Влияние биотических и абиотических факторов на биопленкообразование бактерий

В обзоре рассмотрено влияние факторов абиотической и биотической природы на процесс биопленко­образования у микробов. Приведены примеры взаимовыгодного существования в биопленочном сообществе микроорганизмов, принадлежащих к разным таксонам. Целью обзора является анализ перспективных направлений борьбы с микробными биопленками на биотических поверхностях, являющихся альтернативными и/или дополняющими традиционные методы антимикробной терапии.

В настоящее время благодаря развитию микроскопической техники (конфокального сканирующего лазерного микроскопа и атомно-силового микроскопа) известно, что более 99% бактерий существуют в природных экосистемах не в виде свободно плавающих клеток, а в виде прикрепленных к субстрату биопленок (Biofilms) [1]. Образование и функционирование биопленок являются примером сложного социального поведения бактерий, регулируемого и управляемого как сигналами из внешней среды (абиотической и биотической природы), так и межклеточными связями. Развитие биопленочных сообществ – одна из основных стратегий выживания микроорганизмов как в окружающей среде, так и в организмах человека и животных [2–4]. В составе биопленки бактерии приобретают качественно новые свойства по сравнению с планктонными микроорганизмами. Биопленочные микрорганизмы оказываются защищеными от неблагоприятных факторов физической, химической, биологической природы, к которым относятся температурное воздействие, высушивание, ультрафиолетовое излучение, антибиотики, дезинфектанты, гуморальные и клеточные факторы защиты макроорганизмов. Поэтому в последние годы новой стратегией в лечении инфекций, ассоциированных с биопленками, стал поиск средств, тем или иным способом разрушающих биопленки бактерий.

Часть 1. Абиотические и биотические факторы, способствующие образованию биопленок

Согласно современным представлениям, биопленка – это непрерывный мультислой бактериальных клеток, прикрепленный к поверхности раздела фаз и друг к другу и заключенных в биополимерный матрикс [5]. Такие бактериальные сообщества могут быть образованы бактериями одного или нескольких видов, состоять как из активно функционирующих, так и из покоящихся или некультивируемых форм. Морфологическая дифференциация сообщества происходит в ответ на действие таких факторов внешней среды, как изменение температуры, рН среды, осмолярности и сопровождается изменением метаболизма. Межклеточное взаимодействие в биопленке осуществляются при участии регуляторного механизма, названного «чувство кворума» (quorum sensing – QS) [6–9]. Обмен информацией происходит с помощью специализированных химических сигнальных молекул, благодаря которым микробное сообщество действует как единый организм, демонстрируя изменение фенотипа, выражающееся в изменении роста и экспрессии специфичных генов.

В формировании биопленок выделяют несколько фаз: адгезия, колонизация, созревание, дисперсия [10]. В общем виде последовательность событий выглядит следующим образом: начальное прикрепление к поверхности, образование монослоя, движение по поверхности с образованием микроколоний, созревание биопленки и формирование трехмерной структуры. Дисперсия характеризуется периодическим отрывом от биопленки отдельных клеток, способных через некоторое время прикрепиться к поверхности и образовать новую колонию. С помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии показано, что биопленки являются гетерогенными во времени и пространстве структурами. Клетки в слизистом матриксе располагаются определенным образом в виде грибоподобных, столбоподобных образований, заключенных в экзополисахаридный слой, что позволяет поддерживать концентрацию питательных веществ, необходимых для роста популяции, а также служит защитой клеток от дегидратации, гуморальных и клеточных факторов резистентности макроорганизма [11]. Матрикс разделен каналами, наполненными водой, полостями и пустотами, обеспечивающими распространение питательных веществ и обмен продуктами метаболизма с окружающей средой.

На процесс биопленкообразования у микробов оказывают влияние абиотические (температура, высушивание, ультрафиолетовое излучение, химические вещества различной природы и т. д.) и биотические (взаимодействие с другими биологическими объектами) факторы, обладающие как стимулирующим, так и угнетающим эффектом.

Биопленки как «фиксированная» форма существования микроорганизмов в окружающей среде известны давно (В.Н. Сукачев, 1947). Патогенные и условно-патогенные бактерии, такие как холерные вибрионы, легионеллы, листерии, кампилобактеры, клебсиеллы, сальмонеллы, псевдомонады, основной средой обитания которых являются почвы и водоемы, прикрепляются к почвенным частицам или существуют в различных ассоциациях с водорослями, ризосферой растений, простейшими, ракообразными и другими организмами. Изучение экологических закономерностей формирования биопленок дает возможность выявить роль абиотических и биотических факторов в реализации данной стратегии существования микроорганизмов в природе.

Рассмотрим основные типы взаимоотношений (прежде всего трофических), возникающие между компонентами ассоциаций в биопленочном сообществе. В работах многих исследователей [5, 9, 12, 13] было показано, что биопленки, состоящие из микроорганизмов разных таксонов, прочнее и толще, чем биопленки, сформированные представителями одного вида. Взаимодействие происходит, вероятно, на стадии формирования внеклеточного матрикса. В «зрелых» биопленках, в отличие от планктонных...

Голошва Е.В.