Микробные сообщества и биопленки

В природе микробы редко существуют поодиночке; они образуют структурированные сообщества и биопленки, прикрепленные к поверхностям, чьи коллективные свойства заметно отличаются от свойств отдельных свободноживущих клеток.

Definition

Микробные сообщества — это совокупности взаимодействующих микроорганизмов, разделяющих общую среду, а биопленки — это структурированные сообщества клеток, прикрепленных к поверхности и погруженных в самопроизведенный внеклеточный матрикс.

Scope

Эта тема охватывает взаимодействия, которые структурируют микробные сообщества, включая конкуренцию, кооперацию и метаболический обмен; формирование, архитектуру и жизненный цикл биопленок; внеклеточный матрикс и измененную физиологию клеток биопленок; кворумное чутье и скоординированное поведение; а также экологические и практические последствия жизни в сообществах и на поверхностях.

Core questions

• Как взаимодействия между микробами структурируют сообщества?
• Как формируются и развиваются биопленки?
• Почему клетки биопленки ведут себя иначе, чем свободноживущие клетки?
• Как микробы координируют групповое поведение?

Key concepts

• Взаимодействия в сообществе и метаболический обмен
• Формирование и архитектура биопленок
• Внеклеточный полимерный матрикс
• Кворумное чутье
• Измененная физиология клеток биопленки

Key theories

Биопленочный режим роста

Костертон и коллеги утверждали, что прикрепленные к поверхности, заключенные в матрикс биопленки являются преобладающим и отличным способом микробной жизни, при котором клетки демонстрируют измененную физиологию и повышенную толерантность по сравнению со свободноживущими клетками.

Mechanisms

Микробы в сообществах взаимодействуют посредством конкуренции за ресурсы, кооперативного обмена метаболитами и химической сигнализации. Формирование биопленки начинается с прикрепления к поверхности, за которым следуют рост, производство внеклеточного матрикса, который удерживает клетки вместе, и созревание в структурированное сообщество; клетки внутри биопленок часто демонстрируют измененную экспрессию генов и большую толерантность к стрессам. Скоординированное поведение, такое как кворумное чутье, позволяет популяциям коллективно реагировать на свою плотность.

Clinical relevance

Биопленки образуются на природных поверхностях, в промышленных системах и на медицинских устройствах, где их толерантность к антимикробным препаратам и защитным механизмам хозяина способствует стойкому загрязнению и хроническим инфекциям, что делает биологию сообществ и биопленок важной в экологическом, промышленном и медицинском контекстах.

History

Признание того, что большинство микробов в природных и клинических условиях живут в прикрепленных к поверхности биопленках, а не в виде свободно плавающих клеток, росло на протяжении конца двадцатого века, при этом обзоры, такие как обзор Костертона и коллег в 1999 году, подчеркивали биопленки как общую причину стойких инфекций и особый способ микробной жизни.

Key figures

• J. William Costerton
• E. Peter Greenberg

Seminal works

• costerton1999
• madigan2018

Frequently asked questions

Почему биопленки труднее уничтожить, чем свободно плавающие бактерии?

Клетки в биопленке защищены внеклеточным матриксом и часто демонстрируют измененную физиологию, что в совокупности повышает их толерантность к антимикробным агентам и защитным механизмам хозяина по сравнению с теми же клетками, растущими свободно. Именно поэтому биопленки связаны со стойким загрязнением и инфекциями.