• Известно, что большинство обитающих на Земле прокариот существует в форме организованных сообществ, называемых биопленками
• Образование биопленки включает несколько этапов: формирование поверхности, рост и деление микроорганизмов, синтез полисахаридов, созревание и распространение биопленки
• Микроорганизмы, входящие в биопленку, взаимодействуют между собой посредством систем quorum sensing
Большая часть обитающих на Земле микробов существует в виде связанных между собой групп, включающих много видов, которые называются биопленки. Большинство поверхностей, которые находятся в условиях достаточной влажности и наличия питательных компонентов, могут поддерживать образование биопленки. Структурно, биопленки организованы в виде грибообразных микроколоний, которые пронизаны сложной системой водных каналов, обеспечивающих обитателей постоянным притоком питательных компонентов.
Индивидуальные микроорганизмы в биопленке встроены в полисахаридную матрицу, играющую защитную роль. Образование сидячих (иммобилизованных) биопленок происходит при развитии многих заболеваний у человека, таких, например, как отит (инфекционное заболевание уха) и кистозный фиброз. Много дополнительных проблем создаст образование биофильмов в постоянных катетерах, искусственных сердечных клапанах и в других подобных имплантантах.
Прикрепившиеся формы имеют ряд преимуществ над планктонным существованием. Во-первых, полимерная матрица окружающая биопленку, обладает адгезивными свойствами и помогает концентрировать углерод, азот, фосфор и другие питательные компоненты. В то же время микробы в биопленке хорошо защищены от антибиотиков, механических воздействий и защитных систем организма хозяина. Биопленки также подвергаются фрагментации, что обеспечивает распространение микробов на новые поверхности.
В основном образование биопленок исследовано в лабораторных условиях. Имеются существенные различия между биопленками, существующими в организме, и используемыми в большинстве исследований. Существующие в организме биопленки почти всегда содержат много разных видов микроорганизмов, в то время как в лабораторных условиях имеют дело с системами, состоящими из одного вида. В организме биопленки образуются практически на любых поверхностях структур из неорганических материалов, а в лабораторных условиях они почти всегда растут на поверхности пластика или стекла. Тем не менее лабораторные исследования дали много информации о сложности процесса формирования биопленок.
Образование биопленки включает этап адгезии бактерий на поверхности и этап образования колоний,
которые скрепляются друг с другом посредством внеклеточных полисахаридов.
Образование биопленок Е. coli и Pseudomonas aeruginosa исследовали на мутантах, неспособных образовывать их на поверхности пластика. Эти исследования продемонстрировали ступенчатый механизм процесса формирования биопленки. Этап начального контакта бактерий и их связывания с поверхностью обратим и происходит с участием жгутиков. Остается неясным, принимают жгутики непосредственное участие в адгезии или же обеспечивают подвижность, необходимую для прикрепления микроорганизмов к поверхности. После прикрепления образуется диффузный монослой клеток, который превращается в плотно упакованный слой, пронизанный микроколониями микробов.
У Р. aeruginosa образование микроколоний зависит от присутствия пилей типа IV. Эти пили обеспечивают «подергивание» клеток, способствующее взаимодействию их друг с другом. Поэтому пили типа IV способствуют созреванию биопленки, обеспечивая два процесса: межклеточные взаимодействия в растущей биопленке, и/или передвижение микробов в направлении растущей микроколонии. В результате роста микроколонии происходит формирование зрелой структуры биопленки, которая характеризуется наличием каналов, обеспечивающих доступ питательных компонентов к находящимся в ней микроорганизмам. Полимерные полисахариды скрепляют биопленку. Эти полисахариды также обеспечивают защиту от внешних воздействий, которые оказывают повреждающее действие на планктонные микробы.
Зрелая биопленка представляет собой динамичную структуру, от которой все время отщепляются микроорганизмы. Этот процесс называется распространением или фрагментацией. Процесс может происходить по всему объему, в результате чего группа микроорганизмов открепляется от биопленки, но остается заключенной в защитную пол-сахаридную матрицу. Находясь в такой матрице, организмы остаются защищенными от внешних воздействий и, чтобы продолжить рост, могут присоединяться к соседним поверхностям. В то же время подвижные организмы, подобно планктонным, могут выходить из биопленки, не нарушая ее структуры. Такой метод распространения обеспечивает «ознакомительную» деятельность микробов, с тем чтобы найти в окружающей среде места для образования новых колоний и при этом не нарушить жизнь всего сообщества.
Биопленки представляют собой вершину организации прокариотических сообществ. Как и в любом сообществе, взаимодействие между отдельными его членами жизненно необходимо для успешного существования всей популяции. Прокариоты взаимодействуют друг с другом, секретируя сигнальные молекулы, которые узнаются соседями. Эти сигнальные молекулы, называемые аутоиндукторы, обеспечивают скоординированную экспрессию генов в группе микроорганизмов. Поскольку аутоиндукторы узнаются, только когда они присутствуют в относительно больших количествах, для того чтобы произошли изменения в экспрессии генов, необходимо сосредоточение большого количества микроорганизмов на небольшой площади.
Поэтому регуляция экспрессии генов с участием аутоиндукторов называется quorum sensing. Описаны только три типа аутоиндукторов: система ацилгомосерин лактона (ацил HSL) у грамотрицательных микроорганизмов, система аутоиндуктор-2, у грамотрицательных и грамположительных, и пептидная система у грамположительных бактерий. Показано, что quorum sensing регулирует несколько процессов, протекающих с участием бактерий. У грамположительных бактерий они включают споруляцию Bacillus subtilis, конъюгацию Enterococcus faecalis, вирулентность Staphylococcus aureus, и инфекционность Streptococcus pneumoniae. У грамотрицательных микроорганизмов также много процессов регулируются по этому механизму: среди прочих свечение Vibrio fiscberi, вирулентность Р. aeruginosa и образование корончатых галлов под действием Agrobacterium tumefaciens.
На рисунке ниже представлена общая схема кворумного узнавания системы ацил-HSL. В этой системе фермент из семейства LuxI ацил-HSL-синтаз катализирует образование ацил-HSL. При низкой плотности клеток активации генов не происходит. Однако при превышении порогового уровня ацил-HSL регуляторы транскрипции семейства LuxR связывают аутоиндуктор, что приводит к активации транскрипции зависимых генов.
Индукторы HSL участвуют в образовании биофильмов такими организмами, как Р. aeruginosa и Streptococcus mutants. Штамм Р. aeruginosa, несущий мутацию по гену lasI (гомологу гена luxI), не продуцирует аутоиндуктор и не образует зрелой биопленки. Способность к формированию биопленки мутантными клетками восстанавливается после добавления к ним экзогенного гомосерин лактона. Микроорганизм Strepococcus mutans образует биопленки на поверхности зубной эмали и содержит гомолог гена luxS, который необходим для их правильного формирования. Однако quorum sensing не всегда обеспечивает образование биопленки.
Например, у Vibrio cholera образование гомосерин лактона необходимо для эффективной фрагментации биопленки. У многих видов микроорганизмов quorum sensing, вероятно, участвует в формировании биопленки. Однако большинство исследований, направленных на понимание молекулярных основ образования биопленок, пока еще находится в начальном периоде.
Один из основных аспектов исследований биопленок состоит в выяснении вопроса, как отличается экспрессия генов у прикрепившихся и планктонных клеток. Исследование этих различий поможет выяснить молекулярные основы устойчивости бактерий к антибиотикам и к иммунной системе клеток организма хозяина. Только недавно для клеток Е. coli и Р. aeruginosa выяснена генетика образования биопленок. Аналогичные исследования необходимо провести на других организмах с тем, чтобы выяснить общие черты в формировании биопленок. Наконец, поскольку большинство биопленок, образующихся в организме, состоят из многих типов микробов, динамика их формирования должна быть исследована более подробно.
Сигнальной молекулой, синтезируемой бактериями и участвующей в системе quorum sensing,
является ацилгомосерин лактон (ацил-HSL).
По мере накопления клеток, концентрация ацил-HTS достигает порогового значения, и индуктор связывается с регулятором транскрипции.
При этом происходит активация генов, участвующих в формировании биопленки.
Для ацил-HSL, R1 может быть Н, ОН или O- и R2 может быть СН2-СН2-СН=СН-СН2-СН2 или (СН2)2-14
