Структурно-функциональные особенности биопленок бактерий

Прогрессу в понимании феномена биопленок способствовало совершенствование техники микроскопирования и особенно применение конфокального сканирующего лазерного микроскопа, позволившего проводить изучение ультраструктуры живых биопленок, а также исследования, связанные с определением экспрессии генов, ответственных за различные стадии развития биопленок и их регуляцию при переходе от планктонного образа жизни к биопленочному.

         Биопленки имеют сложную архитектуру - они заключены в экзополимерный матрикс, содержат каналы, наполненные жидкостью, через которые происходит приток питательных веществ и кислорода и выведение продуктов метаболизма бактерий. Основным компонентом матрикса являются экзополисахариды (ЭПС); матрикс содержит также белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества; состав матрикса различен у бактерий разных таксономических групп.

Каналы в матриксе создают своеобразную проводящую систему, по которой перемещаются вещества по градиентам концентрации, по ним также могут мигрировать бактерии. Важнейшей функцией матрикса, помимо каркасной, обеспечивающей стабильность биопленки, является защитная. Показано, что матрикс защищает бактерии в биопленке от антибактериальных препаратов, а также от неблагоприятных воздействий внешней среды (pH среды, осмотический шок, высыхание, УФ-облучение, фагоцитоз, факторы иммунной защиты организма и т.п.). ЭПС сорбирует металлы и минералы, растворенные органические вещества, концентрирует ферменты и ростовые факторы. Сложная архитектура биопленок обеспечивает возможность метаболической кооперации клеток внутри пространственно хорошо организованных систем, создает условия, благоприятствующие установлению симбиотических взаимоотношений между бактериями разных видов, передаче сигналов, влияющих на экспрессию генов в популяции бактерий. В связи с этим биопленки бактерий часто рассматриваются как функциональный аналог многоклеточного организма.

 

Стадии формирования биопленок

 

Выделяют несколько последовательных этапов образования биопленок: Первая стадия - начало развития биопленок – это переход бактерий от планктонного способа существования к другому, связанному с прикреплением клеток к биотической или абиотической поверхности. Прикрепление возможно только у подвижных бактериальных клеток. Мутанты, дефектные по подвижности, неспособны к формированию биопленки. У бактерий известно несколько типов миграции клеток по поверхности сред. Так, с помощью жгутиков осуществляется плавание (swimming) и роение (swarming), а дергающаяся подвижность (twitching motility) обеспечивается пилями IV типа. Первичный контакт планктонно плавающей (неприкрепленной) бактерии и поверхности среды происходит либо случайно (например, при пассивной миграции клеток с током жидкости), либо вследствие направленного движения, обусловленного хемотаксисом. Стадия первичной адгезии занимает несколько секунд, является обратимой и зависит от неспецифических физико-химических механизмов взаимодействия (гидрофобные и электростатические силы, стерическое соответствие молекул и т.д.) между поверхностными структурами микроорганизма и самого субстрата.

Вторая стадия адгезии характеризуется необратимым связыванием бактериальных клеток с поверхностью при помощи специфических молекул – адгезинов. Важную роль на этом этапе играют такие клеточные структуры, как фимбрии (пили), жгутики, поверхностные белки, липополисахариды.

У бактерий в биопленках изменяется экспрессия почти 40 % бактериальных генов, участвующих в процессах мембранного транспорта, секреции, синтеза фосфолипидов и липополисахарида, регуляции генов. При этом может происходить как активирование экспрессии указанных генов, так и их репрессия. На второй стадии образования биопленок формируются микроколонии. Происходит агрегация клеток, прикрепившихся ранее к твердой поверхности, бактерии теряют подвижность, некоторые из них слипаются друг с другом, начинают выделять полимеры, формируя внеклеточный полимерный матрикс, и образуют многоклеточный слой. При достижении определенной толщины слоя клеток наступает следующая стадия – стадия созревания биопленки.

На стадии созревания биопленок в результате деления клеток возникают компактные микроколонии, объединенные внеклеточным полимерным матриксом. Микроколонии постепенно увеличиваются в размерах и объединяются с образованием макроколоний. Одновременно с увеличением толщины биопленки формируются ее специфические структуры - полости, выросты, поры и каналы. Возможность роста любой биопленки ограничена доступностью питательных веществ и кислорода, проникновением их в различные слои биопленки, эффективностью удаления метаболических отходов, рН среды, осмолярностью и т.д.

Последней стадией является стадия дисперсии биопленки: в определенный момент времени биопленка достигает критической массы, возникает динамическое равновесие, при этом от наружных слоев биопленки начинают открепляться клетки, способные покидать биопленку и колонизировать другие поверхности, чтобы повторить цикл. Этот процесс имеет большое значение, так как приводит к распространению, расширению инфекции, захвату патогенными бактериями новых мест обитания. В разрушении биопленки принимают участие собственные поверхностно-активные вещества бактерий, ферменты альгинатлиаза и другие полисахаридлиазы. Открепление бактерий от биопленки может быть обусловлено как внешними (движение жидкости), так и внутренними (энзиматическая деградация) причинами. По данным ряда исследований, планктонные клетки, потерявшие связь с биопленкой, представляют большую опасность в связи с приобретением новых свойств, включая устойчивость к антибиотикам.

 

 

 

 

 

Подготовила:

врач-отоларинголог УЗ «6-я ЦРКП» Мельникова А.И.