Оценка влияния пищевых биоэкспрессоров на биологические системы на примере инфузорий Tetrahymena pyriformis и Paramecium caudatum

Развитие технологий в мире диктует необходимость адаптации к новым факторам воздействия на биологическую среду обитания, в том числе на человека, как элемент ноосферы. Ключевым фактором поддержания гомеостаза человека является система его обеспечения продовольственными ресурсами. Система продовольственного обеспечения должна иметь тенденцию к своему оптимальному состоянию, соответствующему физиологическим потребностям каждого человека. На этапе трансформации экономического уклада в мировой экономике развитие производительных сил в области формирования продовольственных ресурсов требует разработки системы продовольственного обеспечения человека, адекватной происходящим изменениям. Такая система должна быть разработана на основе учета групповых и персонализированных особенностей пищевого статуса потребителей. Теоретической основой внедрения такой инновационной системы продовольственного обеспечения является теория «проактивного питания», формируемая в развитие теории адекватного и оптимального питания. Базовым элементом теории проактивного питания является необходимость учета эпигенетического воздействия макро-, микро- и минорных нутриентов на гомеостаз человека. В соответствии с этой теорией нутриенты, используемые в применимых концентрациях и оказывающие стимулирующие воздействие на биологические системы, позиционируются как биоэкспрессоры, а оказывающие угнетающее влияние – как ксенобиотики. Для решения практических задач в области разработки продуктов и рационов персонализированного питания необходимо иметь возможность численной оценки биологического потенциала биоэкспрессоров и ксенобиотиков. С учетом подобия биологических процессов, обеспечивающих гомеостаз живых организмов различного иерархического уровня, можно с высокой достоверностью переносить на человека результаты численной оценки биологического воздействия нутриентов на формы жизни более низкого уровня трофологической цепи. С этой целью были проведены эксперименты по оценке биологического влияния пищевых минорных нутриентов на изменение фенотипических характристик инфузорий. В качестве тест-систем были выбраны 2 вида инфузорий: Tetrahymena pyriformis и Paramecium caudatum. Эти виды значительно отличаются между собой в проявлении фенотипических реакций на факторы воздействия окружающей среды, что позволяет получить более объемные сведения по эффективности воздействия на объекты живой природы пищевых биоэкспрессоров. В качестве биоэкспрессоров в работе использовали минорные нутриенты карнозин, селеновит, коэнзим Q10 (убихинон), кверцетин и ресвератрол в концентрациях, соответствующих адекватной норме суточного их потребления человеком. Эксперимент по влиянию различных концентраций выбранных биоэкспрессоров на фенотипические показатели инфузорий выявил эффекты стимулирования роста популяции инфузорий, изменения их экстерьера, подвижности. Выявлен феномен восстановления в присутствии отдельных биоэкспрессоров жизнедеятельности инфузорий после стабилизации их в летальных концентрациях йодидом калия («эффект реанимации»). По результатам мониторинга широкого спектра фенотипических признаков инфузорий после воздействия на них биоэкспрессоров разработан ряд численных индексов физиологической эффективности биоэкспрессоров. Для возможности консолидированной оценки биологического воздействия биоэкспрессоров предложен интегральный показатель – индекс витальности. Получены графические зависимости показателей фенотипической активности инфузорий от вида и концентрации биоэкспрессоров. На основании интегрального учета широкого спектра фенотипических показателей проведена кластеризация примененных концентраций биоэкспрессоров. Кластеризация позволила выбрать эффективный диапазон концентрации, обеспечивающий наиболее значимый физиологический эффект от воздействия биоэкспрессоров. Разработанная методика может быть рекомендована для использования эффектов эпигенетического стимулирования биологических процессов в живых организмах различного иерархического уровня, в том числе и человека. The development of technologies in the world dictates the need to adapt to new factors affecting the biological environment and, in particular, to humans as an element of the noosphere. The key factor in maintaining human homeostasis is the system of providing food resources. At the stage of economic system transformation, the development of productive forces in the field of food resource formation requires the development of a food provision system that is adequate to the ongoing changes. This system should be based on the consideration of the group and personalized characteristics of consumers' nutritional status. The theoretical basis for the implementation of such an innovative food supply system is the theory of «proactive nutrition», which is being developed in the context of the theory of adequate and optimal nutrition. The basic element of the theory of pro-active nutrition is the need to take into account the epigenetic effects of macro, micro, and minor nutrients on the homeostasis of the human body. Nutrients that are used in applicable concentrations and have a stimulating effect on biological systems are positioned as bio-expressors, while those that have an inhibitory effect are classified as xenobiotics. To address practical challenges in the development of personalized nutrition products and diets, it is necessary to have the ability to numerically assess the biological potential of bio-expressors and xenobiotics. Taking into account the similarity of biological processes that ensure the homeostasis of living organisms at different hierarchical levels, it is possible to transfer the results of numerical assessment of the biological effects of nutrients on lower-level life forms to humans with a high degree of accuracy. For this purpose, experiments were conducted to assess the biological effect of food minor nutrients on the change in the phenotypic characteristics of ciliates. Two species of ciliates were chosen as test systems: Tetrahymena pyriformis and Paramecium caudatum. These species exhibit significant differences in their phenotypic responses to environmental factors, providing valuable insights into the effectiveness of food bio-expressants on living organisms. Minor nutrients carnosine, selenovit, coenzyme Q, quercetin, and resveratrol were used as bio-expressors in concentrations corresponding to the adequate daily human intake. The experiment on the effect of different concentrations of selected bio-expressors on the phenotypic indicators of ciliates revealed the effects of stimulating the growth of the ciliate population, changing their exterior, and mobility. The phenomenon of recovery in the presence of individual bioexpressors of vital activity of ciliates after their stabilization in lethal concentrations with potassium iodide ("resuscitation effect") has been revealed. Based on the results of monitoring a wide range of phenotypic signs of ciliates after exposure to bioexpressors, a number of numerical indices of the physiological effectiveness of bioexpressors have been developed. An integral indicator, the Vitality Index, is proposed for the possibility of a consolidated assessment of the biological effects of bioexpressors. Graphical dependences of indicators of phenotypic transformation of ciliates on the type and concentration of bioexpressors are obtained. Based on the integrated accounting of a wide range of phenotypic indicators, clustering of the applied concentrations of bioexpressors was carried out. Clustering made it possible to select an effective concentration range that provides the most significant physiological effect from exposure to bioexpressors. The developed methodology can be recommended for using the effects of epigenetic stimulation of biological processes in living organisms of various hierarchical levels, including humans.

Hali tarjima qilinmagan