БИОПЛЕНКИ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ОБРАЗОВАНИЕ, ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В биопленках или биопленки являются сообществом микроорганизмов , прикрепленных к поверхности, живущее в матрице внеклеточной полимерных веществ самости - генерироваться. Первоначально они были описаны Антуаном фон Левенгук, когда он исследовал «анималькулы» (названные в его честь) на пластине из материала своих собственных зубов в 17 веке.

Теория, которая концептуализирует биопленки и описывает процесс их образования, не была разработана до 1978 года. Было обнаружено, что способность микроорганизмов образовывать биопленки, по-видимому, универсальна.

Рисунок 1. Биопленка, продуцируемая Staphylococcus aureus в катетере. Источник: CDC / Родни М. Донлан, доктор философии; Дженис Карр (PHIL # 7488), 2005 г. через https://commons.wikimedia.org

Биопленки могут существовать в таких разнообразных средах, как природные системы, водопроводы, резервуары для хранения воды, промышленные системы, а также в самых разных средах, таких как медицинские устройства и устройства для пациентов больниц (например, катетеры).

С помощью сканирующей электронной микроскопии и конфокальной сканирующей лазерной микроскопии было обнаружено, что биопленки представляют собой не гомогенные, неструктурированные отложения клеток и накопившегося ила, а скорее сложные гетерогенные структуры.

Биопленки представляют собой сложные сообщества связанных клеток на поверхности, встроенных в высокогидратированный полимерный матрикс, вода которого циркулирует через открытые каналы в структуре.

Многие организмы, которым удалось выжить в окружающей среде в течение миллионов лет, например виды из родов Pseudomonas и Legionella, используют стратегию биопленки в других средах, кроме их естественной среды обитания.

Характеристики биопленок

Химические и физические характеристики матрицы биопленки

-Полимерные внеклеточные вещества, выделяемые микроорганизмами биопленок, макромолекулами полисахаридов, белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и другими биополимерами, в основном высокогидрофильными молекулами, переходят в трехмерную структуру, называемую матрицей биопленки.

-Структура матрицы очень вязкоупругая, обладает резиновыми свойствами, устойчива к растяжению и механическому разрушению.

- Матрица имеет способность прилипать к поверхностям раздела, включая внутренние пространства пористой среды, через внеклеточные полисахариды, которые действуют как прилипшие десны.

-Полимерная матрица преимущественно анионная, а также включает неорганические вещества, такие как катионы металлов.

-Он имеет водные каналы, по которым циркулируют кислород, питательные вещества и отходы, которые можно переработать.

-Эта матрица биопленки работает как средство защиты и выживания в неблагоприятных условиях окружающей среды, барьер против фагоцитарных захватчиков, а также против проникновения и распространения дезинфицирующих средств и антибиотиков.

Экофизиологические характеристики биопленок

-Формирование матрицы в неоднородных градиентах приводит к появлению разнообразных микроструктур, что позволяет биоразнообразию существовать внутри биопленки.

-В матрице клеточная форма жизни радикально отличается от свободной жизни, не связана. Микроорганизмы биопленки иммобилизованы, очень близко друг к другу, объединены в колонии; этот факт позволяет происходить интенсивным взаимодействиям.

-Взаимодействия между микроорганизмами в биопленке включают обмен данными посредством химических сигналов в коде, называемом «определение кворума».

-Есть и другие важные взаимодействия, такие как перенос генов и формирование синергетических микроконсорциумов.

-Фенотип биопленки можно описать с точки зрения генов, экспрессируемых ассоциированными клетками. Этот фенотип изменяется в отношении скорости роста и транскрипции генов.

- Организмы внутри биопленки могут транскрибировать гены, которые не транскрибируют их планктонные или свободные формы жизни.

-Процесс образования биопленки регулируется специфическими генами, транскрибируемыми во время начальной адгезии клеток.

-В замкнутом пространстве матрицы есть механизмы сотрудничества и конкуренции. Конкуренция порождает постоянную адаптацию биологических популяций.

- Создается коллективная внешняя пищеварительная система, которая удерживает внеклеточные ферменты рядом с клетками.

-Эта ферментная система позволяет связывать, накапливать и метаболизировать растворенные, коллоидные и / или взвешенные питательные вещества.

-Матрица функционирует как общая внешняя область переработки, хранения компонентов лизированных клеток, а также как коллективный генетический архив.

-Биопленка действует как защитный структурный барьер против изменений окружающей среды, таких как высыхание, действие биоцидов, антибиотиков, иммунные реакции хозяина, окислители, катионы металлов, ультрафиолетовое излучение, а также является защитой от многих хищников, таких как фагоцитарные простейшие и насекомые.

- Матрица биопленки представляет собой уникальную экологическую среду для микроорганизмов, которая обеспечивает динамичный образ жизни для биологического сообщества. Биопленки - это настоящие микроэкосистемы.

Образование биопленки

Формирование биопленок - это процесс, при котором микроорганизмы переходят из свободно живущего кочевого одноклеточного состояния в многоклеточное оседлое состояние, когда последующий рост приводит к образованию структурированных сообществ с клеточной дифференциацией.

Развитие биопленки происходит в ответ на внеклеточные сигналы окружающей среды и самогенерируемые сигналы.

Исследователи, изучающие биопленки, согласны с тем, что можно построить обобщенную гипотетическую модель для объяснения их образования.

Данная модель образования биопленок состоит из 5 этапов:

1. Первоначальная адгезия к поверхности.
2. Формирование монослоя.
3. Миграция с образованием многослойных микроколоний.
4. Производство полимерного внеклеточного матрикса.
5. Созревание трехмерной биопленки.

Рисунок 2. Процесс образования биопленки. Источник: Д. Дэвис, через Wikimedia Commons.

Первоначальная адгезия к поверхности

Образование биопленки начинается с первоначальной адгезии микроорганизмов к твердой поверхности, где они иммобилизуются. Было обнаружено, что у микроорганизмов есть поверхностные сенсоры и что поверхностные белки участвуют в формировании матрицы.

У неподвижных организмов, когда условия окружающей среды благоприятны, производство адгезинов на их внешней поверхности увеличивается. Таким образом, он увеличивает свою способность к адгезии между клетками и клеточной поверхностью.

В случае мобильных видов отдельные микроорганизмы располагаются на поверхности, и это является отправной точкой на пути к радикальному изменению их образа жизни от кочевого свободного передвижения к оседлому, почти сидячему.

Таким образом, способность двигаться теряется при формировании матрикса, в дополнение к адгезивным веществам участвуют различные структуры, такие как жгутики, реснички, пилусы и фимбрии.

Затем в обоих случаях (подвижные и неподвижные микроорганизмы) образуются небольшие агрегаты или микроколонии, и возникает более интенсивный межклеточный контакт; адаптивные фенотипические изменения к новой среде происходят в кластерных клетках.

Формирование монослоя и микроколоний в многослойных.

Начинается продукция внеклеточных полимерных веществ, происходит их первоначальное образование в монослое и последующее развитие в многослойном.

Производство полимерного внеклеточного матрикса и созревание трехмерной биопленки.

Наконец, биопленка достигает своей стадии зрелости с трехмерной архитектурой и наличием каналов, по которым циркулируют вода, питательные вещества, коммуникационные химические вещества и нуклеиновые кислоты.

Матрикс биопленки удерживает клетки и удерживает их вместе, способствуя высокой степени взаимодействия с межклеточной коммуникацией и формированию синергетических консорциумов. Клетки биопленки не полностью иммобилизованы, они могут перемещаться внутри нее, а также отделяться.

Типы биопленок

Количество видов

По количеству видов, участвующих в биопленке, последние можно разделить на:

• Биопленки вида. Например, биопленки, образованные Streptococcus mutans или Vellionela parvula.
• Биопленки двух видов. Например, также была обнаружена ассоциация Streptococcus mutans и Vellionella parvula в биопленках.
• Полимикробные биопленки, состоящие из многих видов . Например, зубной налет.

Тренировочная среда

Также в зависимости от среды, в которой они образуются, биопленки могут быть:

• натуральный
• промышленные
• внутренний
• гостеприимный

Рисунок 3. Биопленки термофильных бактерий в Микки Хот Спрингс, Орегон, США. Источник: Amateria1121, из Wikimedia Commons

Тип интерфейса, на котором они генерируются

С другой стороны, в зависимости от типа интерфейса, в котором они сформированы, их можно разделить на:

• Биопленки на границе раздела твердых и жидких веществ , например, образующиеся в акведуках и резервуарах, трубах и резервуарах для воды в целом.
• Биопленки на границе раздела твердых частиц и газа (SAB от английского аббревиатуры Sub Aereal Biofilms); которые представляют собой микробные сообщества, которые развиваются на твердых минеральных поверхностях, подверженных прямому воздействию атмосферы и солнечной радиации. Их можно найти в зданиях, голых скалах пустыни, горах и т. Д.

Примеры биопленок

-Зубной налет

Зубной налет был изучен как интересный пример сложного сообщества, живущего в биопленках. Биопленки зубных пластин твердые и неэластичные из-за наличия неорганических солей, которые придают жесткость полимерной матрице.

Микроорганизмы зубного налета очень разнообразны, и в биопленке насчитывается от 200 до 300 ассоциированных видов.

Среди этих микроорганизмов:

• Род Streptococcus ; состоит из ацидурических бактерий, которые деминерализуют эмаль и дентин и вызывают кариес. Например, виды: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis и S. milleri.
• Род Lactobacillus , состоящий из ацидофильных бактерий, денатурирующих белки дентина. Например, виды: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Род Actinomyces , который представляют собой ацидурические и протеолитические микроорганизмы. Среди них виды: viscosus, A. odontoliticus и A. naeslundii.
• И другие роды , такие как: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis и Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Биопленки в черной воде

Другой интересный пример - бытовые сточные воды, где нитрифицирующие микроорганизмы, окисляющие аммоний, нитрит и автотрофные нитрифицирующие бактерии, живут в биопленках, прикрепленных к трубам.

Среди бактерий, окисляющих аммоний, в этих биопленках численно доминирующими видами являются представители рода Nitrosomonas, распространенные по всей матрице биопленки.

Большинство компонентов в группе нитрит-оксидантов - это компоненты рода Nitrospira, которые расположены только во внутренней части биопленки.

- Биопленки Subaerie

Биопленки Subaerie характеризуются неоднородным ростом на твердых минеральных поверхностях, таких как камни и городские здания. Эти биопленки представляют собой доминирующие ассоциации грибов, водорослей, цианобактерий, гетеротрофных бактерий, простейших, а также микроскопических животных.

В частности, биопленки SAB содержат хемолитотрофные микроорганизмы, способные использовать неорганические минеральные химические вещества в качестве источников энергии.

Хемолитотрофные микроорганизмы обладают способностью окислять неорганические соединения, такие как H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ^2+, и использовать электрическую потенциальную энергию, вырабатываемую окислением в их метаболизмах.

Среди видов микробов, присутствующих в субаэральных биопленках, есть:

• Бактерии рода Geodermatophilus; цианобактерии родов C hrococcoccidiopsis, кокковидные и нитчатые виды, такие как Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Зеленые водоросли из родов Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia и Stichococcus.
• Гетеротрофные бактерии (доминируют в субаэральных биопленках): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. и Rhodococcus sp.
• Хемоорганотрофные бактерии и грибы, такие как Actynomycetales (стрептомицеты и Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria и Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Биофильмы возбудителей болезней человека

Многие бактерии, известные как возбудители болезней человека, живут в биопленках. Среди них: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans и Legionella pneumophyla.

-Бубонная чума

Представляет интерес передача бубонной чумы через укусы блох, относительно недавняя адаптация бактериального агента, ответственного за это заболевание, Yersinia pestis.

Эта бактерия растет в виде биопленки, прикрепленной к верхней пищеварительной системе переносчика (блохи). Во время укуса блоха изрыгает биопленку, содержащую Yersinia pestis, в дерме, тем самым инициируя инфекцию.

-Больничные венозные катетеры

Микроорганизмы, выделенные из биопленки на эксплантированных центральных венозных катетерах, включают удивительное множество грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также других микроорганизмов.

Несколько научных исследований сообщают о грамположительных бактериях биопленок в венозных катетерах: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus. и Streptococcus pneumoniae.

Среди грамотрицательных бактерий, выделенных из этих биопленок, сообщается о следующих: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca put, Pseudomonas. , и Serratia marcescens.

Другие организмы, обнаруженные в этих биопленках: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis и Mycobacterium chelonei.

-В индустрии

Что касается работы отрасли, биопленки создают препятствия для труб, повреждение оборудования, помехи в таких процессах, как теплопередача при покрытии поверхностей теплообменников или коррозия металлических деталей.

Пищевая промышленность

Пленкообразование в пищевой промышленности может создать серьезные проблемы для здоровья людей и эксплуатации.

Связанные патогены в биопленках могут загрязнять пищевые продукты патогенными бактериями и вызывать серьезные проблемы со здоровьем потребителей.

Среди биопленок патогенов, связанных с пищевой промышленностью, есть:

Listeria monocytogenes

Этот патоген использует на начальной стадии образования биопленок жгутики и мембранные белки. Образует биопленки на стальных поверхностях нарезчиков.

В молочной промышленности биопленки Listeria monocytogenes могут производиться в жидком молоке и молочных продуктах. Остатки молока в трубах, резервуарах, контейнерах и других устройствах способствуют развитию биопленок этого патогена, который использует их в качестве доступных питательных веществ.

Pseudomonas

Биопленки этих бактерий можно найти на объектах пищевой промышленности, таких как полы, стоки и на пищевых поверхностях, таких как мясо, овощи и фрукты, а также в производных молока с низким содержанием кислоты.

Pseudomonas aeruginosa выделяет несколько внеклеточных веществ, которые используются в формировании полимерной матрицы биопленки, прилипающей к большому количеству неорганических материалов, таких как нержавеющая сталь.

Псевдомонады могут сосуществовать в биопленке вместе с другими патогенными бактериями, такими как сальмонелла и листерия.

сальмонелла

Виды сальмонелл являются первым возбудителем зоонозов бактериальной этиологии и вспышек пищевых отравлений.

Научные исследования показали, что сальмонелла может прикрепляться в виде биопленок к бетонным, стальным и пластиковым поверхностям на предприятиях пищевой промышленности.

Виды сальмонелл обладают поверхностными структурами с адгезионными свойствами. Кроме того, он производит целлюлозу как внеклеточное вещество, которое является основным компонентом полимерной матрицы.

кишечная палочка

Он использует жгутики и мембранные белки на начальной стадии образования биопленок. Он также производит внеклеточную целлюлозу для создания трехмерного каркаса матрицы в биопленке.

Устойчивость биопленок к дезинфицирующим средствам, гермицидам и антибиотикам

Биопленки обеспечивают защиту составляющих их микроорганизмов от действия дезинфицирующих средств, гермицидов и антибиотиков. Механизмы, которые позволяют использовать эту функцию, следующие:

• Задержка проникновения антимикробного агента через трехмерную матрицу биопленки из-за очень медленной диффузии и трудности достижения эффективной концентрации.
• Изменена скорость роста и низкий метаболизм микроорганизмов в биопленке.
• Изменения физиологических реакций микроорганизмов во время роста биопленок с измененной экспрессией генов устойчивости.

Ссылки

1. Бактериальные биопленки. (2008). Актуальные темы микробиологии и иммунологии. Тони Ромео Редактор. Том 322. Берлин, Ганновер: Springer Verlag. pp301.
2. Донлан, Р.М. и Костертон, Дж. У. (2002). Биопленки: механизмы выживания клинически значимых микроорганизмов. Обзоры клинической микробиологии. 15 (2): 167-193. DOI: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Флеминг, Х.С. и Вингендер, Ф. (2010). Матрица биопленки. Обзоры природы микробиологии. 8: 623-633.
4. Горбушина, А. (2007). Жизнь на скалах. Экологическая микробиология. 9 (7): 1-24. DOI: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. О'Тул, Г., Каплан, Х.Б. и Колтер, Р. (2000). Формирование биопленок как развитие микробов. Ежегодный обзор микробиологии.54: 49-79. DOI: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Холл-Стодли, Л., Костертон, Дж. У. и Стодли, П. (2004). Бактериальные биопленки: от окружающей среды до инфекционных заболеваний. Обзоры природы микробиологии. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Внеклеточная ДНК необходима для образования бактериальной биопленки. 259 (5559): 1487-1499. DOI: 10.1126 / science.295.5559.1487