ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ БИОПОЛИМЕРНОГО МАТРИКСА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ БИОПОЛИМЕРНОГО МАТРИКСА
БАКТЕРИАЛЬНЫХ БИОПЛЕНОК В СОВРЕМЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ
Станишевская Н.Б.
Филиал НОУ ВПО Московский технологический институт в г. Оренбурге
[email protected]
Данные последних исследований говорят о том, что существование «чистых
культур бактерий» при выращании их в специально созданных для них средах, сильно
отличается от их существования в естественных условиях, в том числе в организме
человека.
В последние годы ученые выяснили, что микроорганизмы могут существовать
не только в состоянии фиксации на каком- либо субстрате, но способны к образованию
сообществ в виде биопленок, сбалансированных по видовому составу и
функциональному распределению. Такие сообщества называются консорциумами, они
сохраняется в течение всей жизни в организме хозяине и не зависят от применения
антибиотиков [1].
Эта форма существования дает микроорганизмам массу преимуществ для
противодействия неблагоприятным факторам внешней среды и защитным силам
организма-хозяина. Благодаря существованию в биопленках популяции бактерий
недосягаемы для иммунной системы макроорганизма, ультрафиолетового излучения,
антибиотиков и антисептиков. Например, биопленки выдерживали концентрации
антибиотиков в 100-1000 раз большие, чем отдельные клетки. Фагоциты организма –
хозяина так же оказались неспособны к поглощению и перевариванию биопленок.
Формирование обрастания в виде биопленки это не просто механическое
слияние микроорганизмов в колонии, а сложнорегулируемый, длительный процесс.
Образование биообрастаний начинается с того, что одна или несколько клеток
закрепляются на поверхности и начинают из внеклеточного пространства
адсорбировать на себя растворенные органические и органические вещества: сахара,
аминокислоты, белки, жиры, гуминовые соединения и др. Процесс идет быстро, и
насыщающие концентрации веществ на поверхности достигаются в течение десятков
минут.
Активно потребляя питательные вещества из протекающей жидкости,
микроорганизмы начинают активно размножаться, формируя биопленку.
Изучение взаимодействия микроорганизмов с твердыми поверхностями
показали, что первая стадия прикрепления контролируется главным образом
физическими механизмами. На второй (необратимой) стадии бактерии выделяют
экстраклеточные полимеры, адгезия которых к поверхности обеспечивает им более
прочное прикрепление [2].
Заключительный этап биообрастания - это рост микроорганизмов, в результате
которого колонизированная поверхность превращается в биополимерный матрикс.
Внутри матрикса имеется система микроскопических каналов, по которым
растворенные питательные вещества течением воды доставляются непосредственно в
микроорганизмы. Другой вид транспорта – диффузия через матрикс.
Ученые выяснили, что бактерии, принадлежавшие даже к разным видам,
обмениваются между собой информацией не только через коньюгационный мостик или
посредством фагов, а при помощи специально вырабатываемых сигнальных молекул.
Такие приспособительные механизмы, выработанные микробными сообществами под
действием агрессивных факторов внешней среды, и делают биопленки современных
микроорганизмов малоуязвимыми.
Новые данные о способности микроорганизмов к образованию биопленок
объясняют ограниченные диагностические и терапевтические возможности
1
современной медицины. Поскольку отдельные бактериальные клетки хуже защищены,
чем их конгламераты в биопленках, то и антибиотик, проявляющий высокую степень
чувствительности в процессе тестирования чистой культуры, при испытаниях на
бактериях, находящихся в состоянии биопленок может оказаться резистентным.
Этим и объясняются наблюдаемые в последнее время в бактериологических
лабораториях и в клинической практике различия в результатах анализов на степень
чувствительности антибиотиков к определяемой бактериальной флоре. К сожалению,
традиционные бактериологические методы не в состоянии идентифицировать
большинство бактерий, участвующих в инфекционном процессе, поэтому зачастую
делается заключение о «стерильном (асептическом) воспалении» или вирусной
инфекции.
Ограниченные возможности классических бактериологических методов путем
выделения «чистой культуры» приводят в ряде случаев к неполному диагнозу.
Современные молекулярные и геномные методы показали, что при выделении
чистой культуры определяется лишь около 1% клеток патогенного микробного
пейзажа. В результате, назначенные антибиотики действуют лишь на 1-2 вида бактерий
из всех штаммов, присутствующих в составе биопленки.
Кроме того:
- значительная часть микроорганизмов, заключенных в матрикс биопленки,
остаются недоступными для фагоцитов и, после отмены антибактериальной терапии
снова начинают размножаться, вызывая рецидив заболевания;
- матрикс биопленки ограничивает диффузию веществ, связывая антимикробные
препараты;
- отрицательно заряженные молекулы защищают клетки биопленки от
гидрофильных и положительно заряженных антибиотиков, например, полисахариды
матрикса эпидермального стафилококка инактивируют гликопептидные антибиотики
(ванкомицин) и аминогликозиды.
Исследования последних лет показали, что основу нормальной микрофлоры
человека составляют облигатные анаэробные бактерии, количество которых достигает
1013-1014, что на 1-2 порядка превышает количество эукариотических клеток всех
тканей и органов человека вместе взятых [3].
Эти представители нормальной микрофлоры присутствуют в организме
человека в виде фиксированных к определенным рецепторам микроколоний,
заключенных в биопленку, которая как перчатка, покрывает кожу и слизистые
оболочки.
Сама биопленка состоит из экзополисахаридов микробного происхождения,
микроколоний, муцина, функционально напоминая плаценту. Если плацента
регулирует взаимоотношения плода и организма матери, то биопленка выполняет
схожую роль, регулируя взаимоотношения между макроорганизмом и окружающей
средой.
Как в любом микробиоценозе, в биопленках имеются постоянно обитающие
виды бактерий и транзиторные микроорганизмы. Например, в состав кишечного
содержимого входят представители 17 семейств, 45 родов, в общей сложности свыше
400 видов микроорганизмов, и все они при этом образуют крайне сложную по
организации биопленку.
Последний факт заставил ученых по-новому взглянуть на механизм
возникновения и причины дисбактериоза кишечника и способы его лечения. В свете
последних исследований дисбактериоз кишечника трактуется как кардинальное
нарушение строения биопленки слизистой толстого кишечника, а коллективный
иммунитет патологической биопленки сводит на нет возможность коррекции
дисбактериозов с помощью пробиотиков (препаратов живых культур основных
2
микроорганизмов кишечника: бифидобактерий, лактобацилл, энтеробактерий и
других).
Ученые доказали, что в биопленках по иному, в сравнении с чистыми
культурами бактерий, происходят различные физиологические процессы, в том числе
продукция метаболитов и биологически активных веществ.
Например, в мукозном слое, выстилающем слизистую оболочку кишечника
происходит усвоение питательных веществ клетками эпителия кишечной стенки
пищевого химуса, поступающего из желудка и продуцирование микроорганизмами
биологически
активных
веществ:
ферментов,
витаминов,
антибиотиков,
иммуностимуляторов, а также токсинов и метаболитов, вредных для человека.
Нарушение баланса этой продукции связано с такими нарушениями как: кишечные
расстройства, кожные заболевания, половые дисфункции и сердечная недостаточность.
Микрофлора фекалий является отходом этих процессов, в котором продолжается
продукция микроорганизмов, но в других условиях по сравнению с верхними отделами
кишечника. По мнению известного клинического микробиолога профессора А.Н.
Маянского, микробный пейзаж фекалий отражает полостную (планктонную), а не
пристеночную биопленку, которая более стабильна и физиологична.
Сообщество кишечной биопленки объединяет общая генетическая система в
виде плазмид – кольцевых ДНК, диктующих поведенческий код для микроорганизмов
в биопленке, который определяет их трофические, энергетические и другие связи с
внешним миром.
Такая организация нормальной микрофлоры макроорганизма обеспечивает
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.
Способность к коллективному реагированию микрофлоры имеет и
отрицательные стороны: на такое сообщество трудно воздействовать извне. Например
– лечить заболевания полимикробного происхождения, когда чувствительность к
антибиотикам микроорганизмов, находящихся в биопленке не соответствует in-vivo в
лабораторных тестах и клинических изолятах чистых культур.
По данным последних исследований состав микрофлоры каждого человека
специфичен и довольно стабилен на штаммовом уровне. Это очень прочная система, в
которую при хорошем иммунитете невозможно внедрить чужеродные штаммы
пробиотических культур, таких как бифидобактерии, лактобациллы, энтеробактерии и
др. Поэтому их применение дает не всегда такой эффект, как предполагалось при
разработке.
Микробы, выращенные в искусственных условиях, являются инородными для
уникальной микрофлоры каждого человека, как инородны пересаживаемые человеку
органы и ткани других людей – доноров, отторгаясь вследствие биологической
несовместимости.
Пробиотики, полученные при помощи современных биотехнологий не знают
«пароль», необходимый, что бы находившиеся в них бактерии смогли проникнуть в
биопленку кишечника и закрепиться в ней. Они проходят кишечник транзиторно, как и
микрофлора пищи.
Этот факт признают и сами производители пробиотиков, утверждая, что их
добавки не восполняют дефицит необходимых макроорганизму бактерий, а только
стимулируют рост ущемленной популяции. Отсутствие приживаемости чужеродных
микробов и является косвенным доказательством того, что процесс биообрастания –
это особая форма существования сообщества микроорганизмов.
Современные биотехнологии позволяют успешно использовать эти сообщества
микроорганизмов для выполнения определенных функций – при производстве
3
пищевых продуктов, лекарств, пищевых добавок, утилизации разного рода отходов,
нейтрализации загрязнений воды и почвы нефтепродуктами. Практика показала
многократное увеличение эффективности работы микроорганизмов при такой
организации.
Таким образом, проведенный анализ показал, что использование биопленок,
полученных из «чистых» бактериальных культур, имеет огромный коммерческий
потенциал, заключающийся в возможности создания препаратов для обогащения
продуктов питания, БАДов в их совместном использовании с пробиотиками.
Литература
1.Ю.А. Николаев, В. К. Плакунов, Биопленка - «город микробов» или аналог
многоклеточного организма?, Микробиология, 76(2), 2007, С. 149-163
2.Т.А. Смирнова, Л. В. Диденко, Р. Р. Азизбекян, Ю. М. Романова, Структурнофункциональная характеристика бактериальных биопленок, Микробиология, 79(4),
2010, С. 435-446
3. G.C.L. Wong, G.A. O’Toole, All together now: Integrating biofilm research across
disciplines, MRS Bulletin, 36, 2011, p. 339-342
4