Биоплёнки

В природе микроорганизмы растут в основном в биопленках – сложных и динамичных экосистемах, которые образуют на различных поверхности от промышленных трубопроводов и водоочистных газопроводов до камней в руслах рек. Однако биопленки не ограничиваются твердыми субстратами. Практически любая поверхность в жидкой среде, содержащей некоторый минимальный набор питательных веществ, в конечном итоге обрастает биопленкой. Например, микробные коврики, которые плавают на воде, являются биопленками, которые содержат большие популяции фотосинтезирующих микроорганизмов. Биопленки в человеческом рту могут содержать сотни видов бактерий. Биоплёнки внутри биофильтра насчитывают до тысячи видов микроорганизмов. Вне зависимости от среды, в которой они образуются, биопленки не являются случайной коллекцией микроорганизмов; скорее, они высокоструктурированные сообщества, которые обеспечивают выгодой входящих в их состав микроорганизмов.

Наблюдения с помощью конфокальной микроскопии показали, что условия окружающей среды влияют на общую структуру биопленки. Нитевидные биопленки образуются в быстро текущей воде пресноводных турбулентных потоков. В ламинарной струе биоплёнки прикреплены к подложке субстрата с помощью «головы» и «хвоста» и располагаются по течению. В стоячей или медленно текущей воде биопленки в основном образуют грибообразную форму.  При изменении других условий окружающей среды, таких, например, как наличие или отсутствие питательных веществ, структура биопленки также может изменяться.

Подробные наблюдения биопленки под конфокальной лазерной и сканирующей электронной микроскопией показывают кластеры микроорганизмов, внедренных в полимерный межклеточный матрикс с вкраплениями открытых водопроводящих каналов. Матрикс состоит из внеклеточных полимерных веществ (EPS), секретируемых организмами биопленки. Внеклеточный матрикс представляет собой большую долю биопленки, что составляет 50% -90% от общей сухой массы. Свойства EPS варьируются в зависимости от резидентных организмов и условий окружающей среды.

EPS представляет собой гидратированный гель, состоящий в основном из полисахаридов и содержащие другие макромолекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Он ключевую роль в поддержании целостности и функций биопленки. Каналы в EPS позволяют осуществлять перемещение питательных веществ, отходов и газов внутри биопленки. Это позволяет сохранять клетки гидратированными, предотвращая высыхание. EPS также является защитой для организмов биопленки от хищничества других микробов или клеток (например простейших или белые кровяных клеток в организме человека).

Свободно плавающие микробные клетки, которые живут в водной среде, называются планктонными. Образование биопленки, по существу, заключается в присоединении планктонных клеток к подложке субстрата, где они становятся сидячими (прикрепленными к поверхности). Это происходит поэтапно, как показано на рисунке 1. Первый этап включает в себя присоединение планктонных клеток к поверхности субстрата, покрытого кондиционированной пленкой органического материала. На данном этапе, прикрепление к подложке является обратимым. Когда клетки создают новые фенотипы, которые способствуют формированию EPS, они переход от планктонного к прикреплённому образу жизни и покинуть субстрат уже не могут. Биопленки развивают характерные структуры, в том числе обширную матрицу и водные каналы. Придатки клеток, такие как фимбрии, ворсинки и жгутики, взаимодействуют с EPS – и микроскопия и генетический анализ показывают, что такие структуры необходимы для создания зрелой биопленки. В последней стадии жизненного цикла биопленки, клетки на периферии биопленки возвращаются к планктонной жизни. Происходит отшелушивание от зрелой биопленки, чтобы колонизировать новые поверхности. Этот этап называется разгоном.


Рисунок 1. Этапы формирования и жизненного цикла биопленки.

В биопленках различные виды микроорганизмов устанавливают метаболические сотрудничество, в котором отходы метаболизма одного организма становится питательной средой для другого. Например, аэробные микроорганизмы потребляют кислород, создавая анаэробные области, которые способствуют росту анаэробов. Это происходит во многих полимикробных инфекциях, которые включают как аэробные, так и анаэробные патогены.

Механизм, с помощью которого клетки в биопленке координируют свою деятельность в ответ на стимулы окружающей среды, называется кворумом (синоним – чувство кворума). Кворумные сообщения, которые могут возникать между клетками различных видов в пределах биопленки, позволяют микроорганизмам узнать плотность клеток посредством высвобождения и связывания небольших диффундирующих молекул, называемых аутоиндукторами. Когда популяция клеток достигает критического порога (образования кворума), эти аутоиндукторы инициируют каскад реакций. Они активируют гены, связанные с клеточными функциями, которые полезны только тогда, когда население достигает необходимую плотность. Например, в некоторых патогенных микроорганизмах, синтез факторов вирулентности начинается только тогда, когда достаточное количество клеток присутствует чтобы подавить иммунную защиту хозяина. 

Возбудители, встроенные в биопленки, имеют более высокую устойчивость к антибиотикам, чем их свободно плавающих аналоги. Было предложено несколько гипотез чтобы объяснить, почему. Клетки в глубоких слоях биопленки метаболически неактивны и могут быть менее чувствительны к действию антибиотиков, которые нарушают метаболический обмен. EPS может также замедлить диффузию антибиотиков и антисептиков, предотвращая их попадание к клеткам в глубоких слоях биопленки. Фенотипические изменения могут способствовать повышению резистентности, проявляемой бактериальными клетками в биопленках. Например, клетка увеличивает производство насосов – встроенных в мембраны белков – которые активно вытесняют антибиотики из бактериальных клеток: было показано, что это важный механизм устойчивости к антибиотикам среди бактерий, связанных с биопленкой. Наконец, биопленки обеспечивают идеальную среду для обмена внехромосомной ДНК, которая часто включает гены, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам.