Биопленка или коллективное сообщество микроорганизмов
В конце ХХ века сформировалось представление об особой форме организации микрофлоры организма человека - хорошо организованном взаимодействующем сообществе микроорганизмов, покрывающих
поверхности кишечной стенки, других слизистых оболочек, кожи и зубов человека. По некоторым оценкам, в общей сложности в организме человека насчитывается порядка 1014 микроорганизмов, организованных в подобные сообщества. К представлению о единых сообществах микроорганизмов, обитающих в нашем теле, привели первоначально обнаруженные и описанные подобные формы сосуществования микробов в
окружающей нас среде. Оказалось, что микробы, во-первых, предпочитают жить, будучи прикрепленными к твердой поверхности, нежели свободно плавающими - как в водной среде, так и в воздухе. Во-вторых, они организованы в так называемые биопленки (Biofilm), сбалансированные по видовому составу и функциональному распределению членов сообщества. В природе биопленки распространены повсеместно.
Также они выстилают нефтепроводы, аквариумы, постоянные катетеры, внутренние имплантаты, контактные линзы и протезы. Тонкое наслоение, формирующееся на зубах, - пример, хорошо знакомый каждому. Биопленки могут оказаться и очень опасными. Болезнь легионеров, унесшая жизни 29
человек в Филадельфии в 1976 г., оказалась связанной с бактериями биопленки, образовавшейся в системе кондиционирования воздуха. Миллионы долларов ежегодно расходуются в мире на работы по контролю за подобными биопленками.
В то же время современная биотехнология позволяет успешно использовать оптимальное сообщество микроорганизмов для выполнения определенных функций. Это актуально в производстве пищевых продуктов,
лекарств и пищевых добавок, утилизации разного рода отходов, нейтрализации загрязнений воды и почвы нефтепродуктами. Такие сообщества называют иногда консорциумами микроорганизмов. Практика показала многократное увеличение эффективности работы микроорганизмов при такой организации.
Развитие микроскопии и появление таких устройств, как однофокусный сканирующий лазер, позволило исследовать биопленки в их естественных состояниях.
Микроорганизмы в биопленке существуют и ведут себя не так, как бактерии в культурной среде.
Это взаимодействующая общность разных типов микроорганизмов, которые сгруппированы в микроколонии, окруженные защитным матриксом. Матрикс пронизан каналами, по которым циркулируют питательные вещества, продукты жизнедеятельности, ферменты, метаболиты и кислород. Все микроколонии имеют свои микросреды, отличающиеся уровнями рН, усваиванием питательных веществ,
концентрациями кислорода. Бактерии в биопленке общаются между собой посредством химических раздражений (сигналов). Микроорганизмы в биопленке более устойчивы к антибиотикам, антимикробным средствам и другим активным агентам.
Способ существования микроорганизмов можно рассмотреть на одной из гипотетических моделей биопленки пристеночного слоя кишечника. Микроорганизмы, в количестве 1011 клеток/см3 распределяются в пристеночном слое муцина - относительно прочного геля, состоящего из пептидогликана, продуцируемого бокаловидными клетками эпителия кишечной
слизистой оболочки. Такая среда выглядит пригодной для существования микроорганизмов в тонких слоях муциновой слизи в виде равномерно распределенных клеток на достаточно близком расстоянии (порядка размера микробной клетки) друг от друга. Такое расположение должно обеспечивать контакт с диффундирующим в муцин химусом и клетками между собой для быстрого обмена продуктами метаболизма.
Можно обнаружить и другие формы микробной биопленки - в виде слоя, прикрепленного к клеткам эпителия, или отдельно расположенных конгломератов клеток.
Достойна удивления способность микробиоты кишечника сохранять стабильность в условиях разнородных химических и корпускулярных потоков, пронизывающих муцин вдоль и поперек. В соответствии с физиологическими
канонами через кишечную стенку и вдоль нее ежесуточно проходит десять литров жидкости, включая слюну, желудочный сок с пищевым химусом, желчные и печеночные секреты и прочее. В противоположном всасыванию направлении движется муцин, который микробы кишечной стенки должны успевать переваривать на мономерные составляющие со скоростью его образования клетками слизистой оболочки.
Специальные исследования показали, что в биопленке по-иному, в сравнении с чистыми культурами бактерий, происходят их многочисленные физиологические процессы, в том числе продукция
метаболитов и биологически активных веществ. Сообщество организует единую генетическую систему в виде плазмид - кольцевых ДНК, несущих поведенческий код для членов биопленки, определяющих их пищевые (трофические), энергетические и другие связи между собой и внешним миром.
Последнее получило специальное определение как социальное поведение (quorum sensing) микроорганизмов. Реакция микроорганизмов на изменение условий окружающей среды в биопленке существенно отличается от реакции каждого отдельного вида в монокультуре. Такая организация обеспечивает ее физиологическую и функциональную стабильность и, следовательно, является залогом конкурентного выживания в
экологической нише. В организме человека специфическое преимущество такой организации заключается в обеспечении гомеостаза органов, функциональность которых зависит от населяющих их микробов.
Преимущество коллективного реагирования имеет и отрицательную сторону: таким сообществом трудно управлять извне. Например - лечить заболевания полимикробного происхождения, когда чувствительность к
антибиотикам микроорганизмов, ассоциированных в биопленку, не соответствует таковой, определенной в лабораторных тестах на клинических изолятах чистых культур бактерий. Коллективный иммунитет биопленки практически сводит на нет возможность коррекции дисбактериозов с помощью пробиотиков (препаратов живых культур ключевых микроорганизмов
кишечника: бифидобактерий, лактобацилл, энтеробактерий и других). Несомненно, они имеют эффект, но не всегда и не такой, как предполагалось.
По материалам:
The center for genomic sciencees (http://centerforgenomicsciences.org)
Г. Осипов Невидимый орган - микрофлора человека (www.rusmedserv.com)
Stomatolog.md: Международный стоматологический сайт (www.dental.md)
Medicus Amicus #5, 2005
|
Новости 
