Глава 3. Биохимия и физиология биоплёнок
Глава 4. Регуляция процесса формирования биоплёнки. Межклеточная коммуникация
Как уже отмечалось выше, процесс формирования биоплёнки является сложным процессом, в который вовлекаются многие клеточные системы. Несомненно, что такой процесс требует достаточно тонких механизмов регуляции, которые позволяли бы оптимизировать процесс формирования биоплёнки и обеспечивать правильное функционирование этой структуры. Особенно остро, этот вопрос ставится, когда мы имеем дело с природными поливидовыми биоплёнками, состоящими из десятков, а то и сотен видов микроорганизмов. Для нормального функционирования и выживания такого сообщества микроорганизмы, входящие в его состав должны действовать сообща и координировать свою активность принося тем самым пользу всему сообществу. Исследования последних сорока лет позволили выявить и описать механизмы такой регуляции и их роль в существовании микроорганизмов и их сообществ.
Сегодня изучение процессов межклеточной коммуникации у микроорганизмов является одной из наиболее динамично развивающихся областей современной микробиологии, с привлечением самых передовых на сегодняшний день методов биохимии и молекулярной генетики. Углубление знаний о процессе коммуникации у микроорганизмов открывает широкие перспективы для направленной регуляции этих процессов, что является важным, в частности для биотехнологии и медицины. Ниже будет проведён разбор основных принципов функционирования системы межклеточной коммуникации у микроорганизмов.
4.1. Система quorum sensing
Система межклеточной коммуникации у микроорганизмов носит название системы quorum sensing (QS). Сегодня система QS определяется как система координированной экспрессии генов в популяции, зависящая от показателя её плотности, с использованием малых сигнальных молекул [22, 56]. Как уже отмечалось выше, этот механизм был впервые описан в 1970 году Нильсоном у морской бактерии Vibrio fisheri в качестве системы регуляции биолюминисценции [54]. Изначально предполагалось, что данный механизм регуляции свойственен лишь небольшому числу близкородственных видов рода Vibrio, однако дальнейшие исследования показали широкую распространённость этого механизма регуляции в мире микроорганизмов. Было обнаружено, что с помощью системы QS микроорганизмы способны регулировать многие процессы жизнедеятельности, в частности патогенность, вторичный метаболизм, формирование биоплёнки и многое другое [9]. Было показано, что система QS встречается не только у бактерий, но и у некоторых низших эукариот, таких как дрожжеподобные грибы родов Candida и Cryptococcus. Более того, оказалось, что с помощью этой системы микроорганизмы способны взаимодействовать не только с себе подобными, но и осуществлять межцарственную коммуникацию, в том числе и с высшими эукариотами [29, 72].
В общем случае функционирование системы QS базируется на ряде ключевых принципов (рис. 12):
Использование малых сигнальных молекул – в системе QS передача сигнала от одной клетке к другой осуществляется с помощью сигнальных молекул различной химической природы.
Наличие специфических рецепторов – сигнальные молекулы не влияют на экспрессию генов-мишеней на прямую. Активация генов-мишеней происходит лишь после связывания сигнальных молекул с соответствующими рецепторами.
Влияние плотности популяции клеток – запуск системы QS осуществляется лишь по достижении определённого значения плотности популяции клеток, коррелирующей с концентрацией сигнальных молекул во внешней среде.
Самоподдержание функционирования – контроль синтеза новых сигнальных молекул и рецепторов осуществляется так же, как и генов- мишеней в отсутствии активации систем репрессии.
Наличие механизмов избирательной негативной регуляции – в клетках микроорганизмов имеются как зависимые, так и не зависимые от QS гены негативной регуляции, продукты которых способны избирательно отключать целые звенья системы QS или всю систему в целом.
Рис. 12. Общая схема функционирования системы quorum sensing.
Данные принципы являются общими практически для всех типов систем QS не зависимо от их конкретной структурной организации. Запуск системы QS обычно совпадает по времени с ранней стадией экспоненциального роста, для которой является характерным быстрый рост плотности популяции клеток [45]. Экспрессия генов-мишеней же напротив обычно начинается с выходом популяции клеток в стационарную фазу, и обычно является комплексной, то есть, предполагает начало биосинтеза практически всех регулируемых с помощью QS продуктов в короткий промежуток времени [3, 59]. Таким образом, ранние этапы работы системы QS заключаются в обеспечении биосинтеза сигнальных молекул и рецепторов к ним, до определённого момента, совпадающего с накоплением максимальной концентрации сигнальных молекул в межклеточном пространстве, по достижению которой работа системы QS переходит в самоподдерживающееся состояние [9].
Механизмы, лежащие в основе ранней активации системы QS, на сегодня окончательно не выяснены. Не смотря на то, что обнаружено большое количество различных регуляторов, которым приписывается определённая роль в ранней активации системы, многие вопросы остаются не решёнными [57]. Прежде всего, не ясно, каким образом регулируется первичное накопление сигнальных молекул и рецепторов к ним. Существует гипотеза о том, что определённое количество сигнальных молекул и рецепторов к ним присутствует в клетках постоянно, и первичное их накопление происходит по тому же самоподдерживающемуся механизму, при этом на синтез сигнальных молекул и рецепторов расходуется часть внутриклеточного пула этих соединений. Остальная же часть выводится из клеток и по достижении пороговой концентрации реабсорбируется и запускает экспрессию генов-мишеней. Однако, исходя из особенностей функционирования некоторых типов системы QS, подобное видится маловероятным. James P. Pearson, напротив, считает что первичный запуск QS осуществляется с помощью неспецифических регуляторов транскрипции таких как MvaT и Vfr (Virulence factors regulator) Pseudomonas aeruginosa, и система переходит в самоподдерживающееся состояние значительно позднее [57].