1.1. Биоплёнки как форма существования микроорганизмов и их сообществ

С момента открытия самого факта существования микроорганизмов, исследователи в ходе работы сталкивались с всё новыми и новыми видами одноклеточных организмов. Сегодня количество известных видов бактерий, архей, одноклеточных грибов, водорослей и простейших исчисляется тысячами видов. В отличие от лабораторных условий, где в большинстве случаев оперируют с чистыми культурами микроорганизмов, в природных условиях они преимущественно обитают в составе сообществ. Такие сообщества в основном состоят из многих десятков или даже сотен видов микроорганизмов. Если такое сообщество существует на границе раздела фаз, обычно твёрдой и жидкой, то формируется сложная по своему химическому и видовому составу трёхмерная структура, которая получила название биоплёнка.

А Б В

Рис. 1. Примеры биоплёнок. А) Поливидовая 48 часовая биоплёнка (флуоресцентная микроскопия, окраска SYTO 9/пропидиум бромид); Б) Зрелая биоплёнка Pseudomonas aeruginosa (лазерно-конфокальная сканирующая микроскопия); В) Природная биоплёнка на обрезке пластиковой трубы.

Сегодня под термином биоплёнка понимают особую форму существования микроорганизмов и их сообществ, образующуюся как было указанно выше на границе раздела фаз и характеризующуюся набором свойств, отличных от совокупности автономных клеток микроорганизмов в чистой культуре. К образованию биоплёнок способно подавляющее большинство микроорганизмов. В качестве субстрата для них могут выступать различные структуры, такие как частицы грунта, металлоконструкции, водопроводные трубы, скалы и камни, и даже тела других организмов. Так, например микробиота кишечника или кожи человека формирует гигантские биоплёнки на соответствующих поверхностях. Такие структуры имеют различный срок существования от нескольких дней до многих лет, постоянно обновляясь и видоизменяясь [1, 3, 45]. В связи с такой широкой распространенностью биоплёнок в природе невозможно оспорить тот факт, что процесс образования биоплёнок даёт существенные преимущества микроорганизмам. Действительно, как будет показано далее, в биоплёнках видоизменяются многие процессы, повышается резистентность к действию неблагоприятных факторов, а так же происходит кооперация между составными частями сообщества направленное на поддержание оптимального его функционирования. Последнее очень часто наблюдается даже в случае с видами, которые в иных обстоятельствах являются антагонистами [8, 28]. Так, например Pseudomonas aeruginosa и Candida albicans, которые обычно являются конкурирующими видами, в составе биоплёнок проявляют более сложные формы взаимодействия [15].

1.2. История исследования биоплёнок

История исследования биоплёнок бёрет своё начало ещё на самой заре микробиологии. Так, ещё Левенгук в 1683 году открыв микроорганизмы, описал и явление формирование биоплёнок, в виде сообщества микроорганизмов зубного налёта. В дальнейшем с введением в практику микробиологии методов работы с чистыми культурами микроорганизмов исследование процесса формирования биоплёнки затормозилось практически на сто лет. Mary Ellen Davey и George A. O’Toole справедливо указывают на то, что данный метод привёл к формированию соответствующей парадигмы и доминированию, практически столетие, взгляда на микроорганизмы как на автономные существа, функционирование которых не выходит за рамки их одноклеточной природы [11]. Это привело к тому, что весь этот период практически вне поля зрения учённых оставались особенности функционирования клеток микроорганизмов в составе сообществ.

Возрождение интереса к изучению сообществ микроорганизмов во второй половине ХХ века связанно с рядом событий. Одним из таких событий стала вспышка в 1976 году заболевания, позже ставшего известным как болезнь легионеров. Исследования показали, что возбудитель этого заболевания Legionella pneumophilla в природных условиях часто находится в составе биоплёнок. Биоплёнки этого микроорганизма так же образуются в канализационных и водопроводных трубах, а так же в системах кондиционирования воздуха, что способствует его распространению и повышает вероятность заражения людей. Вторым важным событием, которое детерминировало интерес к детальному изучению биоплёнок как форме существования микроорганизмов, стало открытие в 1970 году Нильсоном у морской бактерии Vibrio fisheri системы регуляции биолюминесценции с использованием малых сигнальных молекул, которая позднее будет определенна как основная система межклеточной коммуникации у микроорганизмов [37]. Таким образом, начиная с 70-х годов ХХ века, изучение процесса формирование биоплёнки и межклеточной коммуникации превратилось в одну из наиболее динамично развивающихся областей современной микробиологии.