Бактеріальні біоплівки. Quorum sensing "Відчуття кворуму" у бактерій в біоплівках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет технологій та дизайну

Кафедра біотехнологій, шкіри та хутра

Реферат

Бактеріальні біоплівки. Quorum sensing "Відчуття кворуму" у бактерій в біоплівках

Демченко Анна Сергіівна - студент групи ББТ-19

Перевірила: Волошина Ірина Миколаївна

Майстренко Олена Анатоліївна

Київ КНУТД 2021

Реферат

Робота на тему: «Бактеріальні біоплівки. Quorum sensing “Відчуття кворуму” у бактерій в біоплівах» викладено на 15 с., містить 1 таблицю, 1 рисунок, 8 літературних джерел.

Реферат містить 6 розділів: процес формування біоплівок, будова біоплівок, роль матриксу у біоплівках, способи захисту бактерій за допомогою біоплівок, кворум-системи мікроорганізмів, реакції кворум-сенсингу.

Ключові слова: біоплівка, матрикс, кворум-системи, грампозитивні, грамнегативні.

Вступ

Понад 150 років тому Роберт Кох розробив метод чистої культури для виділення індивідуальних штамів бактерій. Ці підходи донині широко використовуються в мікробіології, однак ріст окремих клітин планктонних (вільно-плаваючих) бактерій у середовищі, багатому на поживні речовини, істотно відрізняється від їх існування у природних умовах або в організмі людини. Зазвичай планктонний фенотип бактерій зустрічається лише транзиторно й у мінімальній кількості, тоді як переважно бактеріальні популяції являють собою біоплівки - полімікробні фіксовані співтовариства мікроорганізмів, вбудовані до синтезованого ними полімерного матриксу [5].

У 1978 р. сформулювали загальну теорію існування біоплівок, згідно з якою більшість бактерій ростуть у замкнених матрицях - біоплівках, прикріплених до поверхонь будь-яких екосистем, забезпечені живленням і містять воду. Суттєво, що ці просторово пов'язані з поверхнею бактеріальні клітини значно відрізняються від своїх планктонних (вільноплаваючих) двійників.

Сьогодні більшістю мікробіологів визнано, що значна кількість мікроорганізмів у природних і штучно створених середовищах існує у вигляді структурованих, прикріплених до поверхні угруповань - біоплівок. Біоплівка - мікробне угруповання, що характеризується клітинами, прикріпленими до поверхні або одна до одної, замкненими в матрикс синтезованих ними позаклітинних полімерних речовин. Вони демонструють зміну фенотипу, що виражається зміною параметрів зростання та експресії специфічних генів. Плівка включає зазвичай 15-20 % бактеріальної маси, що міцно прикріпилася до тієї чи іншої поверхні, і 80-85 % захисного матриксу, який знижує ступінь впливу антибіотиків і антисептиків на мікрокультури-мішені в десятки, сотні і навіть тисячі разів [1].

Біоплівки - рухливі, безперервно мінливі гетерогенні угруповання, що можуть складатися з одного виду бактерій чи грибів або, частіше, можуть бути полімікробними (наприклад, містити численні різноманітні види мікроорганізмів). Біоплівки можна охарактеризувати як бактерії, вбудовані у товстий слизовий шар, який складається з цукрів і протеїнів. Цей плівковий бар'єр захищає мікроорганізми від зовнішнього впливу. Мікроорганізми, які входять до складу біоплівки, існують у двох формах: фіксованої до поверхні та планктонної, вільноплаваючої, що є субстратом поширення інфекції з її первинного локусу. Здатність бактерій формувати біоплівки - істотний чинник патогенності [2].

Біоплівки - фізичні структури з унікальними характеристиками, утворені пов'язаними з поверхнями мікробними угрупованнями. Утворення біоплівок - одна з основних стратегій, що підвищує виживання бактерій у навколишньому середовищі, у тому числі в організмі господаря. Здатність мікроорганізмів існувати у складі біоплівок створює великі труднощі, тому що при цьому значно підвищується стійкість бактерій до антибактеріальних і дезинфікуючих засобів, впливу несприятливих факторів середовища (таких як низькі або високі значення pH, висока осмотична сила та інші фактори, а також дії імунного захисту організму-господаря). Утворення бактеріальних біоплівок на імплантованому обладнанні (наприклад, катетерах, штучних клапанах серця, лінзах тощо) спричинює розвиток низки важких хронічних захворювань, які надзвичайно складно лікуються. Мікробні біоплівки відповідальні за етіологію та патогенез багатьох гострих і, особливо, хронічних бактеріальних інфекцій у людини. У природних екосистемах біоплівка - незмінно багатовидове мікробне угруповання, де кожний мікроорганізм перебуває у власній мікроніші в єдиному матриксі біоплівки.

Вивчення екологічних закономірностей виникнення та розвитку мікробних угруповань (біоплівок) у перспективі є ключовим моментом подальшого розвитку медичної мікробіології. Мета цієї статті - узагальнити відомості про структуру бактеріальних біоплівок, їх формування та функціонування [1].

1. Процес формування біоплівок

мікроорганізм полімерний бактеріальний

Утворення біоплівок - складний комплексний динамічний процес, що складається з декількох етапів: адгезії клітин на поверхні та перерозподілу клітинної маси; активного поділу клітин для створення клітинних кластерів; утворення екзополімерного слизового матриксу. Формування біоплівок слід розглядати як спосіб адаптації бактерій до особливих зовнішніх впливів, таких як розпізнання мікробами відповідних ділянок приєднання до субстрату, оцінка складу живильного середовища та зміна його кислотності, наявність антибіотиків тощо. Коли бактерії переходять у режим росту у складі біоплівки, відбуваються значні зміни експресії десятків бактеріальних генів відповідно до стадії розвитку колонії [7, 8]. У результаті досліджень установлено, що:

- ключовим моментом, без якого неможливе утворення мікробної біоплівки, виступає процес адгезії мікроорганізму до доступної для подальшої колонізації поверхні;

- біоплівки формуються в декілька етапів;

- біоплівки вимагають міжклітинної передачі сигналів;

- транскрибують гени, відмінні від планктонних клітин [3].

Найчастіше мікроорганізми існують у вигляді мас, що вільно плавають, або одиничних колоній. Проте в нормальних умовах більшість мікроорганізмів прагне прикріплятися до поверхні й, у кінцевому рахунку, утворити біоплівку. Етапи розвитку біоплівки представлені на рис. 1.1

Рис. 1.1. 5 етапів розвитку біоплівки: 1 етап - початкове прикріплення; 2 етап - необоротне прикріплення; 3 етап - дозрівання I; 4 етап - дозрівання II; 5 етап - дисперсія

У міру розмноження бактерій вони більш міцно прилипають до поверхні, диференціюються, обмінюються генами, що забезпечує їх виживання. Адгезія мікроорганізмів залежить від досить великої кількості змінних, таких як вид мікроорганізму, фізичні та хімічні властивості поверхні, низки екологічних факторів, продуктів експресії певних генів тощо [3]. Після незворотної адгезії популяція мікроорганізму починає інтенсивно проліферувати з утворенням багатоклітинних шарів і рясно синтезувати компоненти екзополімерного матриксу. Це один із ключових моментів утворення біоплівок. Після прикріплення до твердої поверхні клітини розмножуються, утворюючи моношар. Далі окремі клітини (за наявності пілей IV типу) проявляють поверхневу рухливість, у результаті якої мікробні клітини формують так звані мікроколонії. Мікроколонії потім диференціюються, утворюючи зрілу біоплівку. Клітини у цих структурах упаковуються в позаклітинні полісахаридні матриці [8].

Перші бактерії біоплівки, що закріпилися на ділянці субстрату, полегшують закріплення інших як шляхом експресії спеціальних білків адгезії, так і через побудову згаданої вище «матриці» позаклітинних полімерних речовин, що зміцнюють біоплівку. Під час закріплення на субстраті бактерії випускають сигнальні молекули, приваблюючи нові бактерії до зростаючої біоплівки, що стимулює подальший розподіл вже закріплених у ній бактерій. Інакше кажучи, після закріплення початкової колонії плівка зростає внаслідок поділу її складових та їх «рекрутування» з навколишнього середовища [5]. Потенціал зростання будь-якої бактеріальної біоплівки обмежений кількістю живильних речовин у навколишньому середовищі, їх доступністю для клітин, що містяться всередині біоплівки, і можливістю видалення продуктів метаболізму. Крім того, існує гідродинамічний оптимум швидкості потоку навколишнього середовища, який в ідеальному випадку прискорює зростання біоплівки за рахунок оптимізації швидкості надходження живильних речовин і видалення екзометаболітів, а в разі більшої швидкості - викликає ерозію зовнішніх шарів біоплівки.

Після остаточного дозрівання у біоплівці встановлюється оптимальна швидкість росту та загибелі клітин, фізіологічна кооперативність і метаболічна ефективність, які забезпечують оптимальні умови для функціональної координації, у результаті чого створюється тривимірна структура, багато в чому подібна до такої еукаріотичних тканин. Не випадково у спеціальній літературі дослідники образно вживають терміни «п'ята тканина» або «невидимий орган» відносно всього мікробного співтовариства, що населяє людину [2].

2. Будова біоплівки

Застосування конфокальної сканувальної лазерної мікроскопії для дослідження біоплівок радикально змінило сприйняття їх структурних і функціональних особливостей. Цей метод дав можливість досліджувати біоплівки in situ без обмежень, з якими стикається електронна мікроскопія, хоча і за нижчого збільшення. За допомогою конфокальної сканувальної лазерної мікроскопії показано, що біоплівки - неструктурно гомогенні моношари мікробних клітин на поверхні. Скоріше вони можуть бути описані як гетерогенні у часі та просторі структури, однак основна структура спільноти універсальна, з деякими незначними варіаціями.

Одного разу стійко приєднавшись, бактерії починають утворювати екзополісахаридний навколишній матрикс, відомий як позаклітинна полімерна речовина (extracellular polymeric substance). Це запобіжний матрикс або «слиз» (EPS-matrix). Цей матрикс складається із суміші полісахаридів, що виділяються до навколишнього середовища (екзополісахариди), білків, нуклеїнових кислот, інших речовин. Бактеріальні екзополісахариди - головний компонент матриксу біоплівки, який деякі автори називають також глікокаліксом або слизовим чохлом. Основний його компонент - зв'язана вода. Подібно міжклітинному матриксу тканин тварин, мікробний матрикс також включає фібрилярні елементи. Схожість між тваринним і мікробним матриксом доповнюється спільністю деяких хімічних компонентів (прикладом служать сіалові кислоти). Всі біоплівки високогідратовані, деякі до 73 % складаються з позаклітинного матеріалу, включаючи водні канали та екзополісахариди. У більшості видів екзополісахаридний матрикс складається з альгінату, будучи переважно аніонним. Матрикс - тривимірна структура, яка оточує, закріплює та захищає прикріплені до різних поверхонь мікроколонії бактерій.

Матрикс розділений каналами, наповненими водою, а також має порожнини. Через канали транспортуються живильні речовини та проходять конвективні потоки кисню від зовнішніх до внутрішніх частин біоплівки, одночасно з цим виводяться метаболіти бактеріальних клітин. Пори та канали, що пронизують усю біоплівку - дуже важлива частина її структури. Образно їх можна порівняти з кровоносною системою біоплівки [2, 3].

3. Роль матриксу у біоплівках

Мікроорганізми синтезують і виділяють запобіжний матрикс, за допомогою якого біоплівки приєднуються до живої та неживої поверхні. Матрикс відіграє величезну роль: забезпечує щільне прикріплення колонії до поверхні; служить середовищем для передачі сигнальних молекул; робить можливим вертикальне тривимірне зростання колонії, виконуючи роль своєрідного каркаса; утворює канали, по яких відбуваються постійний транспорт живильних речовин і виведення продуктів життєдіяльності мікроорганізмів із колонії, виконує захисну функцію [3]. Функціональний орган мікробної колонії матрикс мікроорганізмів виконує такі функції. Табл. 3.1.

Таблиця 3.1. Функції матриксу

4. Способи захисту бактерій за допомогою біоплівок

Блокування - простий шлях, у результаті якого позаклітинний полісахаридний матрикс захищає мікробів, - запобігання глибокому проникненню до матриксу біоплівки великих молекул (наприклад, антитіл) і клітин, що викликають запалення. Зріла біоплівка може також служити дифузним бар'єром для таких дрібних молекул як антимікробні агенти.

Взаємний захист - інша унікальна властивість полімікробних біоплівок - сукупні захисні властивості, яких бактерії різних видів набувають унаслідок обміну генами або внаслідок виділення до середовища відповідних факторів. Так, антибіотикорезистентні бактерії здатні виділяти захисні ензими або антибіотикозв'язувальні протеїни, які можуть захищати сусідні антибіотикочутливі бактерії у біоплівці. Також вони можуть передавати іншим бактеріям гени, відповідальні за антибіотикорезистентність (навіть іншим видам бактерій). Специфічні характеристики EPS біоплівок, властиві одному виду бактерій, можуть відігравати суттєву роль у здатності інших видів приєднуватися та вбудовуватися до існуючих біоплівок.

Бездіяльність (нерухомі бактерії) - утворення метаболічно нерухомих (неактивних) субпопуляцій. Для того, щоб антибіотик подіяв на бактерії, останні повинні бути метаболічно активними, тому неактивні бактерії у біоплівках практично не піддаються дії антибіотиків, які знищують зазвичай активні бактерії [5-7].

5. Кворум-системи мікроорганізмів

Незважаючи на те, що проблема утворення біоплівок сапрофітними та умовнопатогенними мікроорганізмами в умовах in vivo до кінця не з'ясована, незаперечно доведено зв'язок цього феномену з проявом соціальної поведінки бактерій, що отримав назву «відчуття кворуму». Поняття «відчуття кворуму» (Quorum sensing) запропоноване в 1994 році. Воно означає сприйняття клітинами змін середовища, які настають при досягненні бактеріальною культурою деякої граничної чисельності, та реакцією на ці зміни [2].

Quorum Sensing (QS) - особливий тип регуляції експресії генів бактерій, що залежить від щільності їх популяції. QS-системи містять два обов'язкові компоненти: низькомолекулярний регулятор (аутоіндуктор), який легко дифундує через клітинну мембрану, та рецепторний регуляторний білок, з яким аутоіндуктор (АІ) зв'язується. У міру того як популяція бактерій зростає і досягає критичного рівня, AI накопичуються до необхідного порогового значення та взаємодіють із відповідними регуляторними білками, що викликає різку активацію (індукцію) експресії певних генів бактерій. За допомогою AI здійснюється комунікація бактерій - передача інформації між окремими клітинами бактерій, що належать до одного і того ж або до різних видів, родів і навіть родин; тому сигнальні молекули вважають «словами» у цій своєрідній «мові» бактерій. Для підтримання кворумної сигналізації бактерії постійно виробляють специфічні сигнальні молекули, які виділяють у зовнішнє середовище. Олігопептиди є такими сигнальними молекулами у грампозитивних бактерій, N-ацилгомосерин лактони - у грамнегативних бактерій [7].

Численні дослідження останніх років показали, що мікроорганізми, включаючи пробіотичні бактерії, синтезують і розпізнають широкий спектр аутоіндукторів різної хімічної природи. Відомі також потенційні аутоіндуктори пробіотичних бактерій: лактони; пептидні феромони; індуктори AI типу, включаючи фуранони; летючі жирні та інші органічні кислоти; певні групи ферментів (лактонази, глікозидази, оксидази); стресові білки; білки та пептиди, що імітують сигнальні молекули еукаріотичних клітин; деякі амінокислоти (глутамат, бета-аланін); вітаміни (біотин); аміни (гістамін, серотонін) і поліаміни (спермін, спермідин); деякі ліпополісахариди (пептидоглікан, ліпотейхоєва кислота); антимікробні агенти (бактеріоцини, мікроцини, оксид нітрогену, активні форми кисню); лектини; біосурфактанти [5].

Механізм роботи QS заснований на складному ієрархічному регулюванні цільових локусів геному бактеріальної клітини. При цьому регулювання здійснюється на різних рівнях впливу: транскрипційному, трансляційному, посттрансляційному. На конкретний клітинний сигнал клітини в популяції відповідають специфічним відгуком. Зараз відомо, що клітинно-клітинні взаємозв'язки впливають на внутрішньопопуляційне диференціювання, експресію генів вірулентності, регулюють ростові процеси, характер і напрямок рухливості (таксис), а також бактеріальний апоптоз і токсиноутворення. Принцип дії механізму полягає в активації транскрипції специфічних генів при досягненні порогового рівня зв'язування білка-активатора транскрипції (LuxR) із низькомолекулярним аутоіндуктором. Описаний механізм опосередковує давно відомий феномен більшої швидкості росту культур мікроорганізмів при великих значеннях посівної дози [3]. QS регулює важливий процес перемикання фенотипу бактеріальної клітини з планктонної форми на сесильну. Це необхідний етап утворення біоплівки для біологічно вигідного паразитування макроорганізму. На початку інфекційного процесу першорядна мета патогену - проникнення та адгезія у тканинах макроорганізму. При цьому, як зазначалося вище, ресурси клітини спрямовані на біосинтез джгутиків і специфічних білків - адгезинів. Однак компоненти фімбірій і джгутиків, білки адгезинів є сильними імуногенами, вони стимулюють також утворення інтерлейкінів. Відповідно для подальшого виживання популяції всередині інфекційного вогнища утворення джгутиків і систем адгезії буде біологічно не вигідним. Тому на етапі дозрівання біоплівки QS інгібує утворення джгутиків і адгезинів. Аналогічним чином відбувається зворотний процес - утворення рухомих форм клітин у біоплівці або вивільнення цілого кластера клітин (detachment cell) для колонізації навколишнього субстрату.

Уперше QS регуляцію виявили на початку 1970-х років у морської бактерії Vibrio fischeri. Здатність цієї бактерії до біолюмінесценції зумовлюється синтезом люциферази, кодованої lux опероном (lux CDABE). Біолюмінесценція спостерігається тільки за високої щільності популяції бактерій (до 1011 клітин/мл). Вочевидь, при досягненні в мікробному угрупованні критичної чисельності опортуністичних мікроорганізмів QS-система стимулює посилення адгезивних властивостей потенційного збудника та ініціює синтез факторів патогенності, що надалі визначає розвиток інфекційного процесу [2].

6. Реакції кворум-сенсингу

6.1 У грампозитивних мікроорганізмів

Грампозитивні бактерії зазвичай здійснюють комунікації, використовуючи олігопептидні сигнальні молекули. Передача сигналів у більшості випадків включає двокомпонентний механізм фосфорилювання. Як правило, стан кворуму досягається при переході популяції клітин у стаціонарну фазу росту. Саме в цей час виявляються сигнальні молекули, які опосередковують міжклітинні контакти. Загальну схему комунікацій грампозитивних бактерій можна уявити таким чином: спочатку у клітині синтезується попередник, який, модифікуючись, перетворюється на зрілий олігопептид. Останній екскретується назовні експортером. Молекули олігопептиду накопичуються в міжклітинному просторі у міру того, як росте щільність бактеріальних клітин. Двокомпонентна сенсорна кіназа, що пронизує мембрану, розпізнає сигнал і здійснює його передачу до клітини у процесі каскадного фосфорилювання. У клітині олігопептид взаємодіє з цільовим геном (генами) [3].

6.2 У грамнегативних мікроорганізмів

У понад 450 видів грамнегативних бактерій виявлено кворум-залежні системи, в яких сигнальними молекулами служать різні ацилгомосеринлактони. Загальну схему комунікацій грамнегативних бактерій можна подати таким чином: у системі кворумсенсингу грамнегативних бактерій білки родини Lux l виступають ауто індукторними синтазами та каталізують формування специфічних ацилгомосеринлактонних аутоіндукторних молекул. Аутоіндуктори вільно дифундують через мембрану та акумулюються у міру збільшення щільності клітин. Білки родини Lux R пов'язують споріднені їм аутоіндуктори при досягненні досить високої концентрації сигнальних молекул. Комплекс Lux R-аутоіндуктор зв'язується із промотором цільових генів, запускаючи їх транскрипцію [3].

Література

1. Андреев И. Л. Человек и бактериальный мир: проблемы взаимодействия // Вестник Российской академии наук. - 2009. - Т. 79, № 1. - С. 41-49.

2. Афиногенова А. Г. Микробные биопленки РАН: состояние вопроса / А. Г. Афиногенова, Е. Н. Даровская // Травматология и ортопедия России. - 2011. - № 3. - С. 120-130.

3. Белобородова Н. В. Микробные биопленки / Н. В. Белобородова, И. Т. Байрамов // Гнойносептические заболевания у детей. Матер. V Московской конф. с участием регионов России и стран СНГ. - М. : НЦ ССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, 2009. - С. 7-38.

4. Белобородова Н. В. Влияние комбинации кларитромицина с имипенемом на формирование микробной биопленки Pseudomonas aeruginosa / Н. В. Белобородова, И. Т. Байрамов,Д. О. Миленин // Инфекции в хирургии. - 2010. - Т. 8, № 2. - С. 71-74.

5. Вознесенский Н. А. Биопленки - терапевтическая мишень при хронических инфекциях // Пульмонология и аллергология. - 2008. - № 3. - С. 56-64.

6. Гинцбург А. Л. «Quorum sensing» или социальное поведение бактерий / А. Л. Гинцбург, Т. С. Ильина, Ю. М. Романова // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. - 2003. - № 5. - С. 86-93.

7. Гостев В. В. Бактериальные биопленки и инфекции / В. В. Гостев, С. В. Сидоренко // Журнал инфектологии. - 2010. - Т. 2, № 3. - С. 4-15.

8. Громова О. А. Молекулярные механизмы разрушения бактериальных пленок при топическом применении аскорбиновой кислоты / О. А. Громова, И. Ю. Торшин, Е. А. Гарасько // Гинекология. - 2010. - Т. 12, № 6. - С. 12-17.

Размещено на Allbest.ru