Почему так тяжело лечить бактериальную инфекцию в биопленке?!

В отличие от людей, бактерии быстро договариваются друг с другом.

Биопленкой в мире микробов называются сложно организованные колонии бактерий. Это своеобразные микробные города. Такие «города» являются наиболее часто встречающейся формой обитания микроорганизмов. Особенностью этих объединений является умение договариваться и выстраивать отношения между внешними и внутренними «жителями» для их оптимального роста. Таким образом, бактерии сумели распределить между собой что-то вроде социальных функций,что обычно относят к способностям высших животных и человека.

Удивительно выглядят эксперименты исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего. В статье журнала Nature они пишут о том, что им удалось обнаружить распределение социальных ролей в поведении бактерий Bacillus subtilis(Сенна́я па́лочка). Гюроль Сюэль и его коллеги, тщательно изучая рост биоплёнки B. Subtilis, заметили, что когда она достигала определенного размера, вдруг начинала то увеличиваться, то уменьшаться. Совмещая свои эксперементы с математическим моделированием, исследователи поняли, что эти колебания и явлются демонстрацией решения конфликта между отдельными клетками.

Действительно, бактериям в плёнке есть из-за чего конфликтовать. Те из них, которые живут в центре колонии, больше защищены от вредной химии и каких-либо антибиотиков. С другой стороны, периферийные клетки пользуются ещё нетронутыми питательными ресурсами среды, и чем больше становится колония, тем увеличивается вероятность того, что внутренние микроорганизмы окажутся на голодном пайке.

Отображены колебания в виде разноцветных горизонталей из центра биопленки.

Каким же образом удается разрешить конфликтную ситуацию? Ученые называют это «метаболической взаимообусловленностью». Внешние клетки не могут жить без некоего вещества, синтезируемого внутренними. Время от времени «внутренние жители» биоплёнки тормозят его синтез, чтобы «пограничники» не слишком разрастались и не съедали всё вокруг. Но слишком ограничивать в росте внешних товарищей внутренние клетки не могут, иначе они сами станут подвержены опасным внешним воздействиям.

Таким образом, и внутренние, и внешние члены колонии нуждаются друг в друге, несмотря на взаимопротиворечащие интересы друг друга. Это обычная ситуация, когда выход только один - научиться договариваться, иначе неминуема гибель для всех, в частности, от антибиотиков. В итоге, болезнетворные биопленки, которые отвечают за две трети инфекций в больницах, в тысячу раз устойчивее к антибактериальным средствам, чем обычные свободно плавающие планктонные бактериальные клетки.

Выживание Salmonella при хлорировании доказывает устойчивость биопленки к данному способу дезинфекции.

У микробов также существуют и другие разнообразные функции, необходимые для «города». Например, функция «консервация», когда клетка переходит в глухую оборону, впадая в защитную «кому», на случай внезапного нападения и массового уничтожения активно живущих представителей колонии. Или альтруистический суицид, когда бактерия включает самоуничтожение, дабы накормить других голодных собратьев, выбросив особо важное для них вещество.

Давно известно, что у некоторых микроорганизмов есть способность координировать своё поведение с помощью молекулярных сигналов. Например, патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa(Cинегнойная палочка) могут размножаться в пределах хозяина без ущерба, пока они не достигают определённой концентрации. Когда их численность становится достаточной, чтобы преодолеть иммунную систему «жертвы», P. aeruginosa становятся агрессивными, вызывая болезнь. Но для того, чтобы атаковать, нужно посчитать самих себя и согласовать свои действия. И тут у бактерий появляется чувство кворума, то есть способность микроорганизмов общаться и координировать своё поведение за счёт секреции сигнальных молекул. В итоге принимается решение: нужно переходить к активным действиям или нет.

В случае же с сенной палочкой, уже внутри самой биоплёнки происходит что-то вроде разделения труда. Конечно, это не то социальное поведение, которое можно наблюдать у животных. Просто бактерии нашли способ регулировать собственный рост так, чтобы оптимальным образом расходовать питательные вещества и одновременно быть готовыми к внешней угрозе. При этом микробы генетически не отличаются друг от друга. Поведение бактерии зависит от того, где она оказывется: внутри или снаружи. При чем объединяться могут как бактерии одного вида, так и разных. Биопленки потихоньку усложняют свою структуру и способны, например, формировать внутри себя "каналы" для поступления питательных веществ и кислорода.

Исследователи отмечают, что раскрытие механизма взаимозависимости позволяет объяснить аномальную реакцию некоторых биопленок на антибактериальные средства, когда их добавление в среду только усиливает рост колонии за счет гибели внешнего слоя клеток. Давно замечено, что маленькие дети, перенеся один отит, очень часто болеют повторно, даже если их пролечили антибиотиками. Ученые подтверждают, что каждый последующий курс каким-то образом способствует усилению первичной биопленки патогенов. Умеренные дозы антибиотиков создают практически неисчерпаемые запасы питания для болезнетворных организмов, превращая инфекцию в хроническую.

Умеренные дозы антибиотиков создают практически неисчерпаемые запасы питания для болезнетворных организмов в биопленке, превращая инфекцию в хроническую.

Наблюдения показали, что колебательный рост помогает колонии в целом выдержать химическую атаку извне, то есть умение договариваться с коллегой-конкурентом несёт эволюционные преимущества для бактерий. Также удалось расшифровать химические сигналы, которыми обмениваются центр и периферия колонии.

Бактериальные сообщества могут служить примером и преподать уроки для современного общества.