В повседневной жизни мы не придаем значения микроорганизмам, которые нас окружают. Огромное количество бактерий, вирусов, простейших населяет почву, воду, обитает в воздухе, живет внутри человека и животных. Человек живет на территории микромира или это они у нас в гостях? Без полезных бактерий было бы невозможно существование человека, но и тяжелых инфекционных заболеваний, возможно, тоже не было бы. Люди изобрели сильнодействующие вещества для борьбы с микроорганизмами, однако, появляются все новые виды бактерий [3]. Что же помогает выжить в микроскопическом мире? Почему на протяжении длительного времени микробы сопровождают человека, животных и растения. Почему образуются устойчивые к внешним воздействиям штаммы бактерий? Как передается резистентность от одного микроба к другому.
Интересен тот факт, что микроорганизмы существуют не изолированно, а в форме организованных сообществ — биопленок (biofilm). В состав биопленки могут входить несколько видов бактерий, простейшие, грибы, водоросли, которые успешно взаимодействуют между собой. Микроорганизмы находятся во внеклеточном полимерном веществе — внеклеточном матриксе, чаще всего представляющем собой слизь, при этом сами бактерии составляют примерно 5–25 % от общей массы биопленки. Обычно биопленки образуются на границе сред (жидкость — жидкость, жидкость- воздух, жидкость- твердое вещество). Прикрепиться бактерии могут как к неживой (камни, дерево), так и к живой субстанции (эпителий желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, поверхность зубов, кожи). Биопленки обладают «коллективным интеллектом», что позволяет им успешно противостоять воздействию антибиотиков, высоких температур, ультрафиолетовому излучению, радиации, дегидратации, вирусам, фагоцитозу, изменению рН среды [2,6]. Микробы в составе биопленки способны оценить поверхность (клеточное распознавание), наличие или отсутствие питательных веществ, кислорода, сероводорода. В природе биопленки нужны микробному миру для того, чтобы адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды, они выполняют защитную роль, участвуют в синтезе белков, полисахаридов, гликопротеидов.
В развитии и формировании биопленки существует несколько этапов [4,5].
1. Адгезия — прикрепление отдельных микробных клеток к поверхности из окружающей среды. Хорошо прикрепиться могут только здоровые клетки. Бактерии с дефектами, мутанты не способны образовывать микробное сообщество. Эта стадия длится несколько секунд и отличается обратимостью.
2. Фиксация — в это время начинают активно работать клеточные структуры: жгутики, фимбрии, пили, с их помощью бактерии взаимодействуют с субстратом и друг с другом, синтезируя полимеры. На этом этапе происходит прочная адгезия, формируется многоклеточный слой, процесс необратим.
3. Созревание — первые одиночные клетки способствуют прикреплению новых клеток, структура укрепляется с помощью внеклеточного матрикса, начинается деление. Микроколонии постепенно превращаются в макроколонии. В них появляются особые структуры биопленки — поры, каналы, полости.
4. Рост — на этом этапе биопленка способна изменять размеры, форму, объем занимаемой территории, а внеклеточный матрикс служит надежной защитой от неблагоприятных внешних условий.
5. Дисперсия — от биопленки время от времени происходит отщепление бактерий, которые способны прикрепиться к поверхности и стать родоначальниками новых колоний. Клетки, которые покидают колонии, сохраняют приобретенные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
Известно, что для биопленок характерен феномен кворумной сигнализации (Qvorum Sensis), который координирует экспрессию генов в зависимости от внешних условий. Часто биопленки ассоциируют как функциональный аналог многоклеточного организма. Каким образом предается сигнал от одной микробной клетки к другим до конца не известно. Возможно, связь между бактериями осуществляется с помощью электрического импульса (вероятно, подобного нервному), биохимических реакций или путем активизации сигнальных молекул. Сообщество микроорганизмов образует единую генетическую систему в форме плазмид-кольцевых ДНК, контролирующих поведенческий код и определяющих пищевые, мутационные, энергетические связи между собой и внешним миром. При этом бактерии получают преимущества, которые не может иметь одиночная клетка. Такая уникальная организация микробного сообщества позволяет обеспечить стабильность системы и является основой для противостояния неблагоприятным факторам внешней среды. Микробные инфекции человека, животных и растений сопровождаются формированием биопленок. Они препятствуют нормальному иммунному ответу макроорганизма, подавляют активность макрофагов, тем самым, приводят к затяжному течению болезни, неэффективности антибактериальной терапии [5]. Установлено, что устойчивые бипленки образуют Gardnerella vaginalis, вызывающие развитие бактериального вагиноза [1], Актиномицеты, Спирохеты, Fusobacterium nucleatum, Synergistetes принимают участие в образовании зубного налета, появлении кариеса, пародонтоза, Staphylococcus aureus, ответственные за инфекции сердечных клапанов и суставных протезов, E. coli, участвующие в развитии инфекций мочевых путей, кокковая флора является частой причиной мастита у коров, агробактерии вызывают опухолеобразование у растений. Кроме того, образующиеся биопленки на трубопроводах, корпусах судов, различном технологическом оборудовании, приводят к быстрому износу конструкций и возможности переноса и распространения различных заболеваний людей, животных и растений.
Однако, не только болезнетворные микробы способны к формированию биопленок, но и полезные микроорганизмы так же образуют организованные сообщества. Например, полезная микрофлора кишечника ответственна за активность иммунитета, лактобактерии вагинальной среды препятствуют инфицированию плода во время нормально протекающей беременности. Кроме того, сапрофитные бактерии обладают способностью препятствовать адгезии и колонизации патогенных микроорганизмов. Это может оказать неоценимую помощь в борьбе с тяжелыми заболеваниями человека и животных.
В микромире действуют свои законы. Биопленки можно обратить на помощь человеку. Возможно сосуществовать с ними в полезном взаимодействии. Утилизация бытовых отходов, очищение воды и почвы, производство лекарств, витаминов, продуктов, биологическая борьба с фитопатогенами — это сферы возможного применения микробных сообществ.
Литература:
1. Березовская Е. С. Биопленки при бактериальном вагинозе //Акушерство, гинекология и репродукция. 2013; N2: с. 34–36.
2. Николаев Ю. А., Плакунов В. К., Биопленка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма? Микробиология, 76 (2), 2007, с.149–163.
3. Рябинкина Т. С., Маклецова С. А. Горизонты достоверности St. Praesens 2013 12; 2.
4. Biofilms: Discovery of a New Mechanism of Virus Propagation, ScienceDaily, 2010, Feb., 8.
5. Davies D. Understanding biofilm resistans to antibacterial agents. //Nat.Rev.Drug.Discov/ 2003; 2: 114–22.
6. Watnick P., Kolter R., Biofilm, city of microbes. //J. Bacteriol. 2000; 182: 1466–77.
