CC BY
271
О биоплёнках стрептомицетов. I. Распространение и формирование
К. А. ВИНОГРАДОВА, В. Г. БУЛГАКОВА, А. Н. ПОЛИН, П. А. КОЖЕВИН
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Streptomycetes Biofilms. I. Occurrence and Formation
K. A. VINOGRADOVA, V. G. BULGAKOVA, A. N. POLIN, P. A. KOZHEVIN
M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow
Стрептомицеты способны формировать биоплёнки — в сообществе с другими микроорганизмами или моноплёнки. В обзоре приводятся данные относительно структуры стрептомицетных биоплёнок, этапов их формирования и механизмов адгезии к субстратам. Биоплёнки, включающие стрептомицеты, обнаруживаются в различных экосистемах в разных почвенно-климатических зонах — в почвах, в очистных системах, в морских и речных осадках, на стенах сооружений. Стрептомицеты участвуют в формировании биоплёнок в организме человека, а также на медицинских устройствах и имплантах. При этом в составе биоплёнок стрептомицеты, как и другие микроорганизмы, обладают более высокой устойчивостью к лекарственным препаратам, чем «планктонные» клетки.
Ключевые слова: стрептомицеты, биоплёнки, образование, распространение.
Streptomycetes, soil-dwelling mycelial bacteria, can form biofilms as indigenous components of the environment. The biofilms formed by streptomycetes exist in different ecological niches, in natural, medical, industrial environments. The biofilm-forming streptomycetes affect water quality, human health, associate with deterioration of artworks and historical monuments. The review should be of interest for researchers of the biofilm mode of streptomycetes growth.
Key words: streptomycetes, biofilms, formation, occurrence.
Биоплёнки — образ жизни микроорганизмов, принципиально отличающийся от существования их в виде так называемых «планктонных», взвешенных (одиночных) особей. Объём исследований бактериальных биоплёнок в последние годы стремительно растёт, что, в частности, вызвано большим влиянием этой формы жизни бактерий на разные аспекты практической деятельности человека. Образование биоплёнок приносит большой экономический ущерб — формирующиеся на самых разных субстратах бактериальные биоплёнки ответственны, в частности, за коррозию водопроводов и иного технического оборудования, за ухудшение качества питьевой воды, за порчу пищевых продуктов и т.д.
Биоплёнки микроорганизмов обусловливают возникновение и неблагоприятное течение многих инфекционных заболеваний, особенно хронических. Особое место занимает проблема устойчивости биоплёнок к антибиотикам — антибиотикотерапия при наличии биоплёнок возбудителя заболевания не адекватна воздействию этого же препарата на «планктонные» клетки микроорганизма. Биоплёнки формируются на
© Коллектив авторов, 2015
Адрес для корреспонденции: 119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, Биологический факультет МГУ
различных медицинских устройствах и имплантах. Это мешает нормальному функционированию имплантов и представляет проблему для их использования.
С другой стороны, биоплёнки обладают огромным положительным потенциалом — они эффективны при очистке промышленных и бытовых вод и отбросов, при детоксикации загрязнённых мест, нередко представляющих опасность для людей и экологическую угрозу для окружающей среды. Кроме того, показано, что использование биоплёнок в биотехнологических промышленных процессах для получения желаемых продуктов оказывается намного более эффективным по сравнению с обычным культивированием «планктонных» клеток продуцентов.
Известно, что в биоплёнках микроорганизмы обладают большей устойчивостью не только к антибиотикам, различным ксенобиотикам, факторам иммунной защиты человека, но и к неблагоприятным физико-химическим факторам окружающей среды. Считается, что микроорганизмы в составе биоплёнок могут успешнее осваивать новые экологические ниши ввиду повышенной устойчивости к экстремальным факторам среды обитания. Таким образом, жизнь микроорганизмов в виде биоплёнок имеет важное приспособительное значение, обеспечивая
популяции возможность выживания и активного функционирования в неблагоприятны« условиях.
К настоящему времени имеется много данныгх об архитектуре биоплёнок, о метаболической кооперации разныгх видов внутри сформированной структуры, о существенном и разнонаправленном влиянии биоплёнок на практическую деятельность человека. Получили развитие фундаментальные взгляды на участие микроорганизмов в биогеохимических процессах в биосфере не в качестве единичных субъектов, а в виде целостного структурированного сообщества. Накопленный значительный объём данных обсуждается во многих обзорах [1—5]. Широко также дискутируются вопросы, касающиеся аналогии жизни микроорганизмов в виде биоплёнок с многоклеточными формами жизни [6].
Стрептомицеты — мицелиальные организмы, относящиеся классу ЛеНпоЬаШпа (порядок Actinomycetales, род БиерОтусея). Являясь обитателями различных почвенно-климатических зон, эти микроорганизмы широко распространены в разных природных и антропогенных экологических нишах. Стрептомицеты относятся к давно и наиболее пристально изучаемой группе актино-бактерий в силу того, что представляют собой бесспорный и надёжный источник многих и разнообразных биологически активных веществ, в первую очередь антибиотиков. Однако в литературе имеется немного данных о биоплёнках стрептомицетов, возможно в силу того, что основное внимание исследователей привлечено к уникально сложному процессу морфогенеза этих мицелиальных актинобактерий при формировании ими колоний с многоэтапной и сложной морфо-физиологической дифференциацией.
В этом обзоре рассматриваются вопросы — формирования стрептомицетами биоплёнок и особенностях их структуры, а также о распространённости биоплёнок стрептомицетов в при-родныгх и антропогенных экологических нишах.
Экологические ниши, где обнаружены биоплёнки стрептомицетов. О видовом составе стрептомицетов, формирующих биоплёнки.
Устойчивый и активный интерес к обнаружению стрептомицетов в самых разных экологических нишах возник несколько десятилетий тому назад как следствие острой необходимости выявления продуцентов новыгх антибиотиков. Результатом этого явился огромный объём данных о широком распространении различных видов стрептомицетов в разнообразных наземных и водных экосистемах различных почвенно-клима-тических зон, особенно много данных об обнаружении стрептомицетов в почве.
О существовании стрептомицетов в природных или иных местах обитания в виде биоплёнок имеется гораздо меньше систематизированной информации. Мы будем опираться на коллективное мнение, сложившееся к настоящему времени, о том, что «В природных местах обитания 9098% популяций микроорганизмов существует в виде структурированный сообществ: микробных матов, обрастаний, осадков и т.д., для которых применяется общий термин «биоплёнки» [7]. Это дает возможность рассматривать выявление стрептомицетов в составе вышеуказанный сообществ как участников формирования биоплёнок.
Приведём относительно немногие имеющиеся данные об участии именно стрептомицетов (род Б^ер^тусея) в формировании биоплёнок в разных экологических нишах. Надо иметь в виду, что в некоторый работах указывается присутствие в биоплёнках актиномицетов как представителей либо класса ЛсШоЬа^епа, либо порядка Лctinomycetales в целом, без таксономической детализации.
В настоящее время проблема биоплёнок признается как одна из острейших проблем медицины. Известно, что бактерии формируют биоплёнки на абиотических и на биотических поверхностях, в том числе в организме человека. Наиболее изученным примером биоплёнок в организме человека является формирование бактериальных биоплёнок в полости рта (зубные бляшки).
Распространение бактериальных биоплёнок в организме человека и их разностороннее отрицательное влияние на разные аспекты практической медицины подробно освещены в обзорах [810]. Бактериальные биоплёнки формируются на разнообразных медицинских устройствах — им-плантах, катетерах разного назначения, водителях сердечного ритма, различных эндопротезах, контактных линзах и др.
Биоплёнки микроорганизмов ответственны за возникновение и неблагоприятное течение многих инфекционных заболеваний человека. В числе их указываются — пародонтит, кариес, инфекционные заболевания среднего уха, остеомиелит, инфекции мочевыводящих путей, трофические язвы, пролежни, лёгочные заболевания, инфекции, возникающие в результате установки сердечных клапанов, протезов суставов, катетеров [9].
Представители рода Бtreptomyces известны как сапрофитные организмы. Главное их значение для медицины состоит в том, что основное число природных антибиотиков бактериального происхождения продуцируются именно стрептомицетами. Однако есть немного сообщений о стрептомице-тах — возбудителях патологических процессов у человека. Б.somaliensis и Б.sudanensis являются воз-
будителями опасного заболевания — актиномице-томы, характерного для районов Африки [11, 12].
Среди опасных последствий формирования бактериальных биоплёнок в организме человека указываются инфекции, возникающие в результате установки разнообразных имплантов. К настоящему времени показано, что представители рода Streptomyces, обнаруженные на устройствах, используемых в гинекологии, активно формируют биоплёнки в организме человека. Из 21 изоля-та актиномицетов, выявленных у больных, три изолята (два отнесённых к Streptomyces 8рр. и один ШсаШа 8р.) показали высокую способность к образованию биоплёнок. Биоплёнки актиномице-тов на вышеуказанных устройствах ответственны за развитие различных актиномикозов [13].
Одним из типов биоплёнок (согласно приведённой классификации биоплёнок по типу раздела фаз, на которых они формируются [1]), являются биоплёнки на разделе «твердая фаза — воздух».
Стрептомицеты обнаружены в биоплёнках на разделе «твердая фаза — воздух». Такие биоплёнки, в частности, образуются на поверхности древних каменных монументов, на стенах пещер с доисторическими рисунками, на древних настенных картинах и фресках, в исторических катакомбах, на стенах зданий, представляющих исторический интерес и художественную ценность и т.п. [14—16].
При широком обследовании (изучено 230 биоплёнок на зданиях, построенных из разного рода материалов — цемент, известка, бетон, железобетон, кирпич, в шести странах Европы и семи — Латинской Америки) найдено, что стрептомице-ты в некоторых случаях являются основным микроорганизмом, формирующим биоплёнку на поверхности зданий. При этом стрептомицеты преобладают на зданиях в Европе, предположительно, благодаря наличию благоприятных климатических условий для своего развития [17].
Формирование и биохимическая деятельность микробных биоплёнок является одним из важнейших факторов разрушения культурных объектов. Биоплёнки производят механическое и химическое повреждение объектов, разрушают камни, обесцвечивают или изменяют краски настенных изображений, фресок и лепнины, часто приводя к необратимой порче или даже уничтожению ценностей культуры. Разработке специальных мер по предотвращению того вреда, который причиняется биоплёнками микроорганизмов объектам мировой культуры, уделяется много внимания [14, 16, 18].
В подземных античных сооружениях, тоннелях и катакомбах, где сложилась экосистема с комплексом условий, благоприятных для роста и развития стрептомицетов (в частности, высокая относительная влажность, наличие органических веществ, постоянная температура), они преобла-
дают в микробном сообществе или даже формируют моноплёнки [19]. В составе биоплёнок на поверхности каменных монументов в исторических замках Шотландии также количественно доминируют стрептомицеты — S.microflavus и Streptomyces 8р. [20]. В римских катакомбах в составе биоплёнок с синезелёными бактериями наличествует S.julianus [21]. Считается, что стрептомицеты больше вредят художественным объектам, находящимся в помещениях (фрески, картины на стенах и др.), чем объектам, расположенным вовне. На настенных картинах в пяти из семи обследованных старинных церквей южной Италии в сообществе с другими гетеротрофами найдены 13 видов стрептомицетов, вызвавших биодеградацию средневековых росписей [22].
К тому типу биоплёнок, который формируется на поверхности раздела фаз «жидкость (водная среда) — твердая поверхность», относятся биоплёнки, формирующиеся в морских и речных осадках, в береговых районах с приливами-отливами, в обрастаниях на поверхности водных растений, мангровых болотах, в толще морской воды на агрегатах органического вещества («морской снег»).
Стрептомицеты, формирующие биоплёнки, обнаружены в осадках, взятых в эстуарии в Бенга-лии. Они являются солетолерантными, один из них идентифицирован как S.parvullus, способный синтезировать актиномицин Б [23]. В осадках у тихоокеанского побережья южной Кореи 66% изо-лятов принадлежали роду Streptomyces [24].
Известно, что поверхность морских эукарио-тов покрывают многочисленные и разнообразные по составу сообщества микроорганизмов, формирующих биоплёнки. Морские актиноми-цеты, и в их числе стрептомицеты, выявляются в микробных сообществах на поверхности морских водорослей, входя в число основных и постоянно встречающихся участников образования этих биоплёнок [25, 26]. Актиномицеты составляют около 10% от общего числа бактерий, колонизирующих «морской снег» — морские агрегаты органических веществ. Эти исследования представлены в обзоре [27]. Морские стрептомицеты являются аборигенными организмами, адаптированными к комплексу экстремальных условий обитания, и трудности их выделения обусловлены необходимостью подбора для них специфических условий культивирования [27, 28].
После отмеченного к настоящему времени «исчерпания» пула природных антибиотиков из почвенных стрептомицетов, одним из путей получения новых препаратов является освоение пула продуцентов из «экзотических», или слабо обследованных экологических ниш, к которым, в частности, относятся моря, океаны со своей богатой и недостаточно изученной микрофлорой. Различные морские микроорганизмы и среди
них, в первую очередь, стрептомицеты в настоящее время составляют основную надежду фармакологической промышленности как источник новых природных биологически активных веществ [24, 28, 29-31].
Стрептомицеты обнаружены также в биоплёнках, развивающихся в очистных сооружениях для промышленных и сточных вод. Известно, что очистка сточных и загрязненных промышленных вод эффективно происходит с участием биоплёнок. Большое разнообразие Streptomyces spp. идентифицировано в биоплёнках, формирующихся в специализированной очистной системе с гравием (Gravel Bed Hydroponic System), применяемой для очистки промышленных и сельскохозяйственных загрязнённых вод [32]. Биоразнообразие актиномицетов, формирующих данные биоплёнки, оценено как весьма высокое: из этих биоплёнок выделено 40 видов актиноми-цетов, принадлежащих к 10 родам. Среди них доминировали представители рода Streptomyces (сем. Streptomycetaceae) — они составили 35% всех изолятов и были отнесены к 14 видам. Наиболее многочисленными были виды: S.rochei и S.cya-neus. Помимо указанных, выделены и другие ак-тиномицеты — Nocardioides spp. (подпорядок Propionibacterineae, сем. Nocardioidaceae), Nocardiopsis spp. (сем. Nocardiopsaceae), Nocardia spp. (сем. Nocardiaceae), Actinomadura spp. (сем. Thermomonosporaceae), Pseudonocardia spp. (сем. Pseudonocardiceae), Micromonospora (сем. Micromonosporaceae), Planobispora (подпорядок Streptosporangineae, сем. Streptosporangiaceae). Такое большое биоразнообразие авторами истолковано как наличие у актиномицетов высокой способности к успешной конкуренции с другими формирующими биоплёнки микроорганизмами в исследуемой системе [32].
В целом, среди видов рода Streptomyces, способных формировать биоплёнки, идентифицированы S.viridosporus, S.badius, S.setonii [33—35], S.coelicolor [36], S.griseus [37], S.parvullus [23]. При соответствующем скрининге способность формировать биоплёнки показана также для других стрептомице-тов, неидентифицированных до вида [37]. Неидентифицированные стрептомицеты, формирующие биоплёнки, есть и среди выделенных из морских осадков солетолерантных изолятов [23].
Строение биоплёнок стрептомицетов
В качестве классических признаков бактериальных биоплёнок в литературе наиболее часто указываются — «многоклеточность» (в смысле совместного существования множества клеток), образование ими общего внеклеточного матрикса и «сидячий» (прикреплённый) образ жизни. Биоплёнки называют также широко распространён-
ной формой бактериальной многоклеточности, которая возникает тогда, когда индивидуальные клетки агрегируются и существуют как прикреплённое к субстрату сообщество, погружённое во внеклеточный матрикс [6].
Определение, опирающееся на характерные признаки биоплёнок, представлено в обширном обзоре, где биоплёнки охарактеризованы как «пространственно и метаболически структурированные сообщества микроорганизмов, заключённые во внеклеточный полимерный матрикс и расположенные на границе раздела фаз». Описаны разные морфотипы бактериальных биоплёнок согласно месту их формирования и особенностям их архитектуры [1].
О строении биоплёнок одной из самых интересных групп бактерий — стрептомицетов имеется пока относительно немного сообщений. Часто в ранних работах о биоплёнках стрептомицетов основное внимание обращено на способность этих организмов к адгезии [33].
В числе первых сообщений о способности стрептомицетов формировать биоплёнки укажем на исследование развития Б.coelicolor на жидких средах в условиях погружённого роста, при встряхивании, в присутствии в питательной среде нерастворимых частиц — солей кальция, каолина и адгезивов [36]. Авторы показали, что в образование пеллет — компактных мицелиальных структур, формирующихся при росте Б.coelicolor на жидких средах при внесении спор в качестве посевного материала, вовлечен внеклеточный ма-трикс, от которого и зависит относительно сильное «сцепление» гиф в пеллетах. Обработка пеллет ДНКазой, а также гиалуронидазой приводит к разрушению этих структур и появлению многочисленных фрагментов гиф. Внесённые в среду нерастворимая соль кальция (фосфат кальция), а также частицы каолина (главная составляющая часть глины) включаются стрептомицетом в формирующиеся пеллеты, служа их физической основой.
Таким образом, пеллеты Б.^еН^^ имеют классические признаки биоплёнок, а именно: это структуры из множества клеток, образующиеся на твёрдыгх субстратах и содержащие скрепляющий их внеклеточным матрикс, в составе которого обнаружены гиалуроновая кислота и ДНК [36].
Описанные биоплёнки сформированы одним видом стрептомицетов (моноплёнки). Авторы предположили, что стрептомицеты как почвенные организмы существуют в природныгх условиях в виде биоплёнок на поверхности почвенных частиц, и напомнили, что агрегация частиц глины с живущими в почве микроорганизмами способствует оструктуриванию почвы [36].
Этапам и механизмам формирования бактериальных биоплёнок посвящено большое количество исследований, результаты которых обоб-
щены в обширном обзоре [1]. Процессы формирования стрептомицетных биоплёнок описаны в тех немногих работах, которые связаны с многообещающими перспективами применения этих биоплёнок в биотехнологических целях.
Изучали процесс формирования моноплёнок S.griseus в экспериментальном тубулярном реакторе [37]. Если при росте в лунках планшетов — стационарном или со слабым встряхиванием биоплёнки не формируются, то при культивировании S.griseus в токе протекающей жидкости в трубчатом ферментёре, они образуются [37]. По классификации, представленной в обзоре [1], эти биоплёнки могут быть отнесены к «биоплёнкам с лентами-выростами, формирующимися в турбулентном потоке».
Прослежена динамика формирования биоплёнки S.griseus [37]. После инокуляции (24-часовой «планктонной» культурой) стрептомицету предоставляли 30 минут «покоя» до начала пропускания жидкой среды — для первоначального прикрепления к стенкам ферментёра. Первоначальный слой мицелия на 50% поверхности дна трубки визуально отмечается через 16 часов. К 24—26 часам развития вся образовавшаяся биомасса отрывается от поверхности трубки и сворачивается в цилиндрическую структуру внутри ферментёра, оставаясь прикреплённой к нему в одной точке. К 40-му часу роста сформировавшаяся биоплёнка представляет собой длинное целостное образование. Она может быть целиком, как единая биомасса, вынесена током жидкости из ферментёра, и это, как считают авторы, указывает на то, что адгезия S.griseus со временем уменьшается. В целом, авторы оценивают способность биоплёнки. S.griseus к адгезии как относительно низкую.
Хотя после вынесения биоплёнки током жидкости в ферментёре нет видимых следов стрепто-мицета, часть оставшихся прикреплёнными клеток дают начало формированию новых биоплёнок: за время наблюдения без дополнительного внесения новых партий посевного материала произошло три цикла прикрепления и развития новых биоплёнок в ферментёре.
Указывалось, что биоплёнки формируются в проточных системах, при наличии субстратов, необходимых для роста [1]. Описанное формирование биоплёнки S.griseus не зависит от скорости движения потока жидкости (биоплёнка образуется и в отсутствие потока), а также от состава жидкости (в данном исследовании использовали несколько стандартных сред для выращивания стрептомицетов) [37].
Структура монобиоплёнки S.griseus представляет очень плотную сеть, состоящую из множества гиф. На поверхности гиф обнаружены многочисленные короткие волосовидные выросты,
авторы предполагают, что именно они служат связыванию гиф в сеть.
При совместном культивировании S.griseus и Bacillus amyloliquefaciens в проходящем токе жидкости формируется бинарная биоплёнка, более прочная, чем моновидовая биоплёнка стрепто-мицета [37].
Способность к образованию биоплёнок в условиях эксперимента показали и другие, неиден-тифицированные виды стрептомицетов.
Прикрепление биоплёнок к субстрату
Для биоплёнок грамположительных и грамот-рицательных бактерий и некоторых грибов в литературе представлен определённый объём сведений о составе и механизмах образования внеклеточного матрикса, однако сообщается, что наибольшее внимание уделяется внеклеточному матриксу тех представителей бактерий, которые имеют значение для медицины [38, 39]. Сведений о составе и функциях внеклеточного матрикса стрептомицетов пока недостаточно. Внеклеточный матрикс не был обнаружен электронно-микроскопическим методом, но считается, что его наличие и белковая природа косвенно доказывается фактом разрушения биоплёнки под действием протеазы [37].
На этом фоне особенно значимым представляется исследование адгезии стрептомицетов — ключевого этапа формирования биоплёнок, а также состава внеклеточного матрикса S.coelicolor [38].
Важным событием является открытие роли внеклеточных сурфактантных белков Chaplins в адгезии стрептомицетов к субстрату [38]. Белки Chaplins, как известно, играют ключевую роль в морфогенезе стрептомицетов, участвуя в образовании спорообразующего воздушного мицелия наряду с другими морфогенетическими белками [40, 41].
Изучали адгезию стрептомицетов на примере S.coelicolor в условиях его стационарного культивирования на жидких средах. Показано, что активная адгезия на гидрофобных поверхностях происходит при участии специальных структур — прикрепляющих амилоидных фимбрий. Фимб-рии состоят из лентовидных амилоидных фибрилл, которые образованы внеклеточными гидрофобными белками, относящимися к классу амилоидных белков Chaplins. Таким образом, процесс адгезии S.coelicolor к субстрату происходит с участием амилоидных белков Chaplins.
Экстрацеллюлярный матрикс S.coelicolor, по полученным данным, представлен фимбриями, шириной от 9 до 100 нм. Фимбрии образуются примерно к 15 дню культивирования стрептоми-цета. Они присоединены к гифам посредством шипообразных выростов. Было показано, что
степень адгезии зависит от состава среды культивирования, и экстрацеллюлярный матрикс определяется только при росте на той из использованных сред, где степень адгезии S.coelicolor выше.
Авторы предполагают, что процесс сборки протеинов в фимбрии может начаться или при воздействии гипотетического нуклеатора, или имеет место самосборка. В определённых условиях in vitro наблюдали самосборку белков Chaplins в амилоидные нити [38].
Прикрепление к субстрату и образование фимбрий не происходит у мутантов, у которых не активированы гены, ответственные за синтез белков Chaplins . Вместо нормальных фимбрий у них наличествуют тонкие фибриллы, исходящие из шипообразных выростов на поверхности гиф.
Однако участия белков Chaplins недостаточно для адгезии стрептомицетов. Показано, что важную роль в этом процессе играет также целлюлоза — она участвует в закреплении амилоидных фимбрий на поверхности гиф и, возможно, служит «строительными лесами» для построения самих фимбрий [38]. Фимбрии прикрепляются к гифам в тех местах, где на поверхности гиф есть шипообразные выросты. Шипообразные выросты — это места, где синтезируется целлюлоза, и образуются целлюлозные фибриллы. Целлюлозные фибриллы есть и у тех мутантов, которые не синтезируют белки Chaplins. При воздействии целлюлазы происходит отсоединение фимбрий от поверхности гиф, равно как и открепление S.coelicolor от субстрата. Авторы подчеркивают, что впервые показана важная функциональная роль целлюлозы в общем процессе активной адгезии стрептомицетов.
Амилоидные фимбрии составляют экстрацеллюлярный матрикс, образующийся при росте S.coelicolor, и определяющий прикрепление стрептомицета к субстрату. Прочность адгезии, как и образование «типичных» фимбрий и их морфологические и функциональные свойства, зависят от состава среды культивирования стреп-томицета, а также и от генетических характеристик изучаемых мутантов S.coelicolor. В данном исследовании впервые показана роль внеклеточных сурфактантных белков Chaplins и целлюлозы в процессе адгезии стрептомицетов. Авторы подчеркивают, что процесс адгезии — важнейший этап формирования стрептомицетами биоплёнок, кроме того, адгезия — начало возможного проявления их патогенных свойств как возбудителей определённых заболеваний [38].
В условиях in vitro S.granaticolor формирует биоплёнки на двух инертных поверхностях — стеклянной и циркониево-силиконовой, причём формирование интенсивнее происходит на стеклянной поверхности. На ранних стадиях (6 часов) формирования биоплёнки на обеих поверхностях
в мицелии обнаружены три белка (дигидролипоа-миддегидрогеназа, амидофосфорибозилтранфе-раза и цистатионин в-синтаза), которые известны как участники процесса адгезии у различных микроорганизмов. В биоплёнке на стекле обнаружен также уникальный белок (глицералальдегид-3-фосфат дегидрогеназа). Предполагается, что эти белки являются также участниками процесса адгезии как начального этапа формирования биоплёнки у стрептомицетов [42].
Заключение
Приведённые в нашем кратком обзоре данные свидетельствуют о том, что стрептомицеты, как и многие другие бактерии и грибы, способны формировать биоплёнки как на абиотических, так и на биотических поверхностях. Стрептомицеты могут образовывать биоплёнки в сообществе с другими микроорганизмами или моноплёнки. Способность формировать биоплёнки описана для разных видов рода Streptomyces, однако ввиду немногочисленности полученных данных трудно дать какую-либо статистическую оценку.
Структура стрептомицетных биоплёнок изучена недостаточно. Первоначальная колонизация поверхности может осуществляться как спорами, так и мицелием. Биоплёнка формируется растущими гифами стрептомицета как единая структура, погружённая во внеклеточный полимерный матрикс. Данные о составе и функционировании внеклеточного матрикса стрептомицетов также немногочисленны. Важнейшим шагом в этом направлении было открытие роли внеклеточных сурфактантных белков группы Chaplins в образовании внеклеточного матрикса S.coelicolor и в его адгезии к субстрату. Другим ключевым фактором адгезии стрептомицетов является целлюлоза. Получены сведения, что в адгезии (как раннем этапе формирования биоплёнки Sgranaticolor) предположительно могут участвовать и другие белки.
Биоплёнки широко распространены в природных и антропогенных условиях, и их образование имеет огромное медицинское, экономическое и экологическое значение. Существование микроорганизмов в виде биоплёнок ставит множество вопросов, на многие из которых пока не найдено адекватных ответов. Биоплёнки являются предметом комплексного исследования — медицины, микробиологии, экологии. Изучение распространения биоплёнок стрептомицетов в разных экологических нишах, раскрытие факторов окружающей среды, способствующих их формированию, как и исследование процессов развития, архитектуры и функционирования биоплёнок представляют собой основу для дальнейшего развития, в том числе и медицинской микробиологии.
Одним из наиболее острых вопросов является — как предотвратить или успешно контролировать образование нежелательных биоплёнок, приносящих ущерб промышленным процессам, а также являющихся причиной многих заболеваний, осложняющей лечение и приводящей к переходу их в хроническую форму и т.д.
Недостаточно сведений о том, какие факторы окружающей среды направляют развитие стреп-томицетов по тому или иному пути, какие молеку-
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биоплёнка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма? Микробиология 2007; 76: 2: 149—163.
2. Karatan E, Watnic P. Signals, regulatory networks, and materials that build and break bacterial biofilms. Microbiol Mol Biol Rev 2009; 73: 2: 310—347.
3. Lazar V. Quo run sensing in biofilms — how to destroy the bacterial citadels or cohesion power? Anaerobe 2011; 17: 6: 280—285.
4. Максимова Ю.Г. Микробные биоплёнки в биотехнологических процессах. Биотехнология 2013; 4: 9—23.
5. Vega L.M., Alvarez P.J., McLean R.J.C. Bacterial signaling ecology and potential applications during aquatic biofilm construction. Microb Ecol 2014; 68: 1: 24—34.
6. Claessen D, Rozen D.E., Kuipers O.P. etal. Bacterial solutions to multi-cellularity: a tale of biofilms, filaments and fruiting bodies. Nat Revs. Microbiol 2014; 12: 2: 115—124.
7. Плакунов В.К., Журина М.В., Беляев С.С. Устойчивость нефтео-кисляющего микроорганизма, Dietzia sp., к гиперосмотическому шоку в реконструированных биоплёнках. Микробиология 2008; 77: 5: 591—589.
8. Гинцбург А.Л., Романова Ю.М.Бактериальные биоплёнки как естественная форма существования бактерий в окружающей среде и организме хозяина. Журн микробиол эпидемиол иммунобиол 2011; 3: 99—109.
9. Мальцев С.В., Мансурова ГШ. 2011. Что такое биоплёнка? 2011. http://pmarchive.ru/chto-takoe-bioplenka
10. Flores-Encarnation M, Gonzalez-Gutierrez J.Y., de la Rosa J.L.M. et al. The bacterial biofilm and importance to human health. Basic Res J Med Clin Sci 2014; 3: 4: 28—32.
11. Quintana E.T., Wierzbicka K, Mackiewicz P et al. Streptomyces suda-nensis sp. nov., a new pathogen isolated from patients with actinomyce-toma. Antonie van Leeuwenhoek 2008; 93: 3: 305—313.
12. Kirby R, Sangal V., Tucker N.P. et al. Draft genome sequence of the human pathogen Streptomyces somaliensis, a significant cause of actino-mycetoma. J Bacteriol 2012; 194: 13: 3544—3545.
13 Shanmughapriya S, Francis A.L., Kavitha S, Natarajaseenivasan K. In vitro actinomycete biofilm development and inhibition by polyene antibiotic, nystatin, on IUD copper surfaces. Biofouling 2012; 28: 9: 929—935.
14. Scheerer S, Ortega-Morales O, Gaylarde C. Microbial deterioration of stone monuments — an updated overview. Adv Appl Microbiol 2009; 66: 97—139.
15. Dakal T.C.,Cameotra S.S. Microbially induced deterioration of architectural heritages: routes and mechanisms involved. Environ Sci Eur 2012; 24: 36: 1—13.
16. Lupan I., Popescu O. Metagenomics and future perspectives for biode-terioration and biodegradation studies. Annals of RSCB 2012; 17: 2: 37—42.
17. Gaylarde Ch.C, Gaylarde P.M. A ramparative study of the major microbial biomass of biofilms on exteriors of buildings in Europe and Latin America. Int Biodeterioration and Biodegradation. 2005; 55: 2: 131—139.
18. Ciferri O. Microbial degradation of paintings. Appl Envir Microbiol 1999; 65: 9: 879—885.
лярные механизмы контролируют это переключение (switch), какие структурно-физиологические преимущества в освоении новых экологических ниш приобретаются при этом организмом.
Повышенная по сравнению с «планктонными» клетками резистентность бактерий в биоплёнках к экстремальным факторам окружающей среды, к биоцидам, к стандартным способам применения антибиотиков требуют новой стратегии контроля этой формы жизни микроорганизмов.
19. Groth I., Saiz-Jimenez C. Actinomycetes in hypogean environments. Geomicrobiol J 1999; 16: 1:1-8.
20. Suihko M.L., Alacomi H.L., Gorbushina A. et al. Characterization of aerobic bacterial and fungal microbiota on surfaces of historic Scottish monuments. Syst Appl Microbiol 2007; 30: 6: 494—508.
21. Albertano P., Urzi C. Structural interaction among epilithic cyanobacte-ria and heterotrophic microorganisms in Roman hypogea. Microb Ecol 1999; 38: 3: 244—252.
22. Pepe O, Sannino L, Palomba S. et al. Heterotrophic microorganisms in deteriorated medieval wall paintings in southern Italian churches. Microbiol Res 2010; 165: 1: 21—32.
23. Sarkar S, Saha M, Roy D. et al. Enhanced production of antimicrobial compounds by three salt-tolerant actinobacterial strains isolated from the Sundarbans in a niche-mimic bioreactor. Mar Biotechnol (NY) 2008; 10: 5: 518—526.
24. Parthasarathi S, Sathya S, Bupesh G. et al. Isolation and characterization of antimicrobial compound from marine Streptomyces hygroscopi-cus BDUS 49. World J Fish Marine Sci 2012; 4: 3: 268—277.
25. Hollants J., LeliaertF, De Clerck O, WillemsA. What we can learn from sushi: a review on seaweed-bacterial associations. FEMS Microbiol Ecol 2013; 83: 1: 1—16.
26. Sarkar S. Enchanced antimicrobials and esterase production associated to biofilm formation by two estuarine isolates in a novel polymethyl-methacrylate conicocylindrical flask. Int J Adv Biotechnol Res 2014; 5: 2: 242—261.
27. Manivasagan P., Venkatesan J., Kim Se-K. Introduction to Marine Actinobacteria. In Marine Microbiology: Bioactive Compounds and Biotechnological Applications.2013 Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.
28. Penesyan A., Kjelleberg S, Egan S. Development of novel drugs from marine surface associated microorganisms. Mar Drugs 2010; 8: 3: 438—459.
29. Bull A.T., Stach J.E.M. Marine actinobacteria: new opportunities for natural product search and discovery. Trends Microbiol 2007; 15: 11: 491—499.
30. Newman D.J., CraggM.G. Natural products as sources ofnew drugs over the last 25 years. J. Nat Prod 2007; 70: 3: 461—477.
31. Olano C, Mendez C, Salas J.A. Antitumor compounds from marine actinomycetes. Mar Drugs 2009; 7: 2: 210—248.
32. El-Shatoury S, Mitchell J., Bahgat M, Dewedar A. Biodiversity of actin-omycetes in constructed wetland for industrial effluent treatment. Actinomycetologica 2004; 18: 1: 1—7.
33. Pometto III A.L., Demirci A., Johnson K.E. Immobilization of microorganisms on a support made of synthetic polymer and plant material. Патент US 5595893 A 1997.
34. Demirci A., Pometto III A.L., Johnson K.E. Lactic acid production in a mixed-culture biofilm reactor. Appl Environ Microbiol 1993; 59: 1: 203—207.
35 Khiyami M.A., Pometto III A.L., Brown R.C. Detoxification of corn stover and corn starch pyrolysis liquors by Pseudomonas putida and Streptomyces setonii suspended cells and plastic compost support biofilms. J Agric Food Chem 2005; 53: 8: 2978—2987.
36. Kim Y.M., Kim J.H. Formation and dispersion of mycelial pellets of Streptomyces coelicolor A3(2). J Microbiol 2004; 42: 1: 64—67.
37. Winn M., Casey E., Habimana O., Murphy C.D. Characteristic of Streptomyces griseus biofilms in continuous flow tubular reactors. FEMS Microbiol Lett.2014; 352: 2: 157—164.
38. de Jong W, Wosten Han A. B, Dijkhuizen L, Claessen D. Attachment of Streptomyces coelicolor is mediated by amyloidal fimbriae that are anchored to the cell surface via cellulose. Mol Microbiol 2009; 73: 6: 1128-1140.
39. Стрелкова E.A., Позднякова H.B., Журина M.B. и др. Роль внеклеточного полимерного матрикса в устойчивости бактериальнызх биоплёнок к экстремальным факторам среды. Микробиология 2013; 82: 2: 131-138.
40. Claessen D, Rink R, de Jong W. et al. A novel class of secreted hydrophobic proteins is involved in aerial hyphae formation in
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Streptomyces coelicolor by forming amyloid-like fibrils. Genes Dev 2003; 17: 14: 1714-1726.
41. Flärdth K, Buttner M.J. Streptomyces morphogenetics: dissecting differentiation in a filamentous bacterium. Nat Revs Microbiol 2009; 7: 1: 36-49.
42. Peträckovä D, Buriänkovä K, Tesarovä E. et al. Surface hydrophobici-ty and roughness influences the morphology and biochemistry of strep-tomycetes during attached growth and differentiation. FEMS Microbiol Lett. 2013; 342: 2: 147-156.
Виноградова Ксения Александровна — к.б.н., старший научный сотрудник, Кафедра микробиологии биологического факультета МГУ
Булгакова Вера Георгиевна — к.б.н., старший научный сотрудник, Кафедра микробиологии биологического факультета МГУ
Полин Анатолий Николаевич — д.м.н., профессор, ведущий научный сотрудник Кафедра микробиологии биологического факультета МГУ
Кожевин Петр Александрович — д.б.н., ведущий научный сотрудник, Кафедра микробиологии биологического факультета МГУ
