Город микробов

Вплоть до конца прошлого века в микробиологии считалось, что бактерии в естественных условиях обитают в свободно взвешенном состоянии в какой-либо среде, и вся классическая микробиология построена на изучении свойств чистой культуры конкретного микроорганизма именно в таком состоянии. Однако в настоящее время ученые убедились, что до 99% бактерий в естественной среде существует в виде биопленок - организованных многовидовых сообществах бактерий, состоящих из активно функционирующих и покоящихся форм клеток, заключенных в особый тип межклеточного вещества - экзополисахаридный матрикс. При этом по своей структуре биопленка - это не просто слой клеток и межклеточного вещества, расположенный на какой-либо поверхности (как, например, колония на агаре), а сложная гетерогенная структура, формирование которой происходит в несколько этапов. 

Итак, представьте себе, что у вас есть колба с жидкой питательной средой (предположим, мясо-пептонным бульоном) и некое количество микроорганизмов, которые вы внесли в эту среду (пусть это будет стафилококк). Поместим её в термостат и оставим на сутки. Что произойдет в колбе? Через 24 часа бульон помутнеет, что будет свидетельствовать об обильном размножении кокков, для которых в этой самой колбе мы создали райские условия: отсутствие естественных врагов - бактериофагов и простейших, обилие питательных веществ, оптимальные рН и температура, отсутствие вредного излучения, агрессивных веществ и т.д. 

Но ведь в таких условиях стафилококки никогда не окажутся вне лаборатории. Что их ждет, окажись они, например, в пруду? В самом обыкновенном пруду с рыбками и утками. Попробуем смоделировать в нашей колбе такие условия. Нальём в нее обыкновенной воды, оставим при комнатной температуре и... все. Больше нашим стафилококкам надеяться не на что. Что же мы увидим спустя сутки, другие? На первый взгляд - ничего. Но если мы изучим с помощью микроскопа (желательно электронного) дно и стенки нашей колбы, то увидим странный налет, состоящий из стафилококков. "Они просто погибли и осели на дно под действием силы тяжести", - решите вы, но если посеять эти, казалось бы, мертвые, клетки на питательную среду, то вы убедитесь, что они живы. 

А все потому, что стафилококки образовали биопленку. Как только бактерии (важно, чтобы их было все-таки несколько) оказываются в стрессовых условиях (неоптимальная температура, рН, осмотическое давление, недостаток питательных веществ и т.д.) у них меняется уровень экспрессии определенных генов, которые переключают их метаболизм в особый режим работы. 

Для всех микроорганизмов одним из важнейших свойств является адгезивность - способность прикрепляться к какому-либо субстрату. Представьте себе чудом выживших при кораблекрушении, которых волны вынесли на необитаемый остров. Так же и бактерии: под действием других волн - электромагнитных - они "прилипают" к поверхности стеклянной колбы (если рассматривать этот процесс с точки зрения физики - это действие Ван-дер-Ваальсовых, гидрофобных, электростатических сил и дисперсионных сил Лондона). Прилипнув к субстрату, бактерии уже с помощью своих приспособлений - жгутиков и пилей IV типа, адгезинов, фимбрий и др "вцепятся" в его поверхность. Эта специфическая адгезия в совокупности с неблагоприятными факторами окружающей среды и инициирует изменение уровня экспрессии генов. Это два обязательных условия, запускающие биопленкообразование. Бактерии начинают синтезировать полисахариды и выводить их за пределы клетки, окружая себя неким чехлом. Это требует от клетки больших усилий и ресурсов, поэтому она не растет и не делится. Помимо экзополисахарида клетки выделяют сигнальные молекулы и молекулы РНК, обмениваясь ими с соседями. Называется такое явление "чувство кворума" (quorum sensing). Это синхронизирует жизнедеятельность наших колонистов, ускоряет, а главное, делает целенаправленным, синтез экзополисахарида, который уже становится межклеточным веществом - матриксом. Матрикс пронизан каналами и полостями, по которым циркулируют те немногие питательные вещества, которые все-таки находятся в воде (ими по большей части становятся аутолизированные клетки бактерий, которым не удалось выжить), а также кислород, метаболиты бактерий, сигнальные молекулы, которые перемещаются по градиенту концентрации... Стоп! То есть у нас имеется структура, состоящая из синтезирующих клеток, межклеточного вещества, обладающая транспортной и сигнальной системами да еще и с генетической ауторегуляцией! Вспоминайте гистологию - такая структура называется ткань. Но ведь это бактерии, прокариоты, о какой ткани может идти речь? Да, друзья, как бы это странно не звучало, но биопленки бактерий проявляют свойства живой ткани. В составе таких сообществ наши стафилококки постепенно создадут более-менее комфортное для себя микроокружение, поправятся за счет молекул погибших товарищей и начнут размножаться. А самые смелые, оторвавшись от родной колонии смогут даже колонизировать соседние поверхности. 

Вот так, примерно, и живут окружающие нас бактерии. Более того, так они живут... в нас. Каждое утро миллиарды людей начинают с того, что сдирают со своих зубов биопленку. Да-да, зубной налет - это биопленка. Микроорганизмы в нашем кишечнике тоже живут в составе биопленки. И это помогает им выжить, потому что наш организм - очень агрессивная среда. 

Что дает нам знание о биопленках практически? Оказалось, что биопленки - чуть ли не главная проблема стоматологов и хирургов. Все, что имплантируется в наш организм, приводит к ослаблению местного иммунитета. Этим тут же пользуются патогенные микроорганизмы - они внедряются в очаг воспаления и образуют на интактном, безопасном, не имеющем макрофагов и иммуноглобулины импланте биопленку. А матрикс биопленки защищает микроорганизмы от антисептиков, антибиотиков, лейкоцитов и сывороточных факторов. И это влечет за собой множество осложнений. 

Следующее негативное свойство биопленок - клетки в их составе, помимо активно делящихся, могут пребывать в покоящейся форме. Представим себе ситуацию: холерный вибрион. Некогда побитый бактериофагами, амебами и выбросами с завода "Заря" холерный вибрион в реке Х случайно наткнулся и "прилип" к биопленке каких-нибудь сапрофитов. Не встречая сопротивления в виде антагонизма, он преспокойно уснул и поплыл себе дальше. И так он может плавать неделю, месяц, два. И вдруг - чу! Что это: вокруг тепло, много вкусной органики отличный рН и нет амеб. А просто река Х вынесла щепочку с нашей биопленкой к теплому побережью моря Z, где пребывающий в отпуске слесарь Джо случайно проглотил нашего окрепшего малыша вибрио, который уже успел несколько раз поделиться. Как вы думаете что ждет ослабленный акклиматизацией и резкой сменой рациона кишечник Джо? 

Все это делает изучение феномена биопленкообразования одним из актуальнейших на сегодня объектов исследования в микробиологии. 

Источники: 

1) Николаев Ю. А., Плакунов. В К. Биопленка — «город микробов» или аналог мно-гоклеточного организма? Микробиология. 2007; 76(2):149-163. 

2) An, Y.H. Mechanisms of bacterial adhesion and pathogenesis of implant and tis-sue in-fections / Y.H. An, R.B. Dickinson, R.J. Doyle // Handbook of bacterial ad-hesion: principles, methods, and applications. – N. Y., 2000. – Р. 1-27. 

3) 13. Qin, Z. Role of autolysin-mediated DNA release in biofilm formation of Staphy-lococcusepidermidis / Z. Qin, Y. Ou, L. Yang, Y. Zhu, T. Tolker-Nielsen, S. Molin, D. Qu // Microbi-ology. – 2007. – Vol. 153. - N 7. – Р. 2083-2092. 

4) Jakobsen T.H. et al. Qualitative and quantitative determination of quorum sensing inhibi-tion in vitro. Quorum sensing: methods and protocols. Methods in Molecular Biology 2011; 692:253-63