs via lactonases, acylases, and oxidoreductases. This attenuates virulence without directly killing bacteria, thereby avoiding selective pressure on pathogens (T. Naaz et al., 2023). The reviewed in vitro and in vivo evidence demonstrates that QQ-probiotics effectively degrade AHLs, inhibit biofilm formation, and reduce virulence factor production in key pathogens, including A. hydrophila, V. harveyi, V. parahaemolyticus, and Edwardsiella tarda (T. Defoirdt et al., 2011; G. Vinoj et al., 2014; W. Chu et al., 2014). In model organisms (Danio rerio, Carassius auratus, Oncorhynchus mykiss, Litopenaeus vannamei) (Y. Cao et al., 2020; D.H. Vadassery et al., 2020; S. Torabi Delshad et al., 2018; X. Sun et al., 2022), oral administration of QQ-probiotics or purified enzymes significantly improved survival after experimental infection, with rates of 80-86 % compared to 13-50 % in controls (B. Zhang et al., 2019; S. Torabi Delshad et al., 2018). Researchers have also reported positive effects on growth, hematological indices, digestive enzyme activity, and immune status. Despite these encouraging findings, the available experimental data remain insufficient for a comprehensive assessment of QQ-probiotic efficacy and safety under commercial production conditions. Critical unresolved questions persist: How do QQ agents affect the composition and function of microbial communities associated with cultured species and the surrounding environment? What are the long-term ecological consequences? Furthermore, the field lacks standardized protocols for dosage, administration routes, and efficacy criteria that account for host species, age, and rearing conditions. Additional large-scale trials are also needed to compare QQ strategies with other biotechnological interventions – particularly phage therapy, immunostimulants, postbiotics; and to develop integrated prophylactic regimens that combine QQ with environmental optimization. While QQ-probiotics show robust experimental promise, their transition to commercial application requires standardized protocols and comprehensive ecotoxicological assessment.
Текст научной статьи Quorum Quenching как перспективный подход к биоконтролю бактериальных инфекций в аквакультуре (обзор)
Развитие технологий аквакультуры для повышения объемов произ-
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда ¹ 24-76-00065,
водства белковой пищи имеет важное значение для удовлетворения потребностей в продовольствии быстро растущего населения планеты (1). На протяжении последних десятилетий аквакультура демонстрирует существенный рост, превосходя по темпам традиционное рыболовство. Это объясняется развитием технологий ведения сельского хозяйства и растущей осведомленностью о питательных преимуществах культивируемых водных организмов (2). Вместе с тем методы интенсификации производства, применяемые в аквакультуре, нередко оказывают негативное воздействие на качество воды, способствуют повышению стресса и восприимчивости рыб к инфекционным заболеваниям, что, в свою очередь, приводит к снижению продуктивности и существенным экономическим потерям (3-5). Неизбирательное и неконтролируемое применение антибактериальных препаратов (АБП) для лечения и профилактики инфекций рыб вызывает формирование популяций резистентных патогенов (6-8). Быстрое распространение бактериальной антибиотикорезистентности посредством таких механизмов, как биоплен-кообразование и горизонтальный перенос генов, ставит под угрозу здоровье животных, продуктивность хозяйств и безопасность производимой продукции (9-11).
Результаты многочисленных исследований указывают на возможность передачи генов резистентности от бактерий, присутствующих в продуктах питания, к патогенным микроорганизмам, вызывающим заболевания человека и животных (12, 13). Следовательно, широкое использование АБП не только подрывает эффективность лечения животных, но и представляет существенную угрозу для здоровья человека, подчеркивая острую необходимость в принятии строгих мер (14, 15). Экологические последствия рутинного применения АБП также вызывают тревогу: до 80 % от начального объема этих соединений попадает в окружающие экосистемы, тем самым изменяя экологический баланс (10, 16).
Для устойчивого развития аквакультуры крайне важны разработка и внедрение новых эффективных мер борьбы с бактериальными возбудителями. Недавние исследования подчеркивают актуальность решения проблемы с помощью экологически чистых биотехнологических подходов, включая фаговую терапию, использование иммуностимуляторов, а также пре-, про-, син- и постбиотиков (17, 18). Особенно перспективным выглядит использование пробиотиков, способных к ингибированию Quorum Sensing (QS) систем, которые бактерии используют для коммуникации и координации экспрессии генов, отвечающих за вирулентность, антибиоти-корезистентность, образование биопленок и выработку факторов патогенности (19). Этот подход рассматривается в качестве новой альтернативной стратегии борьбы с патогенами.
Целью представленного обзора стала систематизация и критический анализ современных научных данных об использовании стратегий Quorum Quenching (QQ) для борьбы с бактериальными инфекциями в аквакультуре.
Системы Quorum Sensing (QS) у бактерий в аквакультуре. QS представляет собой систему скоординированной регуляции экспрессии генов у бактерий в ответ на изменение плотности клеточной популяции (20, 21). Основным компонентом QS систем служат низкомолекулярные сигнальные молекулы (аутоиндукторы, АИ), которые бактериальные клетки выделяют в окружающую среду либо посредством пассивной диффузии, либо благодаря активной секреции (22, 23). При повышении плотности популяции АИ накапливаются в среде (24). При достижении определенной пороговой концентрации эти сигналы взаимодействуют со специфичными рецепторами, что приводит к изменению экспрессии опре- деленных генов во всей популяции (22, 25). QS регулирует работу самых разнообразных клеточных процессов, включая образование биопленок, биолюминесценцию, синтез факторов вирулентности, производство экзо-полисахаридов, контроль числа копий плазмид, перенос плазмид и подвижность (26-28). Исследования выявили разнообразие природы сигнальных молекул и рецепторных белков, на основе которых функционируют различные типы QS систем. Многие бактериальные патогены аквакультуры используют в качестве сигнальных молекул N-ацил-гомосеринлактоны (АГЛ) (29). Молекулы АГЛ содержат лактонное кольцо, связанное с ацильной цепью амидной связью (рис. 1, А). Ацильная цепь может содержать от 4 до 18 атомов углерода и включать оксо- (см. рис. 1, Б) или гидроксильные (см. рис. 1, В) группировки (30).
Рис. 1. Структуры молекул N-ацил-гомосеринлактонов, используемых в Quorum Sensing (QS) системах грамотрицательных бактерий: А — N-ацил-L-гомосеринлактоны (АГЛ), Б — N-(3-оксоацил)-L-гомосеринлактоны (3-оксо-АГЛ), В — N-(3-гидроксиацил)-L-гомосеринлактоны (3-гидрокси-АГЛ).
В качестве основных QS-зависимых патогенов можно отметить представителей родов Aeromonas , Pseudomonas , Vibrio , Yersinia , Flavobacterium (31). У всех вышеперечисленных патогенов имеются различные факторы патогенности, работа которых регулируется системами QS. Например, QS регулирует формирование биопленок, адгезию, подвижность, колонизацию и устойчивость к антибиотикам у бактерий рода Aeromonas , вызывающих геморрагический сепсис у карповых, лососевых и осетровых рыб (32, 33). У патогенов рода Pseudomonas QS системы регулируют подвижность, образование биопленок, синтез протеаз, эластаз и экзотоксинов (34, 35). Эти патогены поражают осетровых, лососевых, карповых; они вызывают плавниковую гниль и бактериальную геморрагическую септицемию (36). У патогенов рода Vibrio QS регулирует выработку экзоферментов, что приводит к развитию вибриозов у рыб и креветок (37). Для патогенов из рода Yersinia , вызывающих септицемии лососевых видов рыб, известно о QS регуляции подвижности и биопленкообразования (38). У патогенов из рода Flavobac-terium , возбудителей колумнариоза у карповых, лососевых и сомовых, описана QS регуляция образования биопленок (39).
Поскольку QS играют важную роль в регуляции синтеза факторов вирулентности у патогенных организмов, поиск механизмов управления QS представляет собой перспективное направление исследований и может стать альтернативой использованию АБП (21).
Механизмы Quorum Quenching (QQ) и стратегии их применения. Механизмы подавления межклеточной коммуникации посредством нарушения работы QS систем называют Quorum Quenching (QQ). Стратегии QQ включают в себя ферментативные и химические методы ингибирования QS систем на всех этапах их функционирования: синтез и диффузия сигнальных молекул, взаимодействие АИ с регуляторными белками (19, 40). Ферментативная деградация молекул АИ представляется одним из наиболее перспективных методов QQ, поскольку работает внеклеточно. В отличие от антибиотиков, QQ не приводит к гибели бактериальных клеток и, следовательно, не оказывает селективного давления на патогены.
Системы QQ разрушают сигнальные молекулы QS с помощью спе- цифичных для различных групп бактерий ферментов, таких как ацилазы, лактоназы и оксидоредуктазы (рис. 2).
Лактоназы катализируют гидролиз сложноэфирных связей в лактонном кольце, что приводит к его раскрытию (см. рис. 2, А). Лактоназами обладают различные виды бактерий, например представители родов Bacillus (AiiA), Arthrobacter (AhlD), Microbacterium (AiiM), Agrobacterium (AiiB), Chrys-eobacterium (AidC) и Rhodococcus (QsdA). Ацилазы, встречающиеся у представителей родов Pseudomonas (PvdQ, QuiP, HacA, HacB), Ralstonia (AiiD) и Shewanella (aaC), катализируют гидролиз амидных связей, в результате образуются гомосеринлактон и жирная кислота (см. рис. 2, Б). Оксидоредуктазы, также обнаруженные у бактерий рода Bacillus , катализируют окислительно-восстановительные реакции (см. рис. 2, В) (19).
Рис. 2. Пути ферментной деструкции N-ацил-гомосеринлактонов под действием лактоназ (А) , ацилаз (Б) , оксидоредуктаз (В) .
Описаны различные подходы к применению QQ в аквакультуре. Это может быть прямое добавление QQ ферментов в воду или корм. Например, добавление очищенного фермента AiiA в корм креветкам снижало смертность от вибриоза (9). Однако получение ферментного препарата достаточно дорогостоящий процесс, наиболее привлекательно выглядит стратегия использования пробиотических микроорганизмов, производящих QQ ферменты (подробно обсуждается в следующем разделе). Также возможна биофильтрация с использованием QQ-активных микроорганизмов. Было показано, что мембраны, содержащие инкапсулированные бактерии рода Rhodococcus , могут быть использованы для борьбы с биообрастанием в мембранном биореакторе для глубокой очистки сточных вод. Такой подход может иметь прикладное значение в системах рециркуляции аквакультуры для снижения концентрации АГЛ и контроля QS-зависимых патогенов (41).
Перспективным направлением считается получение генетически модифицированных организмов (например, бактерий или водорослей) для производства QQ ферментов.
Таким образом, QQ представляет собой многообещающую альтернативу традиционным противомикробным препаратам (42, 43). Исследования в этой области, включая применение в аквакультуре, сельском хозяйстве и медицине, достигли значительного прогресса за последние годы (32, 44, 45). Несмотря на биотехнологический потенциал QQ систем, их практическое применение в аквакультуре сталкивается с определенными трудностями, в первую очередь из-за нехватки данных.
Применение QQ в аквакультуре: от исследований к практике. Èññëåäîâàíèÿ in vitro. В процессе выбора подходящих пробиотиков исследования in vitro становятся начальным шагом, позволяющим оценить возможность использования бактерий в качестве агентов биоконтроля. Впервые способность к деструкции АГЛ как важный фактор отбора пробио- тических штаммов для аквакультуры была показана для бактерий рода Bacillus (46). Было описано пять штаммов Bacillus sp., способных разрушать молекулы АГЛ, вырабатываемые такими патогенами рыб, как A. hydrophila, A. salmonicida, Vibrio salmonicida и Edwardsiella tarda.
Далее последовал цикл работ, посвященных исследованию возможности применения QQ штаммов в качестве агентов биоконтроля.
Bacillus licheniformis DAHB1, выделенный из кишечного микробиома индийской белой креветки ( Fenneropenaeus indicus ), показал способность подавлять биопленкообразование патогена Vibrio parahaemolyticus (47).
Штамм Bacillus sp. QSI-1 из кишечника серебряного карася ( Caras-sius auratus gibelio ) продемонстрировал способность подавлять QS у A. hy-drophila . Кроме того, воздействие супернатанта QSI-1 привело к значительному снижению (на 77,3 %) степени биопленкообразования у аэромонад без подавления роста бактериальной культуры (48).
Штамм Bacillus sp. YB1701, выделенный из морских прибрежных отложений, обладал способностью разлагать C6-АГЛ и продемонстрировал сильные антагонистические свойства против патогенных штаммов A. hyd-rophila YJ-1 и V. parahaemolyticus DX-1. Кроме того, показаны его устойчивость к желудочной кислоте и желчным солям, безопасность для рыб и мышей, чувствительность к антибиотикам и способность разлагать органические отходы (49).
В другой работе в качестве источника выделения штаммов был использован кишечный микробиом азиатского морского окуня ( Lates calcar-ifer ). В результате было выделено 10 бактериальных изолятов со способностью разлагать сигнальные молекулы QS, продуцируемые патогенами рода Vibrio . Наиболее сильную QQ активность проявили изоляты, идентифицированные как Bacillus thuringiensis и Bacillus cereus (50).
Штамм B. thuringiensis QQ17, выделенный из донного осадка в пруду с тиляпией, эффективно разрушал сигнальные молекулы C6-АГЛ и проявлял антагонистическую активность в отношении A. hydrophila . Он также демонстрировал устойчивый рост в широком диапазоне pH (3,0-7,0), показал хорошую толерантность к высоким концентрациям желчных солей (до 0,9 %) и воздействию 0,5 % фенола. Кроме того, B. thuringiensis QQ17 продемонстрировал значительные способности к авто- и коагрегации, что повысило его перспективы для эффективной колонизации и вытеснения патогенов. Штамм был чувствителен ко всем 11 протестированным антибиотикам, что подчеркивает его безопасность для терапевтического использования (51).
В недавнем исследовании оценили влияние бесклеточных лизатов из двух QQ штаммов, B. thuringiensis QQ1 и B. cereus QQ2, на патогенность Vibrio alginolyticus RT45GH и V. harveyi SB9612N4. Оба штамма показали способность ингибировать выработку амилазы, протеазы и желатиназы у V. alginolyticus . Примечательно, что штамм B. thuringiensis QQ1 также значительно снижал образование биопленки V. alginolyticus (50).
Штаммы Bacillus pumilus FI335, FI383, FI436, B. subtilis FI314, FI330, FI346, FI442 и Bacillus velezensis FI464, выделенные из пищеварительных трактов различных видов рыб, продемонстрировали QQ активность в отношении патогенов A. veronii и E. tarda (52).
Штамм B. velezensis DH82, выделенный из морского ила, был способен регулировать QS и снижать экспрессию факторов вирулентности у V. parahaemolyticus, однако не оказывал влияния на процесс образования биопленок (53). Позднее были описаны галофильные морские виды Bacillus, полученные из слизи с поверхности кораллов, способные подавлять QS па- тогена креветок V. parahaemolyticus (54).
В качестве агентов биоконтроля могут быть использованы не только представители рода Bacillus . В результате комплексного скрининга было изучено 166 штаммов морских бактерий и обнаружено, что приблизительно 15 % (24 штамма) могут полностью разрушать или значительно снижать концентрацию экзогенных молекул АГЛ. Выделенные QQ изоляты оказались представителями родов Hyphomonas , Stappia , Alteromonas , Oceanobacillus , Rhodococcus , Phaeobacter , Tenacibaculum , Bacillus , Halomonas и Roseovarius (9). Штамм Pseudomonas sp. FF16, выделенный на пресноводной лососевой ферме, подавлял рост патогенов рыб A. hydrophila и Flavobacterium psychrophi-lum (55). Из аквакультуры мидий был выделен и идентифицировал штамм Alteromonas stellipolaris PQQ-42, обладающий способностью к деградации различных синтетических молекул АГЛ. В экспериментах по культивированию in vitro этот штамм заметно подавлял синтез хитиназы, протеазы и нарушал подвижность Vibrio spp. (28). Штаммы бактерий Enterobacter sp. F003 и Staphylococcus sp. Sw120, выделенные из прудового ила и кишечника карпа, разрушают молекулы АГЛ, продуцируемые A. hydrophila . Кроме того, авторы убедились в отсутствии гемолитической активности отобранных штаммов по отношению к эритроцитам овец, что подчеркивает их потенциал в качестве безопасных пробиотиков (56). Описан QQ потенциал штамма Cobetia sp. W1B из кишечника белоногой креветки ( Penaeus van-namei ). Была показана его способность снижать концентрацию сигнальных молекул QS, продуцируемых V. harveyi HAH, влияя на продукцию мРНК регуляторных и вирулентных генов, регулируемых системами QS (57).
В другом исследовании было идентифицировано несколько бактерий из микробиоты актиний и голотурий, таких как Acinetobacter junii , Mi-crobulbifer echini , Pseudomonas sihuiensis , Reinheimera aquimaris и Ruegeria at-lantica . Эти бактерии при культивировании с патогенами V. owensii , V. coral-liilyticus и V. mediterranei снижали или полностью останавливали выработку факторов вирулентности посредством деградации АГЛ (58).
Перспективные в биотехнологическом отношении QQ штаммы могут быть выделены не только из объектов аквакультуры, но и из других источников. Так, из филлосферы растений были получены изоляты, которые демонстрируют способность к QQ и эффективному ингибированию образования биопленок у различных патогенов аквакультуры, таких как Streptococcus agalactiae , V. harveyi и A. hydrophila (59).
Кроме того, агенты биоконтроля могут быть получены методами генной инженерии. Лактоназа AiiA была клонирована из штамма Bacillus QSI-1 и экспрессирована в Escherichia coli BL21(DE3). В результате трансформированный штамм E. coli стал способен к ферментативному разрушению С6-АГЛ, используемому в качестве сигнальной молекулы патогеном A. hydrophila (60). Похожее исследование было проведено для лактоназы YtnP из B. licheniformis T-1. Ген ytnP был клонирован и экспрессирован в Escherichia coli BL21 . Белок YtnP на 68 % ингибировал образование биопленки, а также значительно понизил экспрессию генов, связанных с пятью ключевыми факторами вирулентности, эффективно снизив патогенность A. hyd-rophila ATCC 7966 (61).
Также в исследованиях встречаются лактоназы, присущие более «экзотическим» родам. Лактоназа AiiK, последовательность которой получена из генома Kurthia huakuii , была экспрессирована в Lactobacillus casei MCJ Δ 1, что позволило трансформированному штамму эффективно разрушать большинство видов АГЛ, используемых патогенными бактериями (62) .
Èññëåäîâàíèÿ in vivo. Несмотря на биотехнологический потенциал, в последние годы было проведено лишь ограниченное число испытаний эффективности использования QQ-ферментов и штаммов бактерий в исследованиях in vivo и на практике. Наиболее часто в качестве пробиотических добавок в аквакультуре используются бактерии рода Bacillus (63).
Впервые возможность использования QQ фермента в аквакультуре показана для белка AiiA, нуклеотидная последовательность которого была получена из Bacillus sp. AI96, а затем клонирована и экспрессирована в E. coli BL21(DE3). Пероральное введение очищенного белка AiiA значительно повысило выживаемость Danio rerio при инфицировании патогеном A. hydrophila (64). В похожем исследовании добавление в рацион D. rerio штамма Bacillus sp. QSI-1 в концентрации 4½108 КОЕ/г в течение 2 нед привело к повышению выживаемости до 80,8 % при заражении A. hydrophila . Несмотря на развитие поражений кожи при воздействии патогена, у особей, обработанных QSI-1, были выявлены значительно меньшие инфицированные области, которые показали хорошую динамику заживления при продолжении использования пробиотика (48). Аналогичные результаты были получены при использовании штамма B. licheniformis T-1, выделенного из донных отложений аквакультуры. Введение D. rerio штамма B. licheniformis T-1 в концентрации 2,6½108 КОЕ/мл посредством инъекцией значительно снизило показатели смертности и ослабило патогенез A. hydrophila (65). Кроме того, было показано, что изоляты Bacillus могут защищать мальков D. rerio от заражения E. tarda в эксперименте in vivo. Мальки, в рацион которых входили бесклеточные экстракты штаммов Bacillus sp. FI314, FI436 и FI464, имели более высокую выживаемость по сравнению с контрольной группой (52).
Штаммы, выделенные из азиатского морского окуня ( Lates calcarifer ) и обладающие QQ активностью, привлекли внимание из-за возможности их применения в отношении коммерчески значимых видов рыб. Введение штаммов B. thuringiensis QQ1 и B. cereus QQ2 в концентрации 1½109 КОЕ/г заметно улучшило показатели роста морского окуня, гематологические показатели, активность пищеварительных ферментов, реакции респираторного взрыва и биохимические параметры сыворотки. Наблюдалась значительная колонизация кишечника введенными QQ пробиотиками, что привело к улучшению выживаемости при инфицировании патогеном V. harveyi (66).
Использование пробиотиков, подавляющих QS, позволило добиться повышения выживаемости Carassius auratus при инфицировании типичными патогенами аквакультутры. Введение инъекций B. thuringiensis QQ17 в концентрации 108 и 1010 КОЕ/г привело к повышению показателей выживаемости соответственно до 73,33 и 83,33 % после заражения A. hydrophila по сравнению с 13 % выживаемости в контрольной группе (51). Сходные результаты были получены для штамма Enterococcus faecium QQ12, выделенного из тиляпии. Штамм обладал способностью к инактивации АГЛ, продуцируемых A. hydrophila , а также синтетических молекул АГЛ, вводимых в среду. Использование E. faecium QQ12 в качестве кормовой добавки повысило выживаемость C. auratus при инфицировании A. hydrophila до 76,6686,66 % по сравнению с 13 % выживаемости в контроле (67).
Еще одним подходом для борьбы с бактериальными инфекциями, служит внесение очищенных QQ ферментов с помощью инъекций. Так, ген лактоназы AiiA, выделенной из Bacillus sp. B546, был экспрессирован в Pichia pastoris. Очищенный белок показал высокую стабильность при pH 8,0-12,0, а также термостабильность при температурах до 70 °C. Инъекция лактоназы AiiA позволила снизить смертность у карпов на 25 % при зара- жении A. hydrophila (68).
Кроме того, было изучено влияние инъекции очищенного QQ фермента YtnP из B. licheniformis T-1 на патогенез A. hydrophila ATCC 7966 в организме C. auratus . Инъекция YtnP эффективно ослабила патогенность A. hydrophila , что привело к значительному уменьшению смертности в опытной группе по сравнению с контрольной (61).
Пробиотики могут вводиться в организм животного не только посредством инъекции, но и в качестве добавки к корму. Введение в рацион C. auratus gibelio штамма Bacillus sp. YB1701 привело к снижению смертности при заражении A. hydrophila (23,3 % по сравнению с 50 % в контрольной группе) (49). Подобные результаты были получены для лактоназы A ii A qsi-1 , выделенной из Bacillus sp. QSI-1 и экспрессированной в E. coli BL21(DE3). Введение очищенной лактоназы вместе с кормом позволило понизить смертность у C. carassius на более чем 20 % при инфицировании A. hydrophila YJ-1 (60).
Способность к подавлению патогенеза Yersinia ruckeri различными QQ штаммами была продемонстрирована на радужной форели ( Oncorhyn-chus mykiss ). Пять QQ штаммов ( Bacillus cereus 24QT, B. thuringiensis 7QT, Stenotrophomonas moltiphilia 2QT, Enterobacter hormaechei 5QT и Citrobacter gillenii 10QT) вводили с кормом на протяжении 40 сут, после чего проводилось заражение патогеном Y. ruckeri . Выживаемость O. mykiss в опытных группах составляла от 38 до 85 %, наилучшие показатели выживаемости обеспечивали пробиотические штаммы, относящиеся к роду Bacillus (38).
Белоногие креветки, выращиваемые в аквакультуре по всему миру, также стали объектом исследований эффекта QQ пробиотиков in vivo (69). Штамм B. velezensis DH82 способствовал росту P. vannamei , а также подавлял рост Vibrio spp. как в водной среде, так и непосредственно в кишечнике креветок. Было показано, что DH82 уменьшает развитие тканевых повреждений, вызываемых Vibrio parahaemolyticus и увеличивает показатели выживаемости (53). QQ штаммы Bacillus safensis M146 и Cobetia marina W1B, выделенные из здоровых белоногих креветок, вводили в дозировке 1½107 КОЕ/г, что способствовало снижению показателей смертности креветок в эксперименте с заражением патогеном V. harveyi HAH. Штамм B. safensis M146 обладал иммуностимулирующими свойствами, в то время как введение C. marina W1B защищало организм-хозяин, нарушая работу QS систем патогенных бактерий (70). Дальнейшие исследования показали, что Cobetia sp. W1B защищал гепатопанкреатические клетки, значительно снижая экспрессию генов факторов патогенности, которые регулируются QS системами у V. harveyi HAH (57).
Пробиотические свойства QQ штаммов были исследованы на различных морских организмах, таких как галофильные рачки артемии ( Artemia salina ), моллюски ( Venerupis philippinarum ) и кораллы ( Oculina patagonica ). Использование в качестве агента биоконтроля Alt. stellipolaris PQQ-42 привело к существенному снижению патогенности V. mediterranei VibC-Oc-097 при заражении O. patagonica , а также к значительному уменьшению повреждению тканей коралла по сравнению с контролем (71).
Воздействие штаммов Acin. junii M2-40 и P. sihuiensis M4-84 увеличило выживаемость науплиев артемий в два раза при действии патогена V. coralliilyticus VibC-Oc-193. Пробиотики Microbulbifer echini M3-111 и Reinheimera aquimaris M3- 127 увеличили выживаемость в три раза без отрицательного влияния на рост по сравнению с контролем, подвергнутым воздействию только патогена (58). Кроме того, экспрессия генов лактоназ ( aiiA , attM , hqiA ) в патогенных штаммах V. mediterranei VibC-Oc-097, V. owensii
VibC-Oc-1 06 и V. coralliilyticus VibC-Oc-193 привела к существенному уменьшению накопления молекул АГЛ и значительному снижению экспрессии факторов вирулентности. Штаммы Vibrio с дефицитом АГЛ демонстрировали значительно сниженную вирулентность в артемии и манильских моллюсках in vivo (71).
Итак, широкомасштабное использование антибиотических препаратов в аквакультуре для лечения бактериальных инфекций сопряжено с возрастающими ограничениями, обусловленными распространением антибио-тикорезистентности среди патогенных микроорганизмов и негативным воздействием на экологическое состояние водных экосистем. Биотехнологические подходы, основанные на механизмах Quorum Quenching (QQ), представляют собой альтернативную целенаправленную стратегию контроля заболеваний, потенциально лишенную риска селекции резистентных штаммов. Экспериментальные данные in vitro и in vivo подтверждают эффективность QQ-пробиотиков в снижении вирулентности ряда патогенов, представляющих угрозу для аквакультурных систем. Использование QQ-пробиотиков в качестве кормовых добавок демонстрирует позитивное влияние на физиологическое состояние и повышение устойчивости культивируемых видов животных к бактериальным инфекциям. Вместе с тем, несмотря на обнадеживающие результаты, на сегодняшний день недостаточно данных для всесторонней оценки эффективности и безопасности применения QQ-пробиотиков на различных объектах аквакультуры, в том числе в отношении их воздействия на состав и функциональную активность микробных сообществ, ассоциированных с культивируемыми видами животных и окружающей средой. В связи с этим приоритетным направлением дальнейших исследований становится проведение масштабных испытаний эффективности QQ-пробиотиков в реальных производственных условиях.
ФГБУ ВО Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова,