Биопленки, их строение, свойства, виды социальных реакций

Особую форму колониальной организации микроорганизмов представляют собой биопленки. Они представляют собой микроколонии, сформированные в слизистом матриксе и разделённые открытыми (часто заполняемыми водой) каналами - своего рода аналог примитивной "циркуляторной системы", доставляющей питательные субстраты и убирающей продукты метаболизма.

В колониях бактерии Alcaligenes sp. обнаружены поры и каналы, а также более специализированные структуры ("газовые баллоны"), окруженные своеобразной "мембраной" и содержащие внеклеточные гемопротеины. Предположительно, такие структуры способствуют транспорту О₂ к клеткам в колониях (агрегатах), т. е. речь идёт об аналоге дыхательной системы органов.

Продуцируемый микробами матрикс препятствует проникновению лекарственных средств, что повышает устойчивость бактерий к антибиотикам в десятки, а то и в сотни раз. В составе биопленки бактерии длительно сохраняются в организме хозяина и становятся устойчивыми к действию как гуморального, так и клеточного иммунитета. Поэтому наличие хронических инфекционных заболеваний определяется именно тем, что бактерии способны образовывать биопленки и, длительно персистируя, сохраняться в организме хозяина. Когда биопленки достигают определенного размера, от них начинают отрываться части, которые с помощью кровотока или по желудочно-кишечному тракту разносятся по организму. Происходит образование новых очагов роста биопленки (аналогия метастазирования злокачественных клеток).

Бактерии способны формировать биопленки не только на биологических поверхностях, но и на дереве, пластмассе, металле, например, при транспортировке нефти, на хирургическом инструментарии, эндоскопах, медицинском имплантируемом оборудовании (линзы, катетеры, искусственные клапаны сердца). С биопленками, образующимися на поверхностях стен, полов, кроватей, тесно связана и проблема внутрибольничных инфекций, поскольку ни УФО, ни дезсредства не помогают.

Иногда биопленки могут быть полезными, например, их применяют для обеззараживания отработанных и сточных вод. Нормальная микрофлора желудочно-кишечного тракта образует биопленки, которые хорошо и надежно защищают наши слизистые от повреждающих агентов.

В природе биопленки распространены повсеместно. Установлено, что свыше 95% существующих в природе бактерий находятся в биопленках. Они формируются в условиях текучести и только после достижения бактериями определенной плотности – от 1 до 10 млн в 1 мл. В этом случае бактерии выделяют высокоспецифичные сигнальные молекулы (автоиндукторы). Автоиндукторы посредством регуляторных белков экспрессируют гены, которые запускают синтез полисахаридов, образующих капсулы на поверхности этой бактериальной массы. В итоге образуется микробное сообщество, где ряд функций все типы клеток выполняют вместе, и в то же время происходит распределение обязанностей. В этом и состоит социальное поведение бактерий.

Могут формироваться и сложные сообщества, которые состоят из бактерий разных видов. В одну биопленку объединяются не только грамотрицательные и грамположительные микроорганизмы, но даже простейшие. В этих случаях работают те же принципы, только автоиндукторы имеют более широкую специфичность.

Пока препаратов, которые можно было рекомендовать к практическому использованию, не существует. Но есть понимание, как их создавать. Исходя из того, что ученые хорошо изучили механизмы формирования биопленок, сейчас активно идут поиски методов их разрушения. Это наиболее серьезный радикальный подход к лечению хронических инфекционных заболеваний. Других методов на сегодняшний день не существует: антибиотики бессильны, а остальные средства лишь симптоматические. Одно из возможных решений этой проблемы – поиск антипатогенных препаратов, которые, в отличие от антимикробных (вызывающих гибель или подавление роста бактерий), обладали бы способностью снижать или блокировать их вирулентность, в результате чего с инфекцией смогла бы справиться иммунная система организма. Мишенями таких антипатогенных лекарственных средств могут стать системы регуляции бактерий, контролирующие экспрессию факторов вирулентности. Открытие систем коммуникации бактерий (системы QS), контролирующих важные стадии инфекционных процессов, включая образование факторов вирулентности и биопленок, позволил вплотную подойти к этой цели. Используются разные стратегии, связанные с прерыванием цепи событий в процессе работы системы QS, включая подавление образования автоиндукторов, распространения и восприятия их сигналов. Появились сообщения о веществах, способных ингибировать синтез автоиндукторов. Например, для P.aeruginosa в качестве таких ингибиторов названы различные аналоги S-аденозилметионина, определенные макролидные антибиотики, применяемые в субминимальных концентрациях, эритромицин. Из окружающей среды выделены бактерии, способные вызывать деградацию молекул автоиндукторов или метаболизировать их.

Основные свойства биопленки:

Ø взаимодействующая общность разных типов микроорганизмов;

Ø микроорганизмы собраны в микроколонии;

Ø микроколонии окружены защитным матриксом;

Ø внутри микроколоний — различная среда;

Ø микроорганизмы имеют примитивную систему связи;

Ø микроорганизмы в биопленке устойчивы к антибиотикам, антимикробным средствам и реакции организма хозяина;

Ø бактерия в биопленке вырабатывает такие вещества, которые она не продуцирует, будучи в культуре;м

Ø икроорганизмы в биопленке ведут себя не так, как бактерии в культурной среде.

Схематическое изображение основных форм социального поведения микроорганизмов

Социальная жизнь микробов

В результате согласованного движения миллионов индивидуальных клеток колонии бактерии Paenibacillus dendritiformis могут образовывать на поверхности питательной среды удивительно сложные структуры. Вверху: общий вид колоний (размер каждой колонии - несколько сантиметров). Внизу: кончики отдельных ветвей колонии при большом увеличении (видны отдельные бактериальные клетки). Из статьи Eshel Ben-Jacob 'Bacterial Know How: From Physics to Cybernetics'

Бактерии проявляют различные формы социального поведения, способности к контактному и дистантному общению и формируют многоклеточные коллективы, структура которых во многом напоминает сообщества высших животных - а по некоторым свойствам сравнима даже с человеческим социумом. Изучение общественной жизни микробов помогает наладить диалог микробиологии с этологией (в том числе с социальной этологией и этологией человека).

Общественный образ жизни характерен не только для животных, но и для многих микроорганизмов - одноклеточных эукариот (простейших) и прокариот (бактерий). Изучение коллективных взаимодействий (социального поведения) и информационного обмена (коммуникации) у микробов в последние десятилетия стало одним из самых «модных» направлений в микробиологии (см. ссылки внизу).

В обзорной статье А. В. Олескина, сотрудника кафедры физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ, рассматриваются важнейшие факты, касающиеся общественной жизни микробов. Автор разделяет точку зрения С. Г. Смирнова, который еще в 1972 году ввел понятие «этология бактерий», о приложимости этологического подхода к изучению поведения микробов.

Координированное поведение клеток микроорганизмов проявляется в разных формах:

1) Афилиация - «взаимное притяжение» особей одного вида, группы, стремление «быть вместе». У одноклеточных это свойство проявляется часто в форме когезии - слипания клеток. Это явление характерно не только для микробов, но даже для клеток разных органов и тканей многоклеточных организмов. Например, «если культивируемые вне организма клетки печени и почек мыши смешать, то «подобное стремится к подобному», и в культуре появляются обособленные агрегаты печеночных и почечных клеток». Яркий пример афилиации у бактерий - коллективное образование плодовых тел (подробнее об этом см. в заметке «Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации», «Элементы», 25.05.06).

2) Кооперация - объединение особей для совместного выполнения той или иной задачи. Клетки многоклеточного организма демонстрируют множество примеров кооперации - собственно, сам многоклеточный организм есть не что иное, как результат кооперации множества клеток. У бактерий кооперация тоже широко распространена: например, миксобактерии способны к коллективному захвату и перевариванию пищевых частиц; нитчатые цианобактерии, образующие биопленки, при разрыве пленки активно движутся настречу друг другу в месте разрыва и быстро «зашивают» брешь. Известно много примеров совместного координированного движения множества бактериальных клеток (см.: Swarming motility).

3) Изоляция популяций друг от друга, отказ образовывать смешанные скопления - проявление избирательности афилиации. Это способствует структурированности и обособленности микробных социальных систем (см.: Расшифрован генетический механизм, позволяющий бактериям отличать «своих» от «чужих». «Элементы», 14.07.08).

4) Коллективная агрессия тоже встречается среди микробов. Например, некоторые бациллы вырабатывают антибиотики, превращающие клетки конкурирующих колоний в покоящиеся споры. «В результате данная колония обеспечивает себе монопольный доступ ко всем пищевым ресурсам» (см. также: «Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть». «Элементы», 27.02.06).

Многие микробы активно обмениваются друг с другом информацией. Для этого они используют разнообразные «каналы связи». А. В. Олескин выделяет три типа коммуникации у микробов:

1) Контактная коммуникация (обмен сигналами через межклеточные контакты, в том числе цитоплазматические мостики - плазмодесмы),

2) Дистантная химическая: обмен разнообразными сигнальными веществами - ауторегуляторами, аутоиндукторами, феромонами. При этом важную роль играет особый «демократический» механизм принятия коллективных решений, известный под названием «чувство кворума» (см.: Quorum sensing; система quorum sensing у светящейся морской бактерии Vibrio harveyi описана в заметке «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире. «Элементы», 2.04.09). У грамотрицательных бактерий феромонами часто служат ацилированные гомосеринлактоны, а у грамположительных - особые пептиды. Обе группы бактерий также используют для химического общения фураноны, которые, вероятно, могут служить не только для внутривидовой, но и для межвидовой коммуникации. Некоторые эукариоты в ходе эволюции научились имитировать прокариотические сигналы и выделять похожие вещества, чтобы сбить с толку своих прокариотических врагов (паразитов, конкурентов). Весьма интересно, что важную роль в микробной коммуникации играют также биогенные амины - вещества, которые у животных взяли на себя функции гормонов и нейромедиаторов: серотонин, норадреналин, дофамин, гистамин. Очевидно, при эволюционном становлении многоклеточных животных системы межорганизменного общения, имевшиеся у одноклеточных предков, легли в основу новых систем коммуникации между клетками и частями сложного организма.

3) Дистантная физическая: предполагаемый обмен информацией посредством электромагнитных и звуковых волн. Эта идея восходит к работам А. Г. Гурвича, но конкретных фактов, подверждающих существование такой коммуникации у микробов, пока крайне мало, и они нуждаются в дополнительной проверке.

По мнению автора, к организованным коллективам прокариот вполне приложимо понятие «биосоциальная система», которое автор определяет как «объединение особей, характеризующихся коммуникацией, афилиацией и кооперацией между ними». Подобно другим биосоциальным системам, микробные коллективы делятся на гомо- и гетеротипические (состоящие из особей одного или разных видов).

Структура биосоциальной системы может быть основана либо на иерархическом принципе (когда имеются лидеры, контролирующие поведение других индивидов), либо на сетевом (эгалитарные системы без явных лидеров), причем между этими крайностями существует весь спектр промежуточных вариантов. В микробных коллективах иерархический элемент или вовсе отсутствует, или его можно обнаружить лишь при очень большом желании (например, когда популяция подразделяется на две части, одна из которых позволяет другой себя съесть; см.: Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть. «Элементы», 27.02.06). В целом бактерии гораздо более склонны к формированию сетевых, а не иерархических структур. При этом «отсутствие единого управляющего центра не препятствует эффктивной координации социального поведения», что хорошо видно на примере систем quorum sensing. К важнейшим факторам, отвечающим за координацию поведения, А. В. Олескин относит межклеточные контакты, химические сигналы и межклеточный матрикс, выделяемый колониями многих микроорганизмов.

В микробных коллективах встречается также функциональная специализация особей, то есть своеобразное «разделение труда». Иногда в популяции микробов можно выделить различные кластеры, различающиеся скоростью роста и деления; кластеры активно делящихся и покоящихся клеток; кластеры «альтруистов», приносящих себя в жертву, и «каннибалов», которые этим беззастенчиво пользуются; микробная биопленка может содржать кластеры прочно адсорбированных к поверхности и неприкрепленных, «планктонных» клеток (см. также: Честные дрожжи и дрожжи-обманщики могут жить дружно, «Элементы», 20.04.09; Социальный конфликт среди дрожжей: трудяги и обманщики, «Элементы», 6.06.06). Яркий пример функциональной специализации у бактерий - формирование гетероцист некоторыми нитчатыми цианобактериями (о гетероцистах см. в заметке: Цианобактерии совмещают в одной клетке фотосинтез и фиксацию атмосферного азота, «Элементы», 1.02.06).

Ярким проявлением целостности микробных коллективов является формирование надорганизменных структур, то есть образований, не принадлежащих никакой из клеток в отдельности, но важных для жизни колонии как целого. Самым распростаненным типом таких структур у прокариот является уже упоминавшийся межклеточный матрикс. Он формируется в результате слияния наружных слоев индивидуальных клеточных оболочек. В состав матрикса могут входить различные полисахариды, гликопротеины, липоолигосахариды, пептиды и даже внеклеточные нити ДНК. Матрикс выполняет множество функций: структурообразующую (в том числе он может обеспечивать подразделение колоний на микроколонии), адгезивную (прикрепление колонии к субстрату), защитную (матрикс может защищать от высыхания, перепадов температуры, неблагоприятных химических воздействий, а также, в случае патогенных бактерий - от иммунной системы хозяина), коммуникативную (матрикс служит средой для распространения сигнальных веществ).

Кроме матрикса, многие микробные колонии и биопленки образуют и более сложные надорганизменные структуры. К ним можно отнести воздухоносные или заполненные жидкостью каналы в матриксе, которые представляют собой аналог дыхательной и циркуляторной систем.

Таким образом, бактерии могут образовывать весьма сложные многоклеточные комплексы, способные вести себя во многих отношениях как единое целое. Некоторые авторы даже приравнивают такие микробные сообщества к многоклеточным организмам. Но это, по-видимому, все-таки преувеличение. Например, у микробных коллективов есть нечто похожее на онтогенез (закономерный путь индивидуального развития колонии), но этот онтогенез гораздо сильнее зависит от факторов окружающей среды по сравнению с онтогенезом настоящих многоклеточных организмов. Возможно, правильнее рассматривать бактериальные коллективы (биопленки) не как многоклетотчные организмы, а как «город микробов» (Николаев, Плакунов, 2007).

А. В. Олескин справделиво отмечает, что «организмический подход» к популяциям микробов имеет однобокий характер. В действительности микробные коллективы как бы лежат в основании сразу двух линий биосоциальной эволюции. Одна из них ведет к клеткам и тканям внутри организма (тогда агенты микробной коммуникации сопоставимы с гормонами, а вся микробная колония - с многоклеточным организмом). Другая ведет к биосоциальным системам, построенным из целых многоклеточных организмов (в этом случае агенты микробной коммуникации можно уподобить феромонам, а микробную колонию сравнить с биосоциальной системой, скажем, муравьев)».

В заключительной части статьи А. В. Олескин размышляет о перспективах взаимодействия между микробиологией и этологией, а также социальными и гуманитарными науками (потому что в какой-то мере общественная жизнь микробов сопоставима не только с сообществами животных, но и с человеческим социумом).

О социальном поведении микробов см. также:

С. Г. Смирнов. Этология бактерий.

«Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире. «Элементы», 2.04.09

Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации. «Элементы», 25.05.06

Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть. «Элементы», 27.02.06.

Расшифрован генетический механизм, позволяющий бактериям отличать «своих» от «чужих». «Элементы», 14.07.08.

Микробиологи утверждают: многоклеточность - сплошное жульничество. «Элементы», 6.04.07.

Дата добавления: 2014-01-11