Какие плазмиды осуществляют токсинообразование

Обновлено: 04.07.2024

Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (или ДНК) обычно представляют собой макромолекулы, и они обязательно присутствуют в клетках как многоклеточных, так и одноклеточных организмов. Прежде всего, они содержатся в хромосомах, которые находятся в клеточном ядре. Но ДНК не всегда присутствует исключительно в виде хромосом внутри клеточного ядра. ДНК может быть представлена и в форме плазмид. Размеры этих молекул значительно меньше в сравнении с макромолекулами ДНК, но особенность этих молекул не только в этом.

Плазмиды существуют в отдельности от хромосом, и они способны осуществлять самостоятельную репликацию (или воспроизводить дочерние молекулы, проще говоря, размножаться). Плазмиды, тем не менее, не встречаются у животных, но они есть в бактериях, отдельных археях и в эукариотических клетках, коими обладают высшие растения и грибы.

Плазмиды обычно представлены в виде двухцепочечных (как ДНК) кольцевых молекул, а размеры варьируются от нескольких сотен спаренных азотистых оснований (п.о.) до 400 тысяч пар оснований, а то и 600 тысяч п.о. В клетках могут быть как одна-две копии, так и десятки копий плазмид. В одной клетке возможно сосуществование плазмид разных классов. Учёными выяснено, что плазмиды способны осуществлять репликацию, но они не являются живыми организмами.

Функции плазмид

Главной функциональной особенностью плазмид является то, что в них содержатся особые гены, отвечающие за улучшение показателей приспособленности бактерий к внешним воздействиям и раздражителям. А ещё плазмиды могут передаваться от одних бактерий к другим (при условии, что эти самые другие “бактерии-реципиенты” были того же вида, того же рода и того же семейства, что и “бактерии-доноры”), и более того, могут передаваться из клеток бактерий в клетки растений, и наоборот.

Содержащиеся в хромосомах макромолекулы ДНК на такое не способны. Таким образом подтверждается механизм горизонтального переноса генов. Если проще, то посредством молекул плазмид может передаваться генетическая информация организму, не являющемуся потомком “материнского”. Наследственная передача генетической информации, соответственно, является вертикальным переносом генов. И такой механизм передачи генов используется учёными-генетиками и применяется, к примеру, в генной инженерии, но об этом будет упомянуто ниже.

Плазмиды могут попасть в другую клетку двумя способами. Первый способ заключается в том, что “материнская” клетка напрямую вступает в контакт с другой клеткой, после чего происходит однонаправленный перенос плазмид, содержащих в себе генетический материал; этот процесс называется конъюгацией. Второй способ заключается в захвате и поглощении экзогенных (то есть, существующих во внешней среде) молекул ДНК, и это называется трансформацией.

Если подытожить, то можно заключить, что плазмиды в ходе попадания из одной клетки в другую в результате конъюгации осуществляют одну из главных своих функций: горизонтально переносят генетическую информацию из клетки в клетку. Но это не единственная функция плазмид. Эти молекулы осуществляют синтез одних элементов и веществ и расщепление других.

Так, плазмиды синтезируют патогенные для отдельных бактерий и клеток вещества, такие как гемолизины (или гемотоксины), которые повреждают оболочку эритроцитов и приводят тем самым к их гемолизу (то есть, разрушению). Ещё плазмиды осуществляют синтез энтеротоксинов, вызывающих, к примеру, пищевое отравление у животных.

Результатом деятельности плазмид становится появление смертельных для других бактерий белков, они также создают антигены, заставляющие бактерии скапливаться в результате адгезии на поверхности клеток в организмах животных (включая человека). Что же касается расщепления, то плазмиды способны разрушать некоторые другие соединения, такие как камфоры, салициловая кислота, ксилолы.

Ещё одной особенностью плазмид является стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, а также тяжёлых металлов и антибиотиков. Поэтому нередко бактерии с плазмидами оказываются патогенными для организма человека.

Строение плазмид

Обыкновенная плазмида, способная к размножению, включает в себя ряд элементов. К таковым относят: точку начала репликации (указывается как ori), структурные гены репликации (rep), локус (точку расположения конкретного гена) генов, что ответственны за копийность (cop), гены, отвечающие за то, как будут распределены плазмиды в ходе деления “материнской” клетки в клетках-потомках (par), а также детерминанты, контролирующих поддержание определённого числа копий (ccd).

Есть также определённое трёхчастное строение плазмид. Каждая молекулы плазмид состоит из модулей. Первый – обязательный модуль, который при репликации копируется в дочернюю молекулу. Второй модуль называется модулем распределения, и он может включать систему распределения, а то и несколько таких систем. Третий модуль называется модулем переноса, и он присутствует у конъюгативных плазмид, соответственно, он играет определённую роль в процессе конъюгации.

Виды плазмид

Учёные выявили множество видов и типов плазмид. Многие из них получили своё название благодаря функциям, которыми отличаются те или иные плазмиды. Есть так назывемые F-плазмиды, или фертильные, занимающиеся контролем плазмид к репликации. R-плазмидами называют резистентные, то есть те, что придают бактериям устойчивость к воздействию антибиотиков.

Некоторые из плазмид называются (благодаря своим специфическим функциям) плазмидами патогенности. Бактериоциногенные, или B-плазмиды ответственны за синтез летальных для других бактерий белков и других веществ; при этом, отдельно за создание бактериоцина под названием колицин отвечают Col-плазмиды. Создание гемолизинов, которые также играют определённую роль в размножении плазмид, доверено Hly-плазмидам, а энтеротоксины синтезируются Ent-плазмидами.

Результатом деятельности Ti-плазмид становится возникновение опухолей в растительных организмах, Tol-плазмидами расщепляется толуол и ксилол. Отдельные плазмиды, отвечающие за распад камфоры (Cam-плазмиды), октана (Oct-плазмиды) и салицина (Sal-плазмиды), называются плазмидами деградации.

Роль плазмид

Как уже было указано ранее, плазмиды позволяют передавать генетическую информацию не только по наследству, но и просто похожим клеткам (растительным, архейным, бактериальным, грибным). Это активно используется современными учёными-генетиками в рамках генной инженерии.

И при помощи определённых специфических свойств (о которых также упоминалось выше), за которые могут отвечать отдельные типы и виды плазмид, плазмиды придают бактериям свойства устойчивости к воздействию лекарственных средств, дают им характер патогенов для тех или иных клеток или других бактерий. Иными словами, плазмиды могут влиять на вредоносность бактерий для организма.

Конъюгированные и неконъюгированные плазмиды

Способность плазмид передаваться из одной клетки в другую во время конъюгации иначе может называться трансмиссивностью. Этот фактор влияет на то, какими могут быть плазмиды. Они могут быть как конъюгированными (конъюгативными), так и неконъюгированными (неконъюгативными), или же трансмиссивными и нетрансмиссивными. Последние не могут самостоятельно запускать конъюгацию, и передача их осуществляется пассивно как половым методом, так и в ходе конъгации, которую могут запускать только конъюгативные плазмиды.

У конъюгированных плазмид есть особые гены, называемые tra-генами. Эти гены объединены в особые же группы, называемые tra-оперонами, а они, в свою очередь, осуществляют процесс переноса плазмидной ДНК из клетки в клетку. Tra-опероны синтезируют особые полые структуры на поверхности клеток, называемые половыми пилями. Клетка-реципиент (или бактерия-реципиент) цепляется за эти пили, после чего притягивается, а после этого участок, коснувшийся участка клетки-донора (или бактерии-донора) разрывается с помощью особого белка.

Передаваемая плазмида кодирует особый фермент, хеликазу, который расплетает ту часть ДНК, что будет перенесена в другую клетку (бактерию), и одним из концов эта самая ДНК переносится в реципиента. Другой конец передаваемой части плазмиды удлиняется, и постепенно восстанавливает ту часть ДНК, что переносится в реципиента.

Этот процесс происходит в обеих клетках (или в бактериях), и в доноре, и реципиенте: и там, и там плазмида вновь становится двухцепочечной. После завершения переноса ДНК разрыв в поверхности клетки-реципиента (бактерии-реципиента) восстанавливается, и реципиент может сам становиться донором, в том числе обретает способность с помощью перенесённой плазмиды отращивать половые пили.

Кстати, tra-опероны в процессе конъюгации также защищают клетку-реципиента от сцепления с половыми пилями других клеток и бактерий.

F-плазмиды фертильности

F-плазмиды, или плазмиды фертильности являются, пожалуй, главными среди разновидностей плазмид, и причина этого очевидна: они отвечают за репликацию. F-плазмиды осуществляют удвоение ДНК в плазмидах, осуществляют контроль за синтезом половых пилей. При конюгации клетка-реципиент получает F-плазмиды фертильности даже в случае, если ранее таковыми она не располагала, при этом F-плазмида может захватывать с собой и часть других генов. В некоторых случаях F-плазмиды могут быть и в составе хромосом.

Интересно, что попавшие в клетку-реципиента (или в бактерию-реципиента) F-плазмиды становятся HFR-плазмидами.

Плазмиды устойчивости

За устойчивость бактерий к антибиотикам отвечают R-плазмиды. R в их названии означает “резистентность”, но также это происходит от особых компонентов, что содержатся в них: фактора переноса устойчивости, или RTF-фактора, а ещё r-детерминантов (или детерминантов устойчивости).

Они отвечают за создание таких ферментов и веществ, что способны разрушать антибиотики при вступлении с ними в прямой контакт. Бактерии благодаря R-плазмидам могут провоцировать возникновение заболеваний, что попросту не поддаются лечению лекарствами и даже группами лекарств (сразу до десяти), а потому такие заболевания становятся более опасными для организма. На их опасность также влияет и тот факт, что R-плазмиды тоже относятся к конъгированным.

Плазмиды вирулентности

Другое название плазмид вирулентности, или Vir-плазмид – плазмиды патогенности. Как понятно из названия, этот тип плазмид тоже придаёт бактериям повышенную опасность для организма, они делают их, соответственно, вирулентными. К ним относятся такие плазмиды, как Ent-плазмиды, Hly-плазмиды, Tox-плазмиды (ответственны за формирование токсинов).

Деградирующие плазмиды

Ещё одна группа плазмид – это деградирующие, или плазмиды биодеградации. Как упоминалось ранее, к этой группе относятся те плазмиды, что осуществляют расщепление и разложение отдельных соединений и веществ (некоторые из этих веществ можно отнести ко ксенобиотикам), и отдельные плазмиды ответственны за разрушение одних веществ, другие плазмиды, соответственно, разрушают другие вещества.

Причём они расщепляют вещества не только природного происхождения, но и антропогенного. Так, некоторые бактерии способны расщеплять нефтепродукты, и это осуществляется тоже за счёт деградирующих плазмид. Кстати, что касается подобного рода бактерий, то в актуальное время учёные проводят исследования в области генной инженерии, и одна из целей этих исследований – попытка улучшить экологическую обстановку в водоёмах и в Мировом океане.

Также плазмиды деградации играют бактериям-носителям на пользу в плане селективного преимущества в той среде, в которой находится бактерия, будь то природная среда или другой организм.

Плазмиды Col

Col-плазмиды, как уже было упомянуто выше, попадают в группу бактериоциногенных плазмид, и данный вид плазмид производит особый бактериоцин под названием колицин. Особый он потому, что присутствует у конкретной патогенной бактерии, именуемой кишечной палочкой (научное название – Escherichia coli, или E. coli).

Вообще, бактериоцины в принципе оказывают негативное воздействие на показатели жизнедеятельности клеток, особенно на штаммы тех же видов, или на штаммы родственных. Бактериоцины являются белками, которые повреждают клеточные мембраны. Уровень активности определяют рецепторы у бактерий-носителей бактериоцинов. На сегодняшний день учёные определили существование более двухсот видов бактериоцинов.

Что касается колициногенных плазмид, то синтезируемый ими колицин не даёт другим бактериям размножаться и развиваться, но при этом для тех самых бактерий, что выделяют колицин, этот бактериоцин совершенно безвреден. Бактерии E. coli (кишечной палочки) выделяют колицин множества видов, названных по буквам латинского алфавита. Col-плазмиды тоже могут быть переданы другим бактериям при конъюгации, и обычно существуют без сцепления с хромосомой, но некоторые виды Col-плазмид могут быть интегрированы в бактериальные хромосомы.

Использование плазмид

Современная наука достаточно активно занимается исследованием плазмид, В частности, генетикам удалось создать искусственные плазмиды, которые особенно полезны в генной инженерии. Такие плазмиды становятся векторами, снабжёнными целевыми кодирующими областями, и затем их размножают в бактериальных клетках, а результатом становится синтез полезного белка.

Так, к примеру, вырабатывают инсулин, крайне необходимый для страдающих диабетом. Плазмиды полезны и в разработке новых лекарственных веществ и в синтезе новых вакцин, а также при создании биологически активных добавок, а вернее – в повышении производительности тех организмов, что могут эти добавки синтезировать. Так что в медицине плазмидам нашлось место.

Также, как уже упоминалось выше, плазмиды могут быть весьма полезны в биоремедиации. Так называется комплекс действий в вопросах очистки загрязнённой среды (почвы, воды, воздуха) с помощью жизнедеятельности живых организмов. И некоторые бактерии благодаря особым деградирующим плазмидам способны разлагать субстраты, которые в принципе трудно поддаются гниению.

Плазмиды и генная инженерия

Наконец, самая перспективная отрасль генетики – генная инженерия, и она тоже не может обойтись без плазмид. Так, искусственно созданные плазмиды можно сделать векторами в области клонирования генетической информации живых организмов. Способность к репликации даёт плазмидам в этом плане преимущество, поскольку так учёные могут обеспечивать возможность того, что рекомбинантная ДНК в клетке-доноре будет также размножаться.

Генная терапия также может рассчитывать на помощь плазмид, ибо в перспективе плазмиды могут синтезировать недостающие у пациента белки, а ещё плазмиды могут быть использованы как транспорт для генов, что кодируют инструменты для редактирования ДНК, в том числе для компонентов системы CRISPR-Cas. Этот инструмент на сегодняшний день является наиболее перспективным в вопросе борьбы с тяжёлыми заболеваниями, в том числе и наследственного характера, и адресного поступления лекарственных веществ тем или иным пациентом в каждом индивидуальном случае.

Борисова М. И., Лазакович Д. Н., Сидорова Н. А., Савушкин А. И. Биопленкообразующая активность и феномен персистенции микроорганизмов // Journal of Biomedical Technologies. 2015. № 2. С. 28–35.

Аналитический обзор

Введение

На протяжении многих столетий ученые исследовали микробные популяции и механизмы их формирования, и только в конце прошлого века столкнулись с особой формой организации бактериальных культур – сообществом микроорганизмов, способных колонизировать объекты окружающей среды и существовать не только в виде микропланктона, но и специфически организованных биоплёнок. Биоплёнки – подвижные, постоянно изменяющиеся гетерогенные сообщества (Чеботарь, 2012), которые могут быть образованы бактериями одного или нескольких видов и состоять как из активно функционирующих клеток, так и из покоящихся или некультивируемых. Формирование подобных высокоспециализированных сообществ – одна из основных стратегий выживания бактериальных культур не только в окружающей среде, но и в организме человека. В целом, биоплёнки представляют собой группу микробных клеток, окруженных толстым, состоящим из высокомолекулярных веществ слизистым слоем.

Механизм формирования биоплёнок

Обычно микроорганизмы существуют в виде свободно плавающих масс или единичных колоний, но некоторые представители бактериального царства стремятся прикрепиться к определенному субстрату-поверхности и образовать биоплёнку, механизм образования которой сложен, строго регулируем и включает четыре последовательные стадии.

1 этап: обратимое (первичное) прикрепление к поверхности. Первый этап формирования биопленки характеризуется обратимой адгезией, связанной с действием неспецифических физико-химических сил между молекулами и структурами на поверхности микроорганизмов (элементами клеточной стенки, жгутиков, пилей) и твёрдого субстрата за счёт различных взаимодействий: Ван-дер-Вальсовых, гидрофобных, ионных, электростатических;

2 этап: необратимое прикрепление к поверхности. После адсорбции бактериальная клетка перемещается вдоль поверхности субстрата, прочно связываясь с ним посредством факторов адгезии, а также с помощью неполимерных адгезинов, которые различают структурные элементы поверхностей тканей хозяина – коллаген, эластин, гликопротеины, гиалуроновую кислоту. На этом же этапе, помимо прочного прикрепления к субстрату, происходят: потеря бактериями подвижности, межклеточные взаимодействия, обмен генами между микроорганизмами как одного, так и разных видов.

4 этап: рост – maturation 2. На данном этапе образуется зрелая биоплёнка, после чего наступает пора вторичных колонизаторов, то есть клеток, которые прикрепляются к бактериям, уже локализованным на поверхности (Афиногенова, 2011).

Зрелые биопленки способны терять единичные фрагменты, которые, распространяясь по макроорганизму, прикрепляются к субстратам и образуют новые биопленки. Кроме того, в зрелых биоплёнках бактерии не делятся, так как окружены плотным матриксом, и сохраняют высокую жизнеспособность.

Формирование биоплёнки происходит достаточно быстро. Присоединение бактерий друг к другу происходит за несколько минут, прочно связанные колонии образуются за 2−4 часа, а выработка внеклеточного полимерного вещества происходит в течение 6−12 часов, после чего бактерии, образующие биоплёнку, становятся в значительной степени толерантными к антибиотикам, дезинфицирующим веществам, антисептикам. Кроме того, биоплёнки быстро восстанавливаются после механического воздействия (Чеботарь, 2012).

Ультраструктура биоплёнок

Ультраструктура биоплёнок установлена с помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии. Внеклеточный матрикс микробных клеток имеет специфическое строение и образован трёхмерными грибовидными или колонноподобными структурами. Выделяемый на этапе созревания биопленок экзополисахарид представлен двуслойным гетерополисахаридом, универсальным для каждого вида микроорганизмов. Его наружный слой содержит полисахариды в гидратированном состоянии (декстран, гиалуроновую кислоту, целлюлозу), а внутренний наполнен мембранными везикулами, которые способны выступать в роли факторов патогенности (такие везикулы содержат щелочную фосфатазу С, протеазы, лизоцим). Вещества везикул также выполняют функцию лизиса ослабленных бактериальных клеток, фрагменты которых в дальнейшем являются ростовым фактором и источником питания для остальных членов биопленки.

Все составляющие матрикса разделены каналами, по которым осуществляется транспорт питательных веществ, кислорода, а также выделение конечных продуктов метаболизма бактериальных клеток. За образование и сохранение таких транспортных каналов несут ответственность поверхностные структуры – рамнолипиды, состоящие из смеси полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот и других веществ.

В матриксе биопленки также находится экстрацеллюлярная ДНК, которая участвует в процессах адгезии, межклеточных взаимодействиях и обуславливает специфику существования биопленочных сообществ (Тец, 2012).

Морфология клеток, входящих в состав биоплёнки

С помощью электронной микроскопии установлено, что на начальных этапах формирования биопленки морфология микроорганизмов не меняется (Фролова, 2015). На последующих, более поздних этапах, бактериальные структуры приобретают морфологическую специфику, связанную с прикрепленным состоянием и коллективным сосуществованием. Кроме того, у клеток в составе биоплёнки происходит замена поверхностных структур, увеличивается частота обмена генетическим материалом между особями в сообществе, деформируется ультраструктурная организация.

Свойства и роль в защите бактериальных популяций

Биопленки являются одним из наиболее значимых факторов защиты, существенно повышая толерантность бактерий к стрессовым ситуациям (нехватка кислорода и питательных веществ в условиях голодания), к факторам иммунной системы человеческого организма, к действию внешних условий (антибиотики, дезинфекторы, стерилизация). Такая толерантность способствует приобретению абсолютной резистентности к факторам, которые могли бы уничтожить бактерий, находись они в свободном состоянии.

Защитная роль биопленок заключается в следующих свойствах:

Свойство барьера. Биоплёнки предотвращают глубокое проникновение в их матрикс крупных молекул и клеток, вызывающих воспаление, и служат диффузным барьером для маленьких антимикробных агентов;
Совокупные защитные свойства. Бактерии (как одного, так и разных видов) способны обмениваться факторами защиты (продуктами метаболизма или генами), то есть осуществлять взаимозащиту. Так, бактерии одного вида, резистентные к действию антибиотиков, могут передавать гены, ответственные за резистентность, бактериям другого вида, к данному антибиотику чувствительным, обеспечивая таким образом повышение их устойчивости к действию фактора;
Свойство обмена, обеспечивающее передачу между микроорганизмами, входящими в состав одной биоплёнки, генов и продуктов жизнедеятельности (Чеботарь, 2012; Тец, 2012);
Свойство бездействия, то есть образование неподвижных (неактивных, неметаболизирующих, спящих) субпопуляций – ключевое свойство, присущее исключительно биоплёнкам. Для того чтобы антибиотик подействовал на микроорганизм, он должен быть метаболически активным. Поэтому неактивные бактерии в биоплёнках являются наиболее устойчивыми к подобного рода воздействиям (Тец, 2012; Фролова, 2015).

Разнообразие систем регуляции биоплёнкообразования

Используется преимущественно грамотрицательными бактериями, а в качестве сигнальных молекул выступают ацилированный лактон гомосерина, который связывается с белком-регулятором, взаимодействующим с двумя регуляторными ферментами – люциферазой и гомосерин-лактоно-синтазой. Активация регуляторных белков индуцирует создание микробами кластеров биоплёнки (Тец, 2012; Туркутюков, 2013).
Характерна для грамположительных бактерий и функционирует с использованием линейных и циклических форм пептидов, фуранов, лактонов, их производных, секретируемых во внешнюю среду. Одни из них взаимодействуют с мембраносвязывающими сенсорными киназами, которые проводят сигнал через мембрану, другие транспортируются в клетку с помощью пермеаз, где связываются с внутриклеточными рецепторами. Сигнальным механизмом таких систем является каскад фосфорилирования-дефосфорилирования. Информационные молекулы взаимодействуют с двухкомпонентными системами, в состав которых входит сигнальный белок киназа, связанный с мембраной. Киназа определяет информационный пептид, а затем фосфорилирует и активирует белок-регулятор, связывающийся с ДНК и регулирующий транскрипцию. Сигнальные пептиды этой системы закодированы в хромосоме, а рецепторные белки – в плазмидах. Таким образом, с помощью подобной коммуникации транслоцируются плазмиды, несущие гены устойчивости к антибиотикам, гены гемолизинов, бактериоцинов и гены вирулентности.
Встречается у всех микроорганизмов, а сигнальные молекулы представлены бутиролактоном, хинолом, гидроксикетонами, люциферазой. У бактерий есть рецепторные сенсорные белки, которые связывают аутоиндукторы, образуя комплекс, взаимодействующий с мембраносвязанной киназой. Киназа фосфорилируется, фосфат переносится на цитоплазматический белок, затем на регуляторный белок, который связывается с ДНК. В дальнейшем происходит активация генов, кодирующих регуляторные РНК, что ведет к прекращению экспрессии компонентов клеточных структур, реализующих внутривидовые межклеточные коммуникации.

Участие ТА системы (система токсин-антитоксин) в образовании биоплёнки

Говоря о биоплёнках, стоит отметить, что не каждый микроорганизм способен к их образованию. Процесс синтеза экзополисахаридного матрикса обусловлен определенными факторами. Согласно последним результатам исследования Страсбургского университета им. Луи Пастера можно утверждать, что для образования биоплёнки необходимо наличие специализированного белка. К примеру, для образования сообщества Staphylococcus aureus необходимо наличие SasG-белка (в комплексе с Zn 2+ ). SasG-белок представляет собой РНК-связывающий белок, который активизирует:

1) рост поверхностных структур бактерий – жгутиков, пилей;

2) синтез внеклеточных полисахаридов;

3) обеспечивает формирование толерантности.

За секрецию SasG-белка отвечает набор двух или более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок, и соответствующий ему блокатор.

Данная система получила название TA-модуль. Она локализована в плазмиде. Это достаточно сложная система, которая обеспечивает не только возможность бактерий образовывать биоплёнки, но и обеспечивает ее жизнеспособность в целом. Согласно работе (Yamaguchi, 2011), если дочерняя клетка лишена плазмиды, то нестабильный антитоксин (блокатор), унаследованный с цитоплазмой материнской клетки, разрушается, а стабильный токсичный белок убивает клетку.

Помимо этого, ТА-модуль отвечает за:

1) регуляцию генов: некоторые токсины действуют как общие репрессоры экспрессии генов, в то время как другие более специфичны;

2) контроль роста: как отмечалось, бактериостатические токсины не убивают клетку-хозяина, а ограничивают её рост;

3) устойчивость клетки: в некоторых популяциях бактерий имеется субпопуляция клеток, обладающая устойчивостью к действию множества классов антибиотиков. Субпопуляция контролируется системами токсин-антитоксин. Эти медленнорастущие выносливые клетки страхуют популяцию от полного вымирания.

5) противодействие бактериофагам: когда бактериофаг нарушает транскрипцию и трансляцию клеточных белков, активация систем токсин-антитоксин ограничивает репликацию фага.

Клинический аспект изучения биоплёнок

В настоящее время достоверно доказана роль микробных биоплёнок в возникновении и развитии многих инфекционных заболеваний. Это инфекции сердечных клапанов и суставных протезов, инфекции раневых поверхностей. Раны представляют собой идеальный субстрат для микробной контаминации с последующим образованием биоплёнок. Биоплёнки в ране создают среду с определённым микроклиматом, для которого характерно низкое содержание кислорода. Биопленки задерживают миграцию и пролиферацию кератиноцитов, ингибируя тем самым защитные иммунные механизмы, а снаружи создают защитный слой, непроницаемый для противомикробных препаратов местного действия (Чеботарь, 2012а).

Характерными биоплёночными инфекционными патологиями являются гингивиты (воспаление десен), стоматиты (воспаление слизистой рта), образование зубного камня. Отиты – наиболее часто встречающаяся отоларингологическая проблема – также сопровождаются образованием биоплёнок, причем не только бактериальных, но и грибковых.

Помимо раневых инфекций, биоплёнки играют роль в хронизации заболеваний мочевыделительной системы, катетер- и имплант-ассоциированных инфекций (катетеры, водители ритма, сердечные клапаны, ортопедические устройства), заболеваний ССС (синуситах, эндокардитах). Иными словами, биоплёнки играют важнейшую роль в патогенезе широкого спектра как поверхностных, так и глубоких инфекционных заболеваний. Все эти заболевания трудны для лечения, имеют высокую частоту рецидивов и некоторые из них могут явиться причиной летальных исходов.

При подозрении на наличие биоплёнкообразующих микроорганизмов in vivo учитываются следующие факторы:

1) отслоение биоплёнок в кровотоке или мочевыводящем тракте может приводить к формированию эмболов;

2) биоплёнки грамотрицательных бактерий могут продуцировать эндотоксин (липополисахарид), что ведет к инфекционно-токсическому шоку и ДВС-синдрому;

3) бактерии в биоплёнках могут обмениваться плазмидами резистентности (передача резистентности от вида к виду);

4) бактерии в биоплёнке не поддаются воздействию иммунной системы хозяина;

5) биопленки могут снижать чувствительность бактерий к антимикробному агенту.

Последние три пункта указывают на то, что биоплёнки обладают высокой резистентностью к антибиотикам. Однако относительно них более уместно употребить термин толерантность. Примером возникновения феномена толерантности может служить SasG-белок Staphylococcus aureus. Его биосинтез провоцирует сбой в пострепликационном цикле, при котором нарушается функционирование бактериального фермента гиразы (аналог топоизомеразы-4 у бактерий). Это приводит к возникновению персистеров.

Персистеры – уникальные клетки бактериальных сообществ, которые, обладая тем же набором генов, что и остальные микроорганизмы сообщества, многократно устойчивы к внешним факторам в отличие от окружающих их клеток (Ульянов, 2014). Персистеры отличаются от обычных бактерий своей физиологией: даже в благоприятных условиях они формируют вокруг себя экзополисахаридный матрикс, часто растут гораздо медленнее обычных бактерий, и, как уже было сказано, отличаются высокой резистентностью к внешним факторам. Персистеры составляют небольшую часть бактериального сообщества, но их количество возрастает в стационарной фазе роста. Интересно, что дочерние клетки обладают такой же резистентностью к внешним факторам, как и родительские клетки-персистеры.

Приведенная информация не исчерпывает данных об особенностях микробных биоплёнок. Следует отметить, что, несмотря на большой теоретический материал и важность проблемы, остаются нерешёнными вопросы, связанные с биоплёнкообразующей активностью патогенных и условно патогенных микроорганизмов в составе нозокомиальной микрофлоры медицинских стационаров различного профиля. Отсутствуют препараты, обладающие эффективностью против биоплёнок и микрофлоры в составе внеклеточных матриксов, а также средства борьбы со зрелыми биоплёнками. Эта проблема требует дальнейших разработок.

Библиография

1. Yamaguchi Y., Inouye M. Regulation of growth and death in Escherichia coli by toxin-antitoxin systems. Nature Reviews Microbiology 2011, 9(11):779-790.

2. Афиногенова А.Г., Доровская Е.Н. Микробные биопленки ран: состояние вопроса // Травмотология и ортопедия. – 2011. – №3. – С.119–125.

3. Балко А.Б., Балко О.И., Авдеева Л.В. Формирование биопленки штаммами Pseudomonas aeruginosa // Микробиологический журнал. – 2013. – №2. – С.50–56.

4. Мальцев С.В., Мансурова Г.Ш. Что такое биопленка? // Практическая медицина. – 2011. – №53. – С.7–10.

5. Тец В.В., Тец. Г.В. Микробные биопленки и проблемы антибиотикотерапии // Практическая пульмонология. – 2013. – №4. – С. 60–64.

6. Туркутюков В.Б., Ибрагимова Т.Д., Фомин Д.В. Молекулярные особенности морфологии биопленок формируемых штаммами неферментирующих грамнегативных бактерий // Тихоокенский медицинский журнал. – 2013. – №4. – С.44–47.

7. Ульянов В.Ю., Определенцева С.В., Швиденко И.Г., Норкин И.А., Коршунов Г.В., Гладкова Е.В. Биологическая кинетика биопленок клинических штаммов Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa, выделенных у больных с бронхолегочными осложнениями при травматической болезни спинного мозга // Клиническая лабораторная диагностика. – 2014. – №8. – С.43–47.

8. Фролова Я.Н. Биологические свойства биопленок токсигенных штаммов Corinobacterium Diphtheriae gravis TOX + : дис. … канд.биол.наук: 12.06.2015 / Фролова Яна Николаевна. – Ростов, 2015. – 118 с.

9. Чеботарь И.В. Механизм антибиопленочного иммунитета // Вестник Российской академии медицинских наук. – 2012. – Т.67. – №12. – С.22–29.

Читайте также: