Биопленки представляют собой высокоорганизованные сообщества микробов
Основные положения:
- Известно, что большинство обитающих на Земле прокариот существует в форме организованных сообществ, называемых биопленками .
- Образование биопленки включает несколько этапов: формирование поверхности, рост и деление микроорганизмов, синтез полисахаридов, созревание и распространение биопленки.
- Микроорганизмы, входящие в биопленку, взаимодействуют между собой посредством систем quorum sensing .
Большая часть обитающих на Земле микробов существует в виде связанных между собой групп, включающих много видов, которые называются биопленки. Большинство поверхностей, которые находятся в условиях достаточной влажности и наличия питательных компонентов, могут поддерживать образование биопленки. Структурно, биопленки организованы в виде грибообразных микроколоний, которые пронизаны сложной системой водных каналов, обеспечивающих обитателей постоянным притоком питательных компонентов. Индивидуальные микроорганизмы в биопленке встроены в полисахаридную матрицу, играющую защитную роль. Образование сидячих (иммобилизованных) биопленок происходит при развитии многих заболеваний у человека, таких, например, как отит (инфекционное заболевание уха) и кистозный фиброз . Много дополнительных проблем создаст образование биопленок в постоянных катетерах, искусственных сердечных клапанах и в других подобных имплантантах.
Прикрепившиеся формы имеют ряд преимуществ над планктонным существованием. Во-первых, полимерная матрица окружающая биопленку, обладает адгезивными свойствами и помогает концентрировать углерод, азот, фосфор и другие питательные компоненты. В то же время микробы в биопленке хорошо защищены от антибиотиков, механических воздействий и защитных систем организма хозяина. Биопленки также подвергаются фрагментации, что обеспечивает распространение микробов на новые поверхности.
В основном образование биопленок исследовано в лабораторных условиях. Имеются существенные различия между биопленками, существующими в организме, и используемыми в большинстве исследований. Существующие в организме биопленки почти всегда содержат много разных видов микроорганизмов, в то время как в лабораторных условиях имеют дело с системами, состоящими из одного вида. В организме биопленки образуются практически на любых поверхностях структур из неорганических материалов, а в лабораторных условиях они почти всегда растут на поверхности пластика или стекла. Тем не менее лабораторные исследования дали много информации о сложности процесса формирования биопленок.
Образование биопленок Е. coli и Pseudomonas aeruginosa исследовали на мутантах, неспособных образовывать их на поверхности пластика. Эти исследования продемонстрировали ступенчатый механизм процесса формирования биопленки ( рис. 20.58 ). Этап начального контакта бактерий и их связывания с поверхностью обратим и происходит с участием жгутиков . Остается неясным, принимают жгутики непосредственное участие в адгезии или же обеспечивают подвижность, необходимую для прикрепления микроорганизмов к поверхности. После прикрепления образуется диффузный монослой клеток, который превращается в плотно упакованный слой, пронизанный микроколониями микробов. У P. aeruginosa образование микроколоний зависит от присутствия пилей типа IV . Эти пили обеспечивают "подергивание" клеток, способствующее взаимодействию их друг с другом. Поэтому пили типа IV способствуют созреванию биопленки, обеспечивая два процесса: межклеточные взаимодействия в растущей биопленке, и/или передвижение микробов в направлении растущей микроколонии. В результате роста микроколонии происходит формирование зрелой структуры биопленки, которая характеризуется наличием каналов, обеспечивающих доступ питательных компонентов к находящимся в ней микроорганизмам. Полимерные полисахариды скрепляют биопленку. Эти полисахариды также обеспечивают защиту от внешних воздействий, которые оказывают повреждающее действие на планктонные микробы . Зрелая биопленка представляет собой динамичную структуру, от которой все время отщепляются микроорганизмы. Этот процесс называется распространением или фрагментацией. Процесс может происходить по всему объему, в результате чего группа микроорганизмов открепляется от биопленки, но остается заключенной в защитную полсахаридную матрицу. Находясь в такой матрице, организмы остаются защищенными от внешних воздействий и, чтобы продолжить рост, могут присоединяться к соседним поверхностям. В то же время подвижные организмы, подобно планктонным, могут выходить из биопленки, не нарушая ее структуры. Такой метод распространения обеспечивает "ознакомительную" деятельность микробов, с тем чтобы найти в окружающей среде места для образования новых колоний и при этом не нарушить жизнь всего сообщества.
Биопленки представляют собой вершину организации прокариотических сообществ. Как и в любом сообществе, взаимодействие между отдельными его членами жизненно необходимо для успешного существования всей популяции. Прокариоты взаимодействуют друг с другом, секретируя сигнальные молекулы, которые узнаются соседями. Эти сигнальные молекулы, называемые аутоиндукторы , обеспечивают скоординированную экспрессию генов в группе микроорганизмов. Поскольку аутоиндукторы узнаются, только когда они присутствуют в относительно больших количествах, для того чтобы произошли изменения в экспрессии генов, необходимо сосредоточение большого количества микроорганизмов на небольшой площади. Поэтому регуляция экспрессии генов с участием аутоиндукторов называется quorum sensing . Описаны только три типа аутоиндукторов: система ацилгомосеринлактона (ацил-HSL) у грамотрицательных микроорганизмов, система аутоиндуктор-2 , у грамотрицательных и грамположительных, и пептидная система у грамположительных бактерий. Показано, что quorum sensing регулирует несколько процессов, протекающих с участием бактерий. У грамположительных бактерий они включают споруляцию Bacillus subtilis , конъюгацию Enterococcus faecalis , вирулентность Staphylococcus aureus , и инфекционность Streptococcus pneumoniae . У грамотрицательных микроорганизмов также много процессов регулируются по этому механизму: среди прочих свечение Vibrio fischeri ; вирулентность P. aeruginosa и образование корончатых галлов под действием Agrobacterium tumefaciens .
На рис. 20.59 представлена общая схема кворумного узнавания системы ацил-HSL. В этой системе фермент из семейства Luxl ацил-HSLсинтаз катализирует образование ацил-HSL . При низкой плотности клеток активации генов не происходит. Однако при превышении порогового уровня ацил-HSL регуляторы транскрипции семейства LuxR связывают аутоиндуктор, что приводит к активации транскрипции зависимых генов.
Индукторы HSL участвуют в образовании биопленок такими организмами, как P. aeruginosa и Streptococcus mutants . Штамм P. aeruginosa, несущий мутацию по гену lasI (гомологу гена luxI ), не продуцирует аутоиндуктор и не образует зрелой биопленки. Способность к формированию биопленки мутантными клетками восстанавливается после добавления к ним экзогенного гомосеринлактона . Микроорганизм Streptococcus mutans образует биопленки на поверхности зубной эмали и содержит гомолог гена luxS , который необходим для их правильного формирования. Однако quorum sensing не всегда обеспечивает образование биопленки. Например, у Vibrio cholera образование гомосеринлактона необходимо для эффективной фрагментации биопленки. Эти пути передачи сигнала предопределяют сам принцип коммуникативного поведения у бактерий.
Большинство исследований, направленных на выяснение молекулярных механизмов образования биопленок, находится еще на начальной стадии. Особого внимания заслуживают работы по анализу взаимоотношений между различными видами бактерий, находящихся в пределах одной биопленки. Согласно последним данным, бактериальные биопленки представляют собой часть естественной микрофлоры нашего кишечника, и могут играть важную роль в предупреждении колонизации органа патогенными микроорганизмами. В центре будущих исследований в этом направлении должны находиться существующие сложные взаимоотношения между организмами в пределах одной биопленки и между микроорганизмами, конкурирующими с ними за питательные ресурсы в той же самой нише.
Смотрите также:
