МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 79, № 4, с. 435-446
= ОБЗОР
УДК 579.8.086.3(046)
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАКТЕРИАЛЬНЫХ БИОПЛЕНОК
© 2010 г. Т. А. Смирнова*, Л. В. Диденко*, Р. Р. Азизбекян**, Ю. М. Романова*,
*Учреждение Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи РАМН, Москва **ФГУПГосударственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, Москва Поступила в редакцию 09.06.2009 г.
1
В обзоре представлены данные, касающиеся структурно-функциональных особенностей бактериальных биопленок. Основное внимание уделено клеточным структурам, принимающим участие в образовании биопленки на различных этапах ее формирования. Рассмотрены методы моделирования и визуализации биопленки. Анализируются результаты светооптических и электронно-микроскопических исследований. Представлены собственные данные микроскопического изучения биопленок. Обсуждается вопрос о возможности формирования покоящихся и некультивируемых форм в составе биопленки.
Ключевые слова: биопленки, бактерии, споры, жгутики, пили, матрикс, микроскопия.
Бактериям присущи две различные стратегии поведения: первая — это свободное движение, плавание или планктонное состояние, при котором одиночные клетки свободно двигаются в жидкой среде; и вторая — это прикрепленное состояние, при котором они плотно прижаты друг к друг и к поверхности. Большинство исследований в области биохимии, генетики, физиологии бактерий были выполнены исходя из представления, что бактериальные популяции состоят из совокупности отдельных клеток с одинаковыми свойствами или из колоний, выросших из одной клетки. Развитие микроскопической техники и молекулярно-генетических методов исследования привели к пониманию того, что большинство природных популяций бактерий существует в прикрепленном состоянии, в котором бактерии способны эффективно обмениваться сигналами и проявлять координированную активность, подобно тканям многоклеточных организмов. Развитие биопленочных сообществ является одной из основных стратегий выживания бактерий в занимаемой ими экологической нише. Бактерии в прикрепленном состоянии, будучи интегрированными в биопленку, защищены от повреждающих факторов внешней среды и антибактериальных препаратов в организме хозяина при инфекции.
Согласно современным представлениям биопленка — это непрерывный мультислой бактериальных клеток, прикрепленных к поверхности раздела фаз и друг к другу и заключенных в биополимерный матрикс. Межклеточные коммуникации в
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: genes2007@yan-dex.ru).
биопленке осуществляются, в том числе при участии регуляторного механизма, получившего название "чувство кворума" (quorum sensing, QS) [1, 2]. Обмен информацией происходит с помощью специализированных химических сигнальных молекул, благодаря которым микробное сообщество действует как единый организм. Проблеме регуляции бактериальной активности с помощью системы QS посвящено много обзоров, поскольку в последнее время механизмы функционирования микробного сообщества, к которому относится биопленка, привлекают все большее внимание исследователей.
Роли биопленок в окружающей среде в последнее время уделяется особое внимание. Микроорганизмы образуют биопленки на любых биотических и абиотических поверхностях, что создает большие проблемы в медицинской практике и в различных областях хозяйственной деятельности. Как теперь установлено, биопленки являются одним из патогенетических факторов формирования хронических инфекционных процессов [3]. B первую очередь это касается заболеваний, связанных с использованием имплантируемых устройств (катетеров, протезов, искусственных клапанов сердца). В естественных местах обитания микроорганизмов биопленки могут вызвать серьезное ухудшение экологической обстановки. Например, сообщество цианобактерий образует в природных условиях пленку на поверхности водоемов, что приводит к нежелательным для водопользования изменениям качества воды. Серьезную опасность представляют биопленки для систем питьевого водоснабжения в связи с возможностью заражения воды патогенными микроорганизмами из-за низкой чувствительности биопленочных
бактерий к биоцидам. В результате образования биопленок возникают технические трудности, снижающие эффективность использования оборудования, в том числе нефтепроводов, трубопроводов промышленного назначения и т.д. Биопленки загрязняют корпуса судов и нефтяные платформы, вызывая коррозию металла.
Однако, наряду с отрицательными последствиями микробной колонизации объектов окружающей среды имеются и положительные стороны этого процесса, связанные с практическим применением биопленок, в том числе для удаления токсических веществ, а также в производствах продуктов микробного синтеза. Другая возможная область применения бактериальных биопленок основана на их способности оказывать ингибирующий эффект на асцидии и водоросли, обрастающие корпуса кораблей [4]. Полагают, что биопленки, образуемые бактериями с выраженными антагонистическими свойствами, могут явиться альтернативой токсичным химическим защитным покрытиям. Большой интерес в связи с борьбой с фитопатогенами представляют данные об образовании биопленок бактериями Bacillus subtilis, подавляющими развитие фи-топатогенов на корневой системе растений [5]. Показано, что пленкообразующая способность важна для закрепления бактерий-антагонистов в ризосфере. Приведенные данные, разумеется, не исчерпывают столь обширную и интенсивно изучаемую проблему как биопленочный рост микроорганизмов. Мы приводим ссылки на ряд обзоров, в которых отражено значение биопленок для процессов, изучаемых в разных областях науки и практики и демонстрирующих возросший в последнее время интерес к этим микробным сообществам [6—9].
Исследования биопленок развиваются в нескольких направлениях. Одно из них — микроскопические исследования, проводимые in situ, которые способствуют выработке целостного представления о строении биопленки. При этом следует учитывать, что в биопленке все компоненты бактериального сообщества тесно связаны и с трудом поддаются разделению для их дальнейшего анализа другими методами. Световая микроскопия располагает большими возможностями для изучения биопленок недеструктивными методами, особенно в сочетании с цитохимией и иммуноцитохимией. Метод эпифлуорес-центной микроскопии также используется для наблюдения за биопленкой на поверхности различных объектов. В последнее время биопленки исследуются методами просвечивающей трансмиссионной (ТЭМ) и сканирующей (СЭМ) электронной микроскопии, конфокальной лазерной сканирующей микроскопией (КЛСМ), атомно-силовой микроскопией (АСМ). Применение микроскопических техник обеспечило успехи в исследовании структурно-функциональных характеристик биопленок, в том числе клеточных структур, участвующих в их образовании.
Структуры, принимающие участие в образовании биопленки на разных стадиях ее развития
Бактериальная биопленка образуется в результате сложных координированных взаимодействий микроорганизмов с поверхностью. Этапы формирования биопленки рассмотрены в ряде публикаций [9—11]. Последовательность событий в наиболее общем виде выглядит следующим образом: начальное прикрепление к поверхности, образование монослоя, движение по поверхности с образованием микроколоний, созревание биопленки и формирование трехмерной структуры. В образовании биопленки принимают участие поверхностные структуры бактерий: выросты клеточной поверхности, жгутики и пили, обеспечивают подвижность бактерий, важную для формирования биопленки. Мутанты, дефектные по подвижности, неспособны к формированию биопленки [12, 13]. У бактерий известно несколько типов подвижности. С помощью жгутиков осуществляется плавание (swimming) и роение (swarming), а дергающаяся подвижность (twitching motility) обеспечивается пилями IV типа. Направленное движение бактерий с помощью жгутиков на начальном этапе образования биопленки вызывается присутствием аттрактантов. Показано, что функция жгутиков не ограничивается двигательной активностью, они принимают участие и в процессе адгезии [14].
Адгезия является ключевым моментом в образовании биопленки. В ряде обзоров приведены данные по адгезии или адсорбции бактерий на различных поверхностях [15—17]. Первичный контакт с твердой поверхностью не предполагает окончательного закрепления на ней бактерий. Начальный обратимый этап адгезии представляет собой комплекс физико-химических взаимодействий. Адгезины, способствующие преодолению сил отталкивания при взаимодействии одноименно заряженных поверхностей, участвуют в переходе к необратимой стадии формирования биопленки. Бактериальные адгезины делятся на две основные группы. К одной относятся адгезины, связанные с органеллами — фимбриями, к другой — адгезивные факторы не-фимбриальной природы. Нефимбриальная группа включает экзополисахариды и другие соединения. В качестве адгезинов рассматривают также ¿-слои клеточной стенки, состоящие из упорядоченно расположенных протеиновых или гликопротеиновых субъединиц [18]. Фимбриальные адгезины интенсивно исследуются микроскопическими методами. Для электронно-микроскопического выявления фимбрий обычно используют методы негативного контрастирования и напыления (рис. 1а). Основные классы фимбрий грамотрицательных бактерий включают: конъюгативные F фимбрии (F пили); фимбрии IV типа (токсинкорегулируемые фимбрии); фимбрии, собирающиеся путем внеклеточной преципитации (curli); фимбрии, нужную кон-
Рис. 1. Электронные микрофотографии Salmonella typhimurium: а —фрагмент планктонной клетки со жгутиком и пи-лями (негативное контрастирование); б — планктонная клетка; в — пленка на бульоне; г — пленка на пластике (ультратонкие срезы). Длина масштабной метки — 100 нм.
формацию сборки которых обеспечивают шаперо-ны [19]. Наиболее полно исследованы фимбрии или пили Escherichia coli. Показано, что клетки E. coliмо-гут одновременно экспрессировать несколько типов пилей. С адгезией связывают пили 1 типа, обнаруженные, помимо E. coli, у Pseudomonas a
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.