1.3. Составные компоненты биоплёнки
Как было указанно выше, биоплёнки представляют собой сложные многокомпонентные трёхмерные структуры. В большинстве случаев в составе любой биоплёнки можно выделить как минимум два исходных компонента – клеточная биомасса и матрикс [2, 19, 40]. В составе биоплёнок клетки микроорганизмов, прикреплённые к поверхности субстрата, равномерно покрываются матриксом – сложным комплексом биополимеров (рис. 2.).
Р
ис
2. Принципиальное строение биоплёнки
(флуоресцентная микроскопия).
- Клетки микроорганизмов - Матрикс
Клеточный компонент биоплёнок представлен совокупностью клеток микроорганизмов образующих эту структуру. По своему клеточному составу можно выделить два основных типа биопллёнок: моновидовые и поливидовые. Моновидовые биоплёнки содержат в своём составе только один вид микроорганизмов. В природных условиях такие биоплёнки встречаются достаточно редко. В основном они формируются некоторыми патогенными микроорганизмами в тех органах и тканях макроорганизма, которые в норме являются стерильными. Примером таких биоплёнок и вызываемых ими поражений может служить образование биоплёнки P.aeruginosa в лёгких людей больных муковисцидозом. Так же моновидовые биоплёнки встречаются в медицинских стационарах, где их можно найти на различном медицинском оборудовании, в том числе устройствах для инфузионной терапии и аппаратах искусственного дыхания. Причиной их распространение служит то, что в условиях медицинского стационара, некоторые виды микроорганизмов, например P. aeruginosa, MRSA штаммы Staphyloccus aureus, Serratia marcesence и Candida albicans быстро приобретают резистентность к используемым в медицинской практике антимикробным препаратам и дезинфектантам, вытесняют другие виды. Не смотря на это, моновидовые биоплёнки остаются скорее лабораторным, чем природным явлением. Сегодня они являются объектами для изучения многих свойств микроорганизмов, а так же моделями при разработке новых антимикробных препаратов и т.д.
Большинство биоплёнок, образующихся в окружающей среде, относится к поливидовым биоплёнкам. Такие биоплёнки представляют сложные сообщества, состоящие из многих видов микроорганизмов. В пределах такого сообщества можно обнаружить клетки бактерий, дрожжевых и плесневых грибов, простейших, а так же частицы вирусов, в основном бактериофагов.
1.4. Матрикс
Важнейшим компонентом биоплёнки является так называемый матрикс (внеклеточная полимерная субстанция). Он представляет собой комплекс биополимеров, синтезируемый клетками микроорганизмов, входящих в состав биоплёнки. В состав матрикса входят полисахариды, структурные белки, экзоферменты, нуклеиновые кислоты (рис.3.). Качественный и количественный состав этих компонентов сильно варьирует как в зависимости от видов микроорганизмов формирующих биоплёнку, так и от условий в которых эти биоплёнки образуются. Так, в составе матрикса биопленок в состав которых входят хемолитотрофные микроорганизмы содержится значительное количество различных неорганических соединений, например серы или кремния.
Матрикс играет огромную роль в организации и функционировании биоплёнок. Прежде всего, он способствует пространственной организации
Рис. 3. Основные компоненты матрикса биоплёнки [20].
этих структур, отграничивая биоплёнки от негативного влияния внешней среды. Значительная степень вязкости матрикса, за счёт входящих в его состав полисахаридов позволяет с одной стороны сконцентрировать синтезируемые экзоферменты рядом с клетками, тем самым, повышая их концентрацию в определённой точки пространства, а, с другой стороны, препятствует равномерному распределению по всей биоплёнке неблагоприятных для неё веществ, таких как, например, антибиотики и дезинфектанты. Компоненты матрикса биоплёнки так же могут служить резервными источниками основных биогенных элементов в случае прекращения поступления питательных веществ, что позволяет клеткам, входящим в состав биоплёнки некоторое время существовать в условиях сокращающегося притока питательных веществ. Среди основных функций матрикса можно выделить следующие [20]:
Участие в процессе адгезии – матрикс обеспечивает начальные этапы колонизации различных поверхностей клетками и долговременное прикрепление биоплёнок к поверхностям.
Участие в агрегации клеток – создание связей между клетками, временная иммобилизация популяции, повешение плотности клеток в определённой точке пространства.
Когезия – формирование полимерных сетей обеспечивающих механическую стабильность биоплёнок и формирование сложной архитектуры.
Удержание воды – создание сильно увлажнённой микросреды в биоплёнках, противодействие потере жидкости в сухих условиях.
Создание защитного барьера – обеспечение резистентности к неспецифическим и специфическим факторам защиты организма, толерантность к антимикробным средствам, защита ферментных систем от неблагоприятного влияния (например, нитрогеназы цианобактерий от негативного влияния кислорода), противодействие пожиранию некоторыми простейшими.
Сорбция органических соединений и неорганических ионов – связывание питательных веществ, ксенобиотиков, ионов тяжёлых металлов; участие в обмене ионов; формирование полисахаридного геля.
Каталитическая активность – обеспечение повышенной активности экзоферментов за счёт их иммобилизации на полисахаридной матрице. Обеспечение переработки питательных веществ.
Запасание источников питания – создание запасов углерод- азот- и фосфорсодержащих соединений утилизируемых клетками биоплёнок.
Обеспечение генетической изменчивости – обеспечение горизонтального переноса генетического материала между клетками в биоплёнках.
Поддержание окислительно-восстановительного потенциала – обеспечение интерцеллюлярного переноса электронов (фимбрии, белковая «нанопроволка»).
Экспорт клеточных компонентов – обеспечение обмена с окружающей средой с помощью везикул содержащих белки, нуклеиновые кислоты, липополисахариды и фосфолипиды.