Як люди зазвичай собі уявляють бактерій? Скоріш за все, як невидимі оку живі кульки чи палички, що літають у повітрі, плавають у воді, осідають на ручках громадського транспорту або розташовані десь у рані. Проте науковці кажуть, що все не так просто.
Мікробні «будинки», або що таке біоплівка
Так, бактерії справді крихітні у переважній більшості. Так, вони не мають коріння, щоб десь закріпитись, чи рук, щоб вхопитись за якусь поверхню. Та попри всі ці обмеження, вони здатні осідати, об’єднуватись і формувати собі цілком пристойну і добре захищену домівку на різноманітних поверхнях.
Уявімо собі маленьке озеро із застояною водою. У товщі цієї води є найрізноманітніші бактерії, які дрейфують як планктонні частинки. Проте одного разу в таку воду потрапляє пластикова пляшка. Якщо до її поверхні придрейфує бактерія, вона може на неї осісти. За первинне прикріплення клітини до поверхні відповідають не суперсили, а неспецифічні фізичні сили, таких як , та . Тут ситуація ще залишається нестабільною: цих сил може бути замало, бактерія не втримається при «висадці» на поверхню і повернеться до планктонного способу життя. Через таку нестабільність і невизначеність перший етап формування біоплівки має назву «реверсивне прикріплення».
Якщо ж для мікроба все йде гладко і він надійно прикріплюється до поверхні, то настає другий етап формування біоплівки — необоротне прикріплення. Так надійно осісти допомагають білки на поверхні бактерійної клітини, а також різноманітні «придатки», що бувають у мікроорганізмів: , . Джгутики у водних або вологих середовищах взагалі є такими собі тенетами, що простягаються від вже осілих клітин до тих, які ще плавають, і заманюють останніх теж «перепочити» на поверхні.
«Прикріплена» бактерія недовго буде самотньою. По-перше, вона ділиться і так утворює мікроколонію. Та основні сили йдуть не на розмноження. Мікроорганізми починають синтезувати позаклітинні полімерні речовини (ППР) (extracellular polymeric substances — EPS) і тим самим утворюють матриксну основу («будинок», у якому житимуть). На цьому варто зупинитись детальніше. ППР — це не якийсь єдиний тип речовини, це комплекс різних сполук: полісахаридів, нуклеїнових кислот, білків, ліпідів та інших біополімерів. Найбільшу частку становлять полісахариди. Вони забезпечують побудову каркасу і стін у мікробному «будинку». Початок синтезу ППР — це ознака того, що біоплівка перейшла до третього етапу формування.
Біоплівка — це не просто розмазана по поверхні купка клітин і ППР, вона має тривимірну архітектуру, яка стає складнішою мірою дозрівання біоплівки — на четвертому етапу формування. Збільшується кількість мікроорганізмів, збільшується кількість ППР. Коли матриксна основа доволі розвинена, утворюються водні канали, які функціонують як система водопостачання та водовідведення у будинку: через них відбувається притік поживних речовин до мікроколоній у товщі біоплівки, а також видалення сторонніх елементів та відходів. Цікаво, що елементами матриксу можуть бути не лише ППР, а й неорганічні (солі, корозійні часточки) та органічні частинки, що є у середовищі.
Декілька досліджень показали, що структура біоплівки динамічно змінюється залежно від умов навколишнього середовища. Наприклад, у кисневих умовах утворює грибоподібну структуру з каналами між макроколоніями, що складаються з паличкоподібних клітин. Навпаки, у безкисневих умовах біоплівка P. aeruginosa — це тривимірна, але сітчаста структура з каналами або проміжками між мікроколоніями, що складаються з подовжених ниткоподібних клітин. Така зміна структури впливає на те, як біоплівка обмінюється з навколишнім середовищем речовинами, і, відповідно, забезпечує найбільш сприятливі умови для розвитку. Температура теж вносить свої корективи, а її зміни для різко впливають на морфологію біоплівки: зміна товщини та щільності розташування клітин, активність утворення ППР.
Процес розсіювання, або дисперсія бактеріальних біоплівок є завершальним етапом розвитку. Фактично, відбувається зворотний процес: осілі клітини знову вільно плавають. Що цікаво, це стає початком формування нових мікробних «будинків», адже розсіяні клітини досліджують навколишній простір на наявність нового місця для прикріплення. Існує активне розсіювання, яке залежить від рухливості клітин або деградації ППР, і пасивне розсіювання, яке залежить від фізичних факторів, таких як сила зсуву в умовах потоку рідини, механічне пошкодження біоплівки. Активне розповсюдження спричиняють зміни навколишнього середовища (коливання температури, зміна кількості доступних поживних речовин, дефіцит кисню, накопичення продуктів життєдіяльності).
Кожен менеджер знає, що без хорошої комунікації справи не зробиш, і в бактерій схожа ситуація. Побудова біоплівки — це складний та багатоетапний процес, що вимагає не лише фізичної зміни середовища (утворення ППР), а й змін експресії генів у самих клітинах. Для планктонної бактерії немає жодного сенсу в утворенні ППР у товщі води, це просто безглузда витрата ресурсів та енергії, а мікроорганізми ощадливі аж на генетичному рівні. Поясню: умови вимагають — є сигнал — гени активні — утворюється певні продукти цих генів, потреби немає — нічого не змінюється. Сигналом до таких глобальних змін і є комунікація, що реалізується завдяки відчуттю кворуму. Бактерії виробляють автоіндуктори, які накопичуються зі збільшенням щільності клітин. Саме ці сигнальні сполуки забезпечують злагоджену роботу із залучення та побудови біоплівки: всі отримали сигнал — всі утворюють ППР і розбудовують власне «житло». Водні канали у тривимірній структурі бактерійного «будинку» слугують також і «поштовою мережею», адже разом із водою та поживними речовинами переносять також автоіндуктори.
Якщо все підсумувати, то сухе академічне визначення біоплівок стає дуже логічним: біоплівка — це організована сукупність мікроорганізмів, що живуть у самопродукованій матриці з позаклітинних полімерних речовин, яка прикріплена до органічної чи неорганічної поверхні. Проте таке визначення не дає відповіді на питання «для чого?». Все доволі просто — захист. Бактерії, як і багато інших істот, групуються задля комфорту та безпеки.
Бактерійний «будинок» з матриксу є чудовим захистом проти несприятливих зовнішніх умов: від сильного водного потоку у річках, агресивних антибіотиків, які здатні знищити одиноку бактерію, і навіть заховати від імунної системи людини. Дослідження також показали, що біоплівки можуть підвищити стійкість мікробів до хімічних дезінфектантів, ультрафіолетового випромінювання, екстремальних температур і рН, високої солоності, високого тиску, нестачі поживних речовин тощо. Існування у біоплівці також полегшує обмін речовинами та інформацією між мікроорганізмами.
Біоплівки бувають доволі різноманітні, попри схожість побудови. Основну відмінність становлять «жителі». Це можуть бути представники одного виду мікроорганізмів (доволі рідкісне явище), проте найчастіше біоплівку утворюють представники не просто різних видів бактерій, а й різних доменів — у біоплівку можуть включатись різноманітні одноклітинні еукаріоти (гриби, дріжджі джгутикові, амебоподібні) та навіть .
Якщо заглянути «всередину» мультибактеріальної біоплівки, то можна виокремити три типи її організації. Перший варіант, один вид бактерій — одна «квартира» у вигляді мікроколонії. Другий варіант більш «гуртожитського» типу — коагрегація різних видів мікроорганізмів у одній колонії. Третій тип можна описати як «шаровий»: на поверхні біоплівки розташований один вид, а на «нижчих поверхах», ближче до субстрату, — інший вид бактерій.
У біоплівках мікроорганізмам не лише безпечніше. Між ними також формується своєрідний обмін: наприклад, Veillonella sp. використовує молочну кислоту, яку виробляє Streptococcus oralis внаслідок зброджування цукрів (обоє представників живуть у нашому роті). Можлива також зворотна ситуація: анаеробні бактерії не толерують наявності кисню, проте у змішаних біолівках вони спокійно можуть жити на «нижчих поверхах», адже їхні сусіди зверху, аероби, поглинають весь кисень.
Такі типи взаємодії є взаємовигідними для різних груп бактерій і тому називаються синергетичними, проте можливі і «сусідські» війни, коли одна мікроколонія у біоплівці пригнічує розвиток іншої, або вони агресивно конкурують за поживні речовини. Проте при цьому біоплівку вони не покидають, адже вже краще з поганими сусідами, ніж зовсім без даху над головою.
Біоплівки навколо нас, або бруд — це не завжди тільки бруд
Можна сказати, що бактерії — це не просто перші сформовані організми на Землі, а й перші, хто додумався, що разом жити безпечніше і веселіше. У більшості природних середовищ біоплівка є переважаючим способом життя мікробів. Скам’янілі біоплівки були знайдені в глибоководних вулканогенних сульфідних родовищах віком 3,2 мільярда років в Австралії, а також у відкладеннях, сформованих під гідротермальним впливом віком від 3,3 до 3,4 мільярда років у Південній Африці. Біоплівки подібної структури також були виявили в сучасних гідротермальних системах, таких як глибоководні і гарячі джерела.
Будь-що слизьке, що ви витягли з моря, річки, озера чи навіть калюжі, скоріш за все, слизьке якраз через наявність на поверхні біоплівки. Кахлі в басейні під відкритим небом, які з часом стають зеленкуватими, теж вкриті біоплівкою. Якщо ви чистили сифон під раковиною, вас можна записати у борці з біоплівкою. На зубній щітці біля ворсинок змінився колір — викидати разом із біоплівкою, що на ній утворилась. Застояна вода у фонтані — о, там просто мікробний мегаполіс. Слизькі та вологі стіни у печерах — там теж можна знайти біоплівки, і то дуже незвичні. Наприклад, у дренажних каналах уранових шахт (так, той уран, з якого ядерне паливо роблять) біоплівки формують цілі структури.
Ризосфера (та ділянка землі, що безпосереньо контактує з корінням рослини) — теж місце локалізації природних біоплівок. Вони можуть бути нейтральними для рослини, позитивними — покращувати надходження поживних речовин, захищати коріння або, навпаки, викликати захворювання.
Ще один незвичний приклад природної біоплівки ховається у рубці великих жуйних тварин. Рубець — це та частина шлунка жуйних тварин (будемо розглядати на прикладі корови), де відбувається первинна ферментація рослинної їжі за допомогою мікроорганізмів. Рубець наповнений надзвичайно великою кількістю різноманітних мікроорганізмів. Мікроби заселяють травний тракт теляти через два дні після народження, і протягом наступних трьох тижнів їх різноманіття досягає вражаючих цифр: 30 видів бактерій, 40 видів найпростіших і п’ять видів дріжджів. На слизовій оболонці шлунка утворюються біоплівки, що процвітають за рахунок їжі, яку споживає корова. Проте без цих мікробів і корова залишиться голодною: ссавці не здатні розщеплювати целюлозу, що становить основну масу рослин, тому бактерії в цьому допомагають. Рушійною силою цього процесу є біоплівка, яка починає утворюватись прямо-таки на поглинутій їжі. Ruminococcus flavefaciens — планктонна бактерія в рубці — отримує доступ до внутрішніх частин листка (корови не забувають ретельно жувати їжу). Ці бактерії прикріплюються до целюлози у внутрішніх шарах листя та розмножуються, утворюючи біоплівку. Мікроби вивільняють ферменти, що розкладають целюлозу, відповідно утворюються прості цукри та побічні продукти метаболізму, що приваблюють наступних жителів біоплівки — анаеробних спіралеподібних бактерій Treponema byrantii, які поглинають цукор і виробляють органічні кислоти (оцтову та молочну). Кислі метаболіти зазвичай уповільнюють ріст бактерій, але в «будинок» заселяються нові мешканці — метаногенні археї. Вони поглинають органічні кислоти, сприяють розбудові біоплівки, проте утворюють метан. Цей метан — це 15–25% від 7,5 мільярдів кілограмів глобального щорічного викиду метану. Оскільки метан затримує тепло в атмосфері, біоплівка, прихована в шлунку корови, може відігравати нетривіальну роль у глобальній зміні клімату.
Біоплівки на і в нас
Ви прокинулись зранку, провели язиком по зубах і одразу відчули, що час їх чистити. Цей дивний наліт, який регулярно утворюється у роті — найтиповіший приклад біоплівки в нашому організмі. Ротова порожнина є густонаселеною мікроорганізмами ділянкою нашого тіла — там може існувати до 1000 різних видів бактерій і грибів. Найінстенсивніше біоплівка утворюється саме на зубах, адже бактерії значно простіше прикріпитись до твердої поверхні (зуба), ніж до м’яких ясен. Також у проміжках між зубами регулярно залишаються мікрочастинки їжі, які є чудовим бенкетом для всієї бактерійної дрібноти. Звісно, інші частини ротової порожнини також є місцем перебування бактерій, але там їм складніше закріпитись, і вони регулярно «змиваються» слиною.
Стоматологи наполегливо рекомендують чистити зуби мінімум двічі на день, а в деяких країнах цілком нормально піти почистити зуби після обіду в офісній вбиральні. Все тому, що утворення оральної біоплівки починається практично одразу після чищення. Тільки ви виплюнули останні рештки пасти, як всі мікробні мешканці рота починаються відбудовувати свої бактерійні будинки.
Якщо не перешкоджати цьому будівництву, то через два дні зуб буде покритий бактеріями, а через чотири дні біоплівку можна буде побачити навіть неозброєним оком.
Зрештою, це нормально. Наш рот не може бути стерильним, і наші рідні бактерії в ньому виконують важливу роль. Нормальна мікробіота рота підтримує складну рівновагу в цій екосистемі, адже не дає простору для активного розвитку шкідливіших мікроорганізмів. Проте якщо ця хитка рівновага порушується (у рот проникла дуже агресивна бактерія або змінилось співвідношення між різними видами бактерій) і змінюється видовий склад зубної біоплівки, то можуть виникати такі проблеми, як карієс та періодонтит.
Інші неприємні процеси у яких беруть участь «погані» зубні біоплівки: гінгвініт та пародонтит. В обох випадках або бактерій у біоплівці забагато, або склалось таке мікробне угруповання, що віддає перевагу не надто дружнім для нас мікробам (різні види, що здатні розщеплювати білки).
Наша травна система не така цікава і багатокомпонентна, як у великих жуйних тварин, але вона також достатньо густо заселена мікроорганізмами. Різні частини нашого шлунково-кишкового тракту мають різну густоту «забудови» мікробними біоплівками: у шлунку та верхніх відділах кишківника трапляються поодинокі біоплівки (шлунковий сік створює не найсприятливіші умови), тоді як у товстому кишківнику просто маленький мікробний рай. Вчені трохи сперечаються про те, чи утворюються в кишці справжні біоплівки. Відповідно, схиляються до думки, що це біоплівкоподібні структури, що можуть займати три основні ніші: утворюватись на частинках їжі, займати зовнішній шар слизу, що вистилає стінки, або бути в прямому контакті з епітелієм кишки. У здорових людей ця третя ніша майже незаселена. Навпаки, біоплівки, що здійснюють проникнення до самого епітелію, виявляють у понад 90% випадків запальних захворювань кишківника.
Апендикс у людини — така собі резервація для мікроорганізмів. Біоплівка в ньому мало піддається змінам і впливу, адже часточки їжі рідко туди потрапляють, і вміст апендикса не страждає від тотального спустошення під час діареї. Тому вчені припускають, що апендикс слугує «останнім прихистком» для коменсальних (дружніх до нас) бактерій і відіграє ключову роль у відновленні нормальної мікробіоти, наприклад, після шлунково-кишкової інфекції. Також є гіпотеза, що коменсальні біоплівки в апендиксі людини стимулюють В-клітини в зародкових центрах виробляти антитіла, забезпечуючи нормальний розвиток імунної системи після народження.
Взагалі людині потрібно змиритись з думкою, що вона є цілою планетою для різних мікроорганізмів. На шкірі дорослого є в середньому від 6 × 102 до 2 × 106 бактерій на см2 шкіри. На різних ділянках шкіри є різні види, адже все залежить від зволоженості, кількості , оволосіння та інших нюансів. Проте біоплівки на шкірі майже не формуються за нормальних умов. Причина криється в тому, що ми постійно трішки линяємо. Тобто з людини за день злущується приблизно 9 грамів епітелію (зовнішнього шару шкіри), а на кожній такій лусочці є приблизно 30 бактерій. Тож мікроорганізми, які залишаються близько до поверхні шкіри, мають значно знижений потенціал до незворотного прилипання, розмноження та утворення біоплівки.
Проте якщо у вас є рана, яка довго не загоюється, є велика ймовірність, що там утворилась біоплівка, яка уповільнює процес загоєння. Хоча всі механізми такої події ще не з’ясовані, однак дедалі більше вчених погоджуються з тим, що полімікробні біоплівки у хронічних ранах більш толерантні до протимікробних препаратів, і це вносить суттєві зміни у процес загоєння.
Велике медичне занепокоєння, або війна лікарів з біоплівками
Утворення біоплівок у природі допомагає бактеріям переживати несприятливі зовнішні умови. Будинок захищає своїх мешканців. Аналогічну стратегію виживання мікроорганізми застосовують і в організмі людини, і це створює серйозні медичні виклики.
Не всі біоплівки, що є в нашому організмі, дружні до нас. У деяких випадках несанкціоноване будівництво мікробного будинку викликає захворювання, часто такі «забудови» навіть є причиною хронічних хвороб.
Середній отит та хронічне запалення середнього вуха часто спричинені біоплівками. Біоплівки можуть бути однією з причин рецидиву запалення, незважаючи на відповідну антибіотикотерапію. Шлях від шлунка до вуха (при прийомі антибіотиків перорально) доволі довгий, і потрібна концентрація препарату для знищення бактерій просто не досягається. У пацієнтів із рецидивами середнього отиту (три і більше епізодів за шість місяців), біоплівку виявляли в 17 із 20 дітей.
Інфекційний ендокардит — це запалення внутрішньої оболонки серця, найчастіше саме клапанів серця. Причиною є утворення біоплівки, що складається з бактерій, тромбоцитів та фібрину (білок плазми крові), які активно додаються до матриксу біоплівки. У цьому випадку не лише підвищена стійкість до антибіотиків становить проблему, мікробний будинок фізично впливає на функціонування серцевого клапана: спричиняє витік, коли клапан закритий та зменшення потоку, коли він відкривається. До того ж через таке розташування (фактично головний вокзал у світі кровоносної системи) шматочки біоплівки можуть відриватись і, кров переносить їх до найрізноманітніших частин тіла, де теж починаються негаразди.
Муковісцидоз – це генетичне захворювання, що вражає насамперед дихальну та травну системи й характеризується утворенням в’язкого слизу та хронічними інфекціями. Саме біоплівки відповідальні за хронічну інфекцію в цьому генетичному порушені. Бактерії утворюють у легенях людини біоплівки, чим спричиняють запалення, а утворення великої кількості слизу через генетичне порушення сприяє ще більшій розбудові біоплівки. Виходить просто якесь замкнене коло зі слизу та бактерій. Легенева інфекція є основною причиною захворюваності та смертності.
Це три класичні приклади серйозних та хронічних захворювань, у яких основна роль зловмисника належить біоплівкам. Проте це далеко не все. Атеросклероз, хронічний черевний тиф (бактеріоносійство), колоректальний рак, запальні захворювання кишківника, бактеріальний вагіноз, фарингіт, ларингіт та кашлюк — це ще не вичерпний перелік хворіб, у розвиток яких залучені біоплівки.
Величезне різноманіття медичних виробів рятує життя безлічі людей. Проте є ситуації, коли медичний імплант, що мав покращити життя пацієнта, ще більше ускладнює його, і у цьому винні мікроорганізми. Якщо на катетері, імпланті чи іншому медичному приладі, що вводиться в організм людини, є бактерійна біоплівка, то чекайте на запалення, інфекції та можливе повторне хірургічне втручання. Утворення біоплівки на медичних імплантах навіть призвело до виокремлення нового інфекційного захворювання під назвою хронічна полімер-асоційована інфекція.
Ми тепло одягаємось, облаштовуємо квартири, спілкуємось із друзями і навчаємось, щоб наше життя було комфортним, безпечним і якомога довшим. Бактерії роблять те саме: будують свої мікробні будинки, обмінюються генетичною інформацією, що «розказує» стратегії захисту. У біоплівці можна і атаку антибіотиками пережити, і від імунної системи людини заховатись. Бактерії мільйони років тому вигадали, як протистояти несприятливим умовам, а ми лише у ХХ столітті відкрили перший антибіотик.
Ми так багато знаємо про наші міста, але досі так мало про світ мікроорганізмів, у якому (без перебільшення) ми живемо. Стратегії, які колись працювали стають неактуальними, і люди теж у цьому частково винні (пили антибіотики без рецепта?). Хоча бактерії не розмовляють, та й мозку не мають, але нам у них ще вчитись і вчитись.
