Утворення біофільмів: як бактерії будують разом фортецю

Від вільно плаваючих клітин до укріпленої колонії

Більшість бактерій можуть вести два дуже різні способи життя. Як планктонні клітини, вони вільно плавають, кожна незалежна і безпосередньо піддається впливу антибіотиків, імунних клітин або нестачі поживних речовин в навколишньому середовищі. Як біофіль, вони приєднуються до поверхні та один до одного, виділяючи саморобку матрицю, яка перетворює розріджену популяцію на щось схоже на простій багатоклітинний організм – і саме цей перехід, а не будь-яка окрема мутація, робить біофільні інфекції та промисловий відкладення важкими для усунення.

Чотири етапи

Утворення біофільмів відбувається за загальновизнаним порядком. Прикріплення: клітини контактують із поверхнею (пасивно, потоком, або активно, плаванням) і утворюють слабкий, зворотний зв’язок через сили Ван-дер-Ваальса та електростатичні сили, який стає незворотним після взаємодії поверхневих адгезинів (віїли, фімбрії). Формування мікроколоній: прикріплені клітини діляться та залучають сусідів, починаючи виділяти екстрацелюлярні полімерні речовини (ЕПС) – матрицю з полісахаридів, білків та екстрацелюлярного ДНК. Зрілість: мікроколонія ущільнюється в структуровану, часто у формі грибниці архітектуру з каналами для води, що проходять через неї, які функціонують майже як примітивний циркуляторна система, доставляючи поживні речовини та виводячи відходи до клітин, занурених глибоко всередині. Дисеява: у відповідь на внутрішні сигнали (виснаження поживних речовин, накопичення відходів) або зовнішні стимули деякі клітини повертаються в планктонний стан і покидають поверхню, щоб садити нові поверхні в інших місцях, завершуючи цикл.

Сенсорне спілкування: підрахунок сусідів за допомогою хімії

Жодна з цих координацій не потребує централізованого контролю, оскільки бактерії координуються хімічно через сенсорне спілкування. Кожна клітина безперервно виділяє невеликі розчинні сигнальні молекули – автоіндуктори: ацил-гомосеринові лактони (AHL) у більшості грамнегативних видів, невеликі пептиди (автоіндукуючі пептиди, AIP) у більшості грампозитивних видів. При низькій щільності цих молекул достатньо, щоб вони розсіювалися і залишалися розведеними; коли локальна популяція зростає, їх концентрація підвищується до рівня, який окремі клітини можуть виявляти за допомогою спеціалізованого рецептора, після чого вся локальна популяція майже одночасно переходить у стан виробництва EPS та зобов’язання формувати біофіль.

низька щільність: [автоіндуктор] нижче порогу → гени ВИМКНЕНІ (планктонна поведінка)висока щільність: [автоіндуктор] вище порогу → гени УВІМКНЕНІ (виробництво EPS, токсини, поведінка, зобов’язання формувати біофіль) Це, функціонально, хімічний перепис: клітина не може безпосередньо підраховувати своїх сусідів, але відчуваючи концентрацію молекули, яку також виділяє кожен сусід, популяція оцінює свою щільність і лише зобов’язується до дорогого, кооперативного біофільного програмного забезпечення після того, як присутня достатня кількість клітин для того, щоб ця співпраця окупилася.

low density:  [autoinducer] below threshold  →  genes OFF  (planktonic behaviour)
high density: [autoinducer] above threshold  →  genes ON   (EPS production, virulence factors,
                                                             biofilm-committed behaviour)

Чому біофільми так добре толерують антибіотики

Бактерії, що утворюють біофільми, зазвичай не є генетично стійкими в тому ж сенсі, що й мутант-резистент до ліків – видаліть їх і вирощуйте як окремі планктонні клітини, і вони часто залишаються такими ж чутливими, як раніше. Їхня толерантність виникає завдяки самому стану біофілу, через кілька комбінованих механізмів: EPS-матриця фізично сповільнює дифузію ліків у глибокі шари; градієнти поживних речовин та кисню всередині щільної біофільної структури залишають ядро повільно ростучих або сплячих клітин, які багато ліків (які спрямовані на механізми активного росту чи поділу) просто неефективно не можуть знищити; і невелика частка клітин переходить у відмінний, зворотній стан сну, відомий як персістени, які виживають під час впливу антибіотиків, фактично вимикаючи процеси, на які вони спрямовані, а потім реагують, коли загроза минула. Ця комбінація регулярно дозволяє інфекціям, спричиненим біофілами, витримувати концентрації антибіотиків у 10 до 1000 разів вищі, ніж ті, що знищують ту ж саму вид бактерій, що росте планктонно.

Де це має значення

Хронічні рани та інфекції імплантів, зубний камінь, колонізація катетерів і медичних пристроїв, а також біофільація промислових та морських трубопроводів, корпусів суден та систем водопостачання – все це один основний процес. Саме тому порушення сигналівquorum sensing, а не просто збільшення доз антибіотиків, стало активною ціллю для наступного покоління стратегій боротьби з біофілмами.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Biofilm Formation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.