ПРОЦЕС УТВОРЕННЯ ПОЛІВИДОВОЇ БІОПЛІВКИ МОЛОЧНОКИСЛИМИ БАКТЕРІЯМИ

Основною групою мікроорганізмів, що сьогодні використовується у процесі отримання великої кількості різних харчових продуктів, а також у складі сучасних пробіотичних препаратів, є молочнокислі бактерії роду Lactobacillus [4]. Це обумовлено постійною присутністю даних мікроорганізмів у складі нормальної мікробіоти людини та накопиченню величезного числа даних, які свідчать про ключову фізіологічну роль лактобацил у функціонуванні організму здорової людини [3].

Лактобактерії є досить різноманітною групою грампозитивних мікроорганізмів, представників яких можна зустріти не тільки у складі мікробіоти людини та тварин, а й у інших екологічних нішах [5]. Було встановлено, що місце перебування лактобацил, перш за все, залежить від фізіологічних особливостей окремих видів [2]. Обмежене поширення в природі молочнокислих бактерій визначається їх складними потребами в поживних речовинах та способом отримання енергії. Деякі види, наприклад, Lactobacillus brevis, L. casei, L. plantarum, можна знайти у різних місцях мешкання [10]. Вони можуть мешкати на поверхні багатьох рослин, звідки потрапляють у різні продукти – їх легко знайти в молочних продуктах, соліннях, маринадах, вині, фруктових соках [16]. Інші представники є більш спеціалізованими і знаходяться тільки в певних екологічних нішах, але вони майже ніколи не виявляються в ґрунті або водоймах. Так, L. johnsonii знайдено тільки у шлунково-кишковому тракті людини, L. delbrueckii subsp. bulgaricus – у молочнокислих продуктах [1].

Для ефективних колонізації та персистенції або адаптації до зміни умов лактобацилам необхідно мати систему, яка дозволяє швидко реагувати на фактори навколишнього середовища. Було досліджено, що у даних мікроорганізмів таку функцію найчастіше виконує двокомпонентна система, що складається з асоційованого з мембраною білка – гістидин-кіназою, яка взаємодіє з сигналами від навколишнього оточення клітини, а також цитоплазматичного регулятору відповіді, який модулює роботу специфічних генів [14]. Колонізація відповідних біотопів представниками роду Lactobacillus починається, перш за все, з адгезії окремих клітин на щільної поверхні, зокрема прикріплення до клітин макроорганізму, та утворення біоплівки [8]. Сьогодні вже доведено, що біоплівка є специфічною формою існування мікроорганізмів на межі розділу фаз та характеризується набором властивостей, відмінних від сукупності окремих клітин в чистій культурі [12]. Тобто мікробіота кишечника або шкіри на відповідних поверхнях організму людини формує гігантську біоплівку, яка складається з окремих мікроколоній мікроорганізмів та відповідного матриксу (екзополісахарідів або інших сполук мікробного походження, які необхідні для утворення даної структури).

До утворення біоплівок здатна переважна більшість мікроорганізмів у природних умовах.

У більшості випадків у біоплівках виділяють як мінімум два вихідних компонента – клітинну біомасу і матрикс [9]. Перша складова частина – це сукупність мікроорганізмів, які утворюють дану структуру. Відповідно з цим виділяють два основних типи біоплівок: моновидові та полівидові. До моновидових структур належать ті, що сформовані лише одним видом мікроорганізмів. У природних умовах вони зустрічаються досить рідко, зокрема утворюються деякими патогенними бактеріями при інфікуванні тих органів і тканин макроорганізму, які в нормі є стерильними. Наприклад, з появою даних угруповань пов’язане інфікування дихальних шляхів, розвиток карієсу або періодентиту [8].

На відміну від попередніх полівидові біоплівки містять два або більше учасників у межах асоціації. Так, мікробні суспільства шлунково-кишкового тракту та жіночих статевих шляхів містять сукупність бактеріальних клітин різних видів, серед яких значну частину складають лактобацили. При цьому, під час розвитку бактеріального вагінозу дані мікроорганізми можуть витісняти патогенних учасників консорціуму, наприклад, Gardnerella vaginalis. Доведено, що L. reuteri, на основі якого створено різні пробіотичні препарати, може знищувати патогенні бактерії та відновлювати природну біоплівку урогенітального тракту жінок [7].

Перехід від однієї форми існування, зокрема знаходження у вигляді суспензії, до іншої (утворення біоплівки) супроводжується значними змінами у біохімічних властивостях мікроорганізмів [12]. Так, для більшості бактерій, які входять до складу біоплівок, є характерними підвищення стійкості до факторів навколишнього середовища, а також зміни у продукції деяких речовин. Доведено, що біоплівки, які складаються з пробіотичних бактерій, зокрема молочнокислих, утворюючись за різних умов, продукують сполуки з протимікробною активністю, яка спрямована у більшості випадків на патогенні мікроорганізми [9]. Сьогодні вже виділено з лактобацил широкий спектр таких сполук, зокрема реутерин, отриманий від L. reuteri впродовж пізньої логарифмічної та стаціонарної фаз розвитку культури [15]. Дана сполука, а також інші протипатогенні фактор(и), є важливими у підтриманні здорової мікробіоти шлунково-кишкового тракту, що свідчить про можливість використання пробіотичного штаму L. reuteri для захисту від патогенів, як у планктонному стані, так і у вигляді біоплівки [13].

Доведено, що біоплівки, які складаються з пробіотичних мікроорганізмів, зокрема молочнокислих, утворюючись за різних умов, продукують сполуки, які модулюють виробництво фактора некрозу пухлин через активацію імунної системи людини екзополісахаридами [6]. Після утворення плівки для клітин L. reuteri відбувається зниження продукції сполук, які змінюють інтенсивність синтезу фактора некрозу пухлин. Таким чином, стало можливим використання пробіотичних штамів для ефективного пригнічення щільних, складних багатовидових біоплівок слизового шару, які найчастіше пов’язують із запаленням та захворюваннями [13].

Все це обумовлює значний інтерес до вивчення та встановлення основних механізмів формування біоплівки представниками роду Lactobacillus, а також особливостей продукції ними антимікробних сполук у даному стані [8, 11].

Література:

1. Квасников Е.И. Молочнокислые бактерии и пути их использования. – М.: Наука, 1975. – С. 28 - 46.

2. Коршунов В.М. Проблема регуляции микрофлоры кишечника // Ж. микробиол. – 1995. – № 3. – С. 48 - 53.

3. Ленцнер А.А., Ленцнер Х.П., Микельсаар М.Э. Лактофлора и колонизационная резистентность // Антибиотики и медицинская биотехнология. – 1997. – Т. 32, № 3. – С. 173 - 179.

4. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, Дж. Стейли, С. Уильямса. – М.: Мир, 1997. – Т.1. – С.432.

5. Bjork L. The lactoperoxidase system // Natural Antimicrobial Systems. – IDF: Brussells, 1985. – P. 18 - 23.

6. Dellaglio F. Thermophilic lactic acid bacteria // Bull. Fed. Int. Lait. – 1984. – Vol. 179. – P. 69 - 76.

7. Extracellular DNA required for bacterial biofilm formation / Whitchurch C.B., Tolker-Nielsen T., Ragas P.S., Mattick J.S. // Science. – 2002. – V. 295. – P. 1487.

8. George A. To build a biofilm // J. Bacteriol. – 2003. – Vol. 185, № 9. – P. 2687 - 2689.

9. Hall-Stoodley L., Nistico L., Sambanthamoorthy K. Characterization of biofilm matrix, degradation by DNase treatment and evidence of capsule downregulation in Streptococcus pneumoniae clinical isolates // BMC Microbiology. – 2008. – Vol. 8. – P. 1 - 16.

10. Leyer G.J., Mubasher M.E. Probiotic effects on cold and influenza-like symptom incidence and duration in children // Pediatrics. – 2009. – Vol. 124. – P. 172 - 179.

11. Mayer C. The role of intermolecular interactions studies on model systems for bacterial biofilms // Int. J. Biol. Macromol. – 2001. – Vol. 26. – P. 3 - 16.

12. Morrow L.E., Kollef M.H., Casale T.B. Probiotic prophylaxis of ventilator-associated pneumonia: a blinded, randomized, controlled trial // Am. J. Respir. Crit. Care Med. – 2010. – Vol. 182. – P. 1058 - 1064.

13. Niedzielin K., Kordecki H., Birkenfeld B. A controlled, double-blind, randomized study on the efficacy of Lactobacillus plantarum 299V in patients with irritable bowel syndrome // Eur. J. Gastroenterol. Hepatol. – 2001. – Vol. 13. – P. 1143 - 1147.

14. Randomised, double-blind and placebo-controlled study using new probiotic lactobacilli for strengthening the body immune defence against viral infections / Berggren A, Lazou A.I, Larsson N., Onning G.// Eur. J. Nutr. – 2011. – Vol. 50. – P. 203 - 210.

15. Rapid amplified ribosomal DNA restriction analysis (ARDRA) identification of Lactobacillus spp. isolated from fecal and vaginal samples / Ventura M., Casas I.A., Morelli L., Callegari M.L. // Syst. Appl. Microbiol. – 2000. – Vol. 23. – P. 504 - 509.

16. Woo S., Kim J.Y., Lee Y.J. Effect of Lactobacillus sakei supplementation in children with atopic eczema-dermatitis syndrome // Ann. Allergy Asthma Immunol. – 2010. – Vol. 104. – P. 343 - 348.

Науковий керівник:

 науковий співробітник, кандидат біологічних наук, Русакова Марія Юріївна.