Біологічні науки / 6. Мікробіологія

Кащик О.О., Воронкова О.С., Вінніков А.І.

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара

СТРУКТУРА ТА ФУНКЦІЇ БІОПЛІВКИ

Вступ

На сьогоднішній день відомо, що більшість бактерій існують в природі не у виді вільно плаваючих клітин, а у вигляді специфічно організованих структур – біоплівок. Причому самі бактерії становлять лише 5-35% маси біоплівки, інша частина – це міжклітинний матрикс. Така форма існування дає бактеріям масу переваг в умовах впливу несприятливих факторів зовнішнього середовища та організму-господаря.

Бактерії у біоплівці більш стійкі до впливу несприятливих чинників фізичної, хімічної та біологічної природи. В порівнянні з вільно плаваючими бактеріями вони виявилися дуже стійкими до впливу ультрафіолетового випромінювання, дегідратації, вірусів, антибіотиків і факторів імунного захисту [4, 9].

Метою роботи було зробити теоретичний аналіз відомостей про біоплівку з джерел.

Поняття біоплівки та її структура

Біоплівка (Biofilm) – складне (найчастіше мультивидове) угруповання мікроорганізмів, що характеризується виділенням позаклітинного матриксу, який утримує мікроорганізми разом, виконує захисні функції та допомагає прикріплятися до поверхонь. Біоплівки також звичайно характеризуються прикріпленням до твердої поверхні, структурною різнорідністю значним генетичним різноманіттям, складними взаємодіями в межах угрупування [10].

Термін «біоплівка» визначається по-різному, але в цілому можна сказати, що біоплівка – володіюче просторовою та метаболічною структурою співтовариство (колонія) мікроорганізмів, розташованих на поверхні розділу середовищ і занурених у позаклітинний полімерний матрикс. Зазвичай біоплівки утворюються в контакті з рідинами при наявності необхідних для росту речовин. Поверхня, до якої прикріплена біоплівка, може бути як неживою (камені), так і поверхнею живого організму (стінки кишечника, зуби). Вважається, що 95-99% всіх мікроорганізмів в природному середовищі існує у виді біоплівки [9].

Виділяють п'ять стадій розвитку біоплівки (рис. 1).

Рис. 1 Стадії розвитку біоплівки:

1 – проникнення в середовище; 2 – адгезія до поверхні; 3 - 4 – ріст і дозрівання; 5 – дисперсія [D. Davis].

Спочатку відбувається первинне прикріплення мікроорганізмів до поверхні (адгезія, сорбція) з навколишнього середовища (зазвичай рідини). Ця стадія оборотна. Остаточне (необоротне) прикріплення, інакше зване фіксацією є наступним етапом. На цій стадії мікроби виділяють позаклітинні полімери, що забезпечують міцну адгезію. Дозрівання відбувається після того, як клітини щільно прикріпилися до поверхні. Перші прикріпленні клітини полегшують прикріплення наступних, позаклітинний матрикс утримує разом всю колонію. Накопичуються поживні речовини, клітини починають ділитися. Утворена зріла біоплівка змінює свій розмір і форму. Позаклітинний матрикс служить захистом клітин від зовнішніх загроз.

Коли плівка сягає критичної маси, то починається дисперсія – поширення з неї клітин. В результаті поділу від біоплівки періодично відриваються окремі клітини, здатні через деякий час прикріпитися до поверхні і утворити нову колонію [3].

У структурі біоплівки бактерії становлять менше половини маси, інша частина – міжклітинний матрикс, який найчастіше складається з екзополісахариду (для P. aeruginosa – альгінат). Матрикс пронизаний каналами, по яких циркулюють живильні речовини, продукти життєдіяльності, ферменти, метаболіти і кисень. Всі мікроколонії мають свої мікросередовища, що відрізняються рівнями рН, рівнем засвоєння поживних речовин, концентраціями кисню [7].

Функціональні особливості біоплівки

Екстрацелюлярний матрикс, що складається з екзополісахаридів, які виділяються мікробами, здійснює важливі функції у життєдіяльності біоплівки, займає близько 85% маси біоплівки. Він є потужним біологічним клеєм, за допомогою якого біоплівка міцно прикріплюється до поверхні. Біоплівка пов'язує клітини, органічні й неорганічні субстрати, підвищує адгезію бактерій до епітелію і будь-яких поверхонь (живого і неживого походження), знижує ефективність антибактеріальної терапії, допомагає виживати бактеріям у мінливому зовнішньому середовищі [2, 9].

Зовнішній слизовий шар виробляється одразу після адгезії і включає ліпополісахариди, протеоглікани, глікопротеїди, ендополісахаріди, аналогічні речовини клітинної стінки, глікокаліксу і капсул бактерій. Прикладом захисної функції полімерної плівки є виживання сальмонел при хлоруванні, що доводить стійкість біоплівки до даного способу дезінфекції.

Усередині біоплівки створюються унікальні умови з точки зору взаємодії між мікроорганізмами: близький контакт дозволяє різко посилити обмін генетичною інформацією, що, відповідно, веде до утворення резистентних штамів мікроорганізмів, яке відбувається набагато швидше, ніж у мікроорганізмів, що знаходяться у формі планктону [8].

Всередині біоплівки бактерії відрізняютья організованістю і функціонують як єдине ціле. Зміна в поведінці викликається багатьма чинниками, зокрема відчуттям кворуму, також як і іншими механізмами, які залежать від клітини та довкілля. Бактерії в біоплівці взаємодіють між собою за допомогою хімічних сигналів. Коли клітина змінює тип поведінки, вона проходить через зміни фенотипу, що досягаеться шляхом підвищення або зменшення рівня експресії ряду генів. Клітини біоплівки, що мають змінений фенотип, характеризуються іншими параметрами росту та експресією специфічних генів [7]. Сигнальні молекули викликають зміну в поведінці мікроколоній і впливають на швидкість розмноження мікробів і прояв тих чи інших фенотипових властивостей [4]. Всередині біоплівки виникають складні харчові ланцюжки, де продукти життєдіяльності одних мікроорганізмів є основою для існування інших.

Крім того, мікроорганізми, що входять до складу біоплівок, здійснюють численні метаболічні реакції, залучаючись в процеси синтезу і деградації як сполук утворених в організмі господаря, так і чужорідних субстанцій, беруть участь в процесах розпізнавання, абсорбції та транслокації як корисних, так і потенційно шкідливих агентів [1, 2, 5].

Перевага колективного реагування має і негативну сторону. Бактерії в біоплівках мають підвищену виживаність у присутності агресивних речовин, факторів імунного захисту та антибіотиків.

Механізми збільшення стійкості бактерій до антибіотиків в біоплівках обумовлені рядом факторів:

1. Обмеження проникнення антибіотиків через біоплівки.

2. Обмеження харчування і змінене мікросередовище у біоплівці призводять до зменшення швидкості поділу бактерій, внаслідок чого залишається менше мішеней для дії антибіотиків.

3. Адаптивні реакції.

4. Підвищена генна мінливість у персистуючих у біоплівці бактерій.

Зараз йде інтенсивне вивчення причин і механізмів підвищеної стійкості до антибіотиків у бактерій біоплівок. Відомо, що резистентність до антибіотиків у плівці може зростати у 100-1000 разів порівняно із планктоним станом. Встановлено, що в основі підвищеної виживаності лежать як властивості клітин, так і позаклітинного матриксу [6].

Заключення

Біоплівки поширені повсюдно. Майже всі види мікроорганізмів, не тільки бактерії і археї мають механізми, за допомогою яких вони можуть осідати на поверхні, щільно одна до одної з утворенням біоплівки. Процес формування біоплівки починається з первинної адгезії клітин на поверхні, їх розмноження, регулювання росту та метаболічних особливостей. Під час розвитку біоплівки від неї відокремлюються нові клітини, що адгезуються на інших ділянках поверхні, утворюючи нові конгломерати.

Для бактерій у складі біоплівки характерне підвищення стійкісті до антибіотиків та механізмів вродженого імунного захисту, таких як антимікробні пептиди (АМП) та нейтрофільний фагоцитоз.

Функціональні можливості біоплівки змінюються під впливом генетичного регулювання метаболічних функцій. Відомо, що це розгалудження систем регуляції генетичного апарату мікроорганізмів, яка реагує на низькомолекулярні індуктори, продуковані клітинами конгломерату. Ця система дуже складна і потребує додаткового розширеного вивчення.

Література:

1. Тец В.В. Бактериальные сообщества. В кн.: Клеточные сообщества / В.В. Теца, – Санкт-Петербург: СПбГМУ, 1998. – С. 15-73.

2. Costerton J.W. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections / J.W. Costerton, P.S. Stewart // Greenberg Science. – 1999. – Vol. 284. – P. 1318-22.

3. Costerton W. The application of biofilm science to the study and control of chronic bacterial infections / W. Costerton, R. Veeh, M. Shirtliff // Clin. Invest. – 2003. – Vol. 112. – P. 1466-77.

4. Debra W. Biofilm Formation and Dispersal under the Influence of the Global Regulator CsrA of Escherichia coli / W. Debra // Journal of Bacteriology. – 2002. – Vol. 184 (1). – P. 290-301.12. Hunt S.M. Hypothesis for the role of nutrient starvation in biofilm detachment / S.M. Hunt // Appl Environ Microbiol. – 2004. – №70. – P. 7418-25.

5. O’Toolе G.A. Biofilm formation as microbial development / G.A. O’Toolе, H.B. Kaplan, R. Kolter // Ann Rev Microbiol. – 2000. – Vol. 54. – P. 49-79.

6. Ryder M.A. Catheter-Related Infections: it's all about biofilm / M.A. Ryder // Topics in Advanced Practice Nursinge Journal. – 2005. – Vol. 5 (3). – P. 77-99.

7. Tetz V.V. The effect of antimicrobial agents and mutagen on bacterial cells in colonies / V.V. Tetz. – J.: Med Microbiol: Lett., 1996. – P. 426-36.

8. Trautner B.W. Role of biofilm in catheter-associated urinary tract infection / B.W. Trautner, R.O. Darouiche // American Journal of Infection Control. – 2004. – Vol. 32. – P. 177-83.

9. Watnick P. Biofilm, city of microbes / P. Watnick, R. Kolter – J.: Bacteriol, 2000. – P. 2675-9

10. Wolcott R.D. Biofilm / R.D. Wolcott, G.D. Ehrlich // JAMA. – 2008. – Vol. 299. – 2682 p.