Эпидемиология и Инфекционные болезни. Актуальные вопросы №2 / 2017

Влияние биотических и абиотических факторов на биопленкообразование бактерий

17 мая 2017

1ФБУН «Ростовский научно-иследовательский институт микробиологии и паразитологии» Роспотребнадзора, Ростов-на-Дону, Россия;
2Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Ростов-на-Дону, Россия

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.
Статья платная, чтобы прочесть ее полностью, вам необходимо произвести покупку
Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.