Биопленки: локализация, структура, роль в патологии человека

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Челябинский государственный университет»

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

Курсовая работа по микробиологии

Биопленки: локализация, структура, роль в патологии человека

Челябинск

2012

Оглавление

Введение

Несмотря на различия в определении понятия «биопленки» (biofilms), формулируемого разными авторами, у этих форм существования микроорганизмов можно отметить специфические особенности, которые позволяют классифицировать их как пространственно и метаболически структурированные сообщества микроорганизмов, заключенные во внеклеточный полимерный матрикс и расположенные на границе раздела фаз.

Как правило, биопленки формируются в проточных системах, содержащих необходимые для роста субстраты.

По современным представлениям, 95-99% микроорганизмов в природных местах обитания существуют в виде биопленок.

Длительное время (со времен Р.Коха, широко применявшего метод культивирования на твердых средах) в микробиологии господствовала парадигма «чистых культур», благодаря которой были достигнуты впечатляющие успехи в изучении микробного разнообразия и в совершенствовании методов классификации. Однако такой подход не всегда способствовал изучению микробной экологии и, в частности, вклада микроорганизмов в биогеохимические процессы in situ.

Смена парадигмы наметилась лишь в середине прошлого века с появлением работ К.Зобелла, обратившего внимание на важность взаимодействия микроорганизмов с поверхностями раздела фаз. А сама идея, что микроорганизмы существуют в природе, главным образом, в виде структурированных сообществ, а не индивидуальных, свободно плавающих («планктонных») клеток была сформулирована Дж.Костертоном.

Однако наиболее четкую формулировку новой парадигмы дал Г.А.Заварзин, констатировав смену исследовательских подходов к биологическим объектам, а именно, переход от редукционизма к холизму (философии целостности), т.е. к восприятию их как целостных, совместно эволюционирующих систем.

В результате узкий взгляд на микроорганизмы как на одноклеточные формы жизни сменяется все большим осознанием их способности функционировать в составе многоклеточных сообществ.

Биопленки являются одним из видов микробных консорциумов, играющих важнейшую роль в биосферных биогеохимических процессах. Одними из главных факторов, определяющих процессы круговорота биогенных элементов, является молекулярный кислород, подавляющий процессы азотфиксации, денитрификации, восстановления сульфатов и металлов, а также метаногенез. Микроорганизмы, особенно прокариоты, в связи с отсутствием внутриклеточной изоляции аэробных и анаэробных процессов, вынуждены искать выход в формировании ассоциаций с другими микроорганизмами, которые позволяют находить защиту от вредных последствий воздействия кислорода и, особенно, его активных форм. В этом одна из причин того, что в природе микроорганизмы существуют в основном в виде структурированных сообществ. Биопленки защищают населяющие их микроорганизмы не только от кислорода, но и от последствий других вредных воздействий окружающей среды. В соответствии с приведенным определением биопленки являются микробными сообществами, формирующимися на поверхности раздела фаз. В настоящее время детально исследованы только биопленки, развивающиеся на границе жидкой и твердой сред.

Цель моей курсовой работы – рассмотреть общие вопросы, касающиеся строения, жизнедеятельности биопленок и их значения. При написании курсовой работы ставились следующие задачи:

1.      изучить строение биопленок

2.      изучить этапы и механизмы формирования биопленок

3.      описать взаимоотношения между компонентами биопленок

4.      изучить значение биопленок для экологии, биотехнологии и в патологии человека

Глава 1. Общие представления о структуре биопленок

1.1. Строение биопленок

Основные наиболее исследованные виды биопленок, формирующиеся на границе твердой и жидкой фаз, имеют следующие морфотипы (Приложение 1):

-  Простой слой клеток, сформированный одним или несколькими видами микроорганизмов, без выраженной морфологической дифференциации (выделяют только внутреннюю и наружную части) – самый примитивный тип биопленок [1]. Такие пленки описаны для бактерий родов Citrobacter, а также для дефектных по ауторегуляции Pseudomonas aeruginosa

-  Маты фотосинтезирующих, метаногенных и сульфатредуцирующих бактериальных сообществ, а также сообщество микроорганизмов, развивающееся в очистных сооружениях сточных вод. Маты представляют собой многовидовое сообщество, с выраженной стратификацией соответственно градиенту фактора, регулирующего структура мата, а именно – света для фототрофов, питательных веществ, окислительного потенциала и др. для хемотрофов. Этот тип биопленок часто может достигать в толщину нескольких десятков сантиметров

-  Зубные биопленки (бляшки), образованные сложным сообществом многих микроорганизмов. Этот тип пленок является одним из наиболее изученных. Для него описана строгая последовательность колонизации разными микроорганизмами, типы и механизмы взаимодействия организмов. Из зубных биопленок выделены сотни видов микроорганизмов.

-  Пленка с лентами-выростами, формирующаяся смешанной популяцией бактерий в условиях турбулентного оттока. Эти ленты могут отрываться и способствовать расселению популяции

-  «грибы» - биопленки, сформированными одним или несколькими видами микроорганизмами со специфической трехмерной структурой, особыми функционально-морфологическими образованиями (порами, каналами, пустотами, ножками). В образовании таких дифференцированных биопленок у P.aeruginosa и Serratia marcescens важную роль играют гены, ответственные за  синтез альгинатов, рамнолипидов, а также сигнальных компонентов системы «quorum sensing».

-  Бентосные и речные осадки, а также взвешенные в воде хлопья (flocs, «речной и морской снег») и различные типы обрастаний, особенно те, которые формируются в «экстремобиоценозах»

Для границы вода-воздух описано 3 морфотипа:

-              Примитивный слой на границе воды и воздуха, когда микробы образуют пленку – описано для вибрионов и бацилл

-              Массивные структуры типа чайного гриба (медузомицет, гриб «комбуча»). Сообщество чайного гриба представляет собой симбиоз уксуснокислых бактерий и дрожжей многих родов. Дрожжи включены в полисахаридную строму, образованную бактериями, и вся ассоциация располагается на границе вода-воздух, достигая толщины нескольких сантиметров

-              Пленка бацилл на границе жидкость-воздух, с рыхлой основной частью из цепочек клеток и плодовыми телами, образующими споры, обращенными в воздух.

1.2. Этапы и механизмы формирования биопленок и их регуляция

Погруженная в природную воду твердая поверхность немедленно покрывается так называемой первичной пленкой, изменяющей свойства этой поверхности [5]. Формирование такого слоя молекул является первой стадией, предшествующей образованию собственно бактериальной пленки. (Приложение 2). Например, образование зубных бляшек протекает полноценно только на поверхности зубов в присутствии  слюны. Белки слюны образуют слой на поверхности, к которому прикрепляются первые бактерии-колонизаторы.

Затем следует этап собственно микробной адгезии, обратимая адгезия, когда микроорганизмы обратимо прикрепляются к твердой поверхности. На этом этапе действуют неспецифические физико-химические силы взаимодействия между молекулами и структурами на поверхностях микроорганизма и твердого субстрата (Ван-дер-Ваальсовы, гидрофобные, электростатические, дисперсионные силы Лондона). К такому типу адгезии способны как живые, так и убитые клетки микроорганизмов. Например, убитые УФ-излучением или нагреванием P.fluorescens не теряют своей способности к адгезии.

Следующая стадия необратимой адгезии наступает, когда клетка необратимо связывается с поверхностью. Эта фаза, в свою очередь, состоит из нескольких самостоятельных этапов формирования биопленки. В течение некоторого времени после прикрепления к поверхности клетки могут перемещаться вдоль поверхности посредством жгутиков и пилей IV типа. Затем клетки теряют подвижность, некоторые из них слипаются друг с другом, начинают выделять внеклеточные полимеры (полисахариды, липополисахариды, гликопротеины), формируя внеклеточный полимерный матрикс (ВПМ). В результате деления клеток возникают компактные микроколонии, объединенные этим матриксом.

Затем наступает пора вторичных колонизаторов, т.е. микроорганизмов, которые прикрепляются к клеткам, локализованным на поверхности. Например, при формировании зубной бляшки первичными колонизаторами являются стрептококки, к которым прикрепляются фузобактерии и затем уже другие бактерии, всего нескольких сот  видов. Одновременно с увеличением толщины биопленки формируются ее специфические структуры – полости, каналы, выросты, поры. Эта стадия нарастания зрелой биопленки в благоприятных условиях продолжается достаточно долго, а в неблагоприятных условиях, вступает в последнюю фазу – распада, деградации, гибели части клеток и высвобождения остальной части клеток в виде свободноплавающих (планктонных), что было показано для P.aeruginosa, S.marcescens, Vibrio cholerae и P.tunicata.

На процесс формирования биопленок и их свойства влияют факторы окружающей среды и свойства клеток самого микроорганизма [3]. Наиболее важными внешними факторами являются величины рН, солености, осмолярности, парциальное давление кислорода, доступность источников питания, а также гидрофобность поверхности раздела фаз, сила и тип движения жидкости относительно этой поверхности.

Основным фактором, влияющим на перемещение к поверхности раздела фаз как подвижных, так и неспособных к движению микроорганизмов, является течение жидкости. Адгезия бактерий к твердым поверхностям происходит как в условиях турбулентного потока жидкости, так и при относительной неподвижности водной фазы. Вблизи твердой поверхности существует зона малоподвижной воды («вязкий слой»). Наряду с этим на перемещение микроорганизмов влияют капиллярные (дренажные) силы, обусловленные давлением жидкости, протекающей между поверхностью твердой фазы и поверхностью бактерии. Седиментация может играть значительную роль только в слабопроточных системах с частицами значительных размеров, таких как крупные бактерии или агрегаты из бактерий. Определенную роль играет и собственная двигательная активность микроорганизмов, поскольку подвижные клетки активно перемещаются по направлению к поверхности и окончательно удерживаются притягивающими силами, действующими вблизи поверхности.

Важную роль в адгезии играет гидрофобность микробных клеток. Так, у мутантов бактерий Burkholderia cepacia, Shewanella alga, Enterococcus fecalis, поверхность которых значительно менее гидрофобна, чем у дикого типа, способность к адгезии в значительной степени редуцирована. Заряд поверхности также влияет на адгезию микроорганизмов. Отрицательный заряд ингибирует адгезию P.fluorescens, тогда как присутствие на поверхности субстрата катионов Fe3+ значительно увеличивает количество адгезированных анаэробных бактерий Desulfomonile tiedjei, Syntrophomonas wolfei, Syntrophobacter wolinii и Desulfovibrio sp. (клетки этих бактерий заряжены отрицательно).