Биопленки представляют собой совокупность одного или нескольких типов микроорганизмов, которые могут расти на разных поверхностях. Микроорганизмы, которые образуют биопленки, включают бактерии, грибки и протисты.
Один из распространенных примеров зубного налета на биопленке, слизистые скопления бактерий, которые образуются на поверхности зубов. Мразь пруда является еще одним примером. Было обнаружено, что биопленки растут на минералах и металлах. Они были найдены под водой, под землей и над землей. Они могут расти на тканях растений и животных, а также на имплантированных медицинских устройствах, таких как катетеры и кардиостимуляторы.
Каждая из этих отдельных поверхностей имеет общую определяющую особенность: они мокрые. Эти среды «периодически или постоянно наполняются водой», согласно статье 2007 года, опубликованной в журнале «Микроб». Биопленки процветают на влажных или влажных поверхностях.
Биопленки давно зарекомендовали себя в таких условиях. Согласно статье 2004 года, опубликованной в журнале Nature Reviews Microbiology, окаменелости биопленок датируются примерно 3,25 миллиарда лет назад. Например, биопленки были обнаружены в глубоководных гидротермальных породах 3.2 миллиарда лет Кратона Пилбара в Австралии. Подобные биопленки встречаются в гидротермальных средах, таких как горячие источники и глубоководные жерла.
Формирование биопленки
Формирование биопленки начинается, когда свободно плавающие микроорганизмы, такие как бактерии, вступают в контакт с соответствующей поверхностью и начинают, так сказать, пускать корни. Этот первый этап прикрепления происходит, когда микроорганизмы производят клейкую субстанцию, известную как внеклеточное полимерное вещество (EPS), согласно Центру биопленочной инженерии в Университете штата Монтана. EPS - это сеть сахаров, белков и нуклеиновых кислот (таких как ДНК). Это позволяет микроорганизмам в биопленке слипаться.
Присоединение сопровождается периодом роста. Другие слои микроорганизмов и EPS строятся на первых слоях. В конечном счете, они создают луковичную и сложную трехмерную структуру, согласно Центру биопленочной инженерии. Водные каналы перекрещивают биопленки и обеспечивают обмен питательными веществами и отходами, согласно статье в Microbe.
Множественные условия окружающей среды помогают определить степень роста биопленки. Эти факторы также определяют, состоит ли он только из нескольких слоев клеток или значительно больше. «Это действительно зависит от биопленки», - сказал Робин Герлах, профессор кафедры химической и биологической инженерии в Университете штата Монтана в Бозмане. Например, микроорганизмы, которые производят большое количество EPS, могут перерасти в довольно толстые биопленки, даже если у них нет доступа к большому количеству питательных веществ, сказал он. С другой стороны, для микроорганизмов, которые зависят от кислорода, доступное количество может ограничивать, насколько они могут расти. Другим фактором окружающей среды является понятие «напряжение сдвига». «Если у вас очень высокий поток через биопленку, как в ручье, биопленка обычно довольно тонкая. Если у вас есть биопленка в медленно текущей воде, как в пруду, она может стать очень толстой», - объяснил Герлах.
Наконец, клетки в биопленке могут покинуть складку и обосноваться на новой поверхности. Либо скопление клеток разрушается, либо отдельные клетки вырываются из биопленки и ищут новый дом. Этот последний процесс известен как «рассеяние семян», согласно Центру биопленочной инженерии.
Зачем формировать биопленку?
Для микроорганизмов жизнь в составе биопленки имеет определенные преимущества. «Сообщества микробов обычно более устойчивы к стрессу», - сказал Герлах в интервью Live Science. Потенциальные факторы стресса включают в себя недостаток воды, высокий или низкий рН или присутствие токсичных для микроорганизмов веществ, таких как антибиотики, противомикробные препараты или тяжелые металлы.
Существует много возможных объяснений устойчивости биопленок. Например, слизистое EPS-покрытие может выступать в качестве защитного барьера. Это может помочь предотвратить обезвоживание или служить защитой от ультрафиолетового (УФ) света. Кроме того, вредные вещества, такие как противомикробные препараты, отбеливатель или металлы, связываются или нейтрализуются при контакте с EPS. Таким образом, согласно статье 2004 года в Nature Reviews Microbiology, они разбавляются до концентраций, которые не приводят к смертельному исходу, прежде чем они смогут достичь различных клеток в глубине биопленки.
Тем не менее, некоторые антибиотики могут проникать в ЭПС и проникать сквозь слои биопленки. Здесь может вступить в действие другой защитный механизм: присутствие бактерий, которые находятся в состоянии покоя. Чтобы хорошо работать, все антибиотики требуют определенного уровня клеточной активности. Таким образом, если бактерии изначально находятся в состоянии покоя, антибиотик не так много разрушает.
Еще одним способом защиты от антибиотиков является наличие специальных бактериальных клеток, известных как «персистент». Такие бактерии не делятся и устойчивы ко многим антибиотикам. Согласно статье 2010 года, опубликованной в журнале Cold Spring Harbour Perspectives in Biology, «сохраняет» функцию, производя вещества, которые блокируют мишени антибиотиков.
В целом, микроорганизмы, живущие вместе как биопленка, выигрывают от присутствия их различных членов сообщества. Герлах привел пример автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов, которые живут вместе в биопленках. Автотрофы, такие как фотосинтезирующие бактерии или водоросли, способны производить свою собственную пищу в форме органического (углеродсодержащего) материала, в то время как гетеротрофы не могут производить свою собственную пищу и требуют внешних источников углерода. «В этих многоорганизационных сообществах они часто пересекаются», - сказал он.
Биопленки и мы
Учитывая широкий спектр сред, в которых мы сталкиваемся с биопленками, неудивительно, что они влияют на многие аспекты человеческой жизни. Ниже приведены несколько примеров.
Здоровье и болезнь
По мере того, как исследования продвигались в течение многих лет, биопленки - бактериальные и грибковые - были вовлечены в различные состояния здоровья. В 2002 году в заявке на получение грантов Национальные институты здравоохранения (NIH) отметили, что биопленки составляют «более 80 процентов микробных инфекций в организме».
Биопленки могут расти на имплантированных медицинских устройствах, таких как протезы клапанов сердца, протезы суставов, катетеры и кардиостимуляторы. Это в свою очередь приводит к инфекциям. Впервые это явление было отмечено в 1980-х годах, когда бактериальные биопленки были обнаружены на внутривенных катетерах и кардиостимуляторах. Бактериальные биопленки также, как известно, вызывают инфекционный эндокардит и пневмонию у пациентов с муковисцидозом, согласно статье 2004 года в Nature Reviews Microbiology, среди других инфекций.
«Причина, по которой образование биопленки является серьезной причиной для беспокойства, заключается в том, что в биопленке бактерии более устойчивы к антибиотикам и другим основным дезинфицирующим средствам, которые можно использовать для их контроля», - сказал А.С. Матин, профессор микробиологии и иммунологии в Стэнфорде. Университет. В действительности, по сравнению со свободно плавающими бактериями, биопленка, которая растет в 1500 раз, может быть в 1500 раз более устойчивой к антибиотикам и другим биологическим и химическим агентам, согласно статье в Microbe. Матин описал устойчивость к биопленкам в сочетании с общим повышением устойчивости к антибиотикам среди бактерий как «двойной удар» и серьезную проблему для лечения инфекций.
Грибковые биопленки могут также вызывать инфекции, растя на имплантированных устройствах. Виды дрожжей, такие как представители рода Кандида расти на грудных имплантатах, кардиостимуляторах и протезах клапанов сердца в соответствии со статьей 2014 года, опубликованной в журнале Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Кандида виды также растут на тканях организма человека, что приводит к таким заболеваниям, как вагинит (воспаление влагалища) и кандидоз ротоглотки (дрожжевая инфекция, которая развивается во рту или в горле). Однако авторы отмечают, что лекарственная устойчивость в этих случаях не проявлялась.
Биоремедиация
Иногда биопленки полезны. «В целом биоремедиация - это использование живых организмов или их продуктов, например ферментов, для лечения или разложения вредных соединений», - сказал Герлах. Он отметил, что биопленки используются при очистке сточных вод, загрязнителей тяжелыми металлами, таких как хромат, взрывчатых веществ, таких как тротил, и радиоактивных веществ, таких как уран. «Микробы могут или ухудшить их, или изменить их подвижность или их токсическое состояние и, следовательно, сделать их менее вредными для окружающей среды и людей», - сказал он.
Нитрификация с использованием биопленок является одной из форм очистки сточных вод. Во время нитрификации аммиак превращается в нитриты и нитраты путем окисления. Это может быть сделано автотрофными бактериями, которые растут в виде биопленок на пластиковых поверхностях, согласно статье 2013 года, опубликованной в журнале Water Research. Эти пластиковые поверхности размером всего в несколько сантиметров и распределены по всей воде.
Взрывоопасный TNT (2,4,6-тринитротолуол) считается загрязнителем почвы, поверхностных и подземных вод. Химическая структура тротила состоит из бензола (гексагонального ароматического кольца, состоящего из шести атомов углерода), присоединенного к трем нитрогруппам (NO2) и одна метильная группа (СН3). Согласно статье 2007 года, опубликованной в журнале «Прикладная и экологическая микробиология», микроорганизмы разлагают ТНТ за счет сокращения. Большинство микроорганизмов восстанавливают три нитрогруппы, а некоторые атакуют ароматическое кольцо. Исследователи - Айрат Зиганшин, Робин Герлах и коллеги - обнаружили, что штамм дрожжей Yarrowia lipolytica был способен разлагать TNT обоими способами, хотя в основном за счет атаки ароматического кольца.
Микробные топливные элементы
Микробные топливные элементы используют бактерии для преобразования органических отходов в электричество. По словам Герлаха, микробы живут на поверхности электрода и переносят на него электроны, в конечном итоге создавая ток. В статье 2011 года, опубликованной в Illumin, онлайн-журнале Университета Южной Калифорнии, отмечается, что бактерии, питающие микробные топливные элементы, разрушают пищевые и телесные отходы. Это обеспечивает недорогой источник энергии и чистую устойчивую энергию.
Текущие исследования
Наш мир кишит биопленками. Фактически, к середине 20-го века было обнаружено больше бактерий на внутренних поверхностях контейнеров, содержащих бактериальные культуры, чем свободно плавающих в самой жидкой культуре, согласно статье 2004 года в Nature Reviews Microbiology. Понимание этих сложных микробных структур является активной областью исследований.
«Биопленки - это удивительные сообщества. Некоторые люди сравнивают их с многоклеточными организмами, потому что между отдельными клетками много взаимодействия», - говорит Герлах. «Мы продолжаем узнавать о них, и мы продолжаем узнавать о том, как лучше контролировать их: как для уменьшения вреда, как в области медицины, так и для увеличения пользы, как в биоремедиации. интересные вопросы в этой области. "
