ГЕТЕРОГЕННОСТЬ МИКРОБНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ СПб ГУ 2017 Вид

ГЕТЕРОГЕННОСТЬ МИКРОБНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ СПб. ГУ 2017

Вид - это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющих единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими и биохимическими признаками.

Штамм - это совокупность бактерий одного вида, выделенных из разных источников или из одного источника в разное время. Штаммы могут различаться по некоторым признакам, не выходящим за пределы характеристики вида.

Инфравидовые (штаммовые) названия: Название Синонимы Учитываемые признаки Биовар (Biovar) Биотип, Физиологический тип Биохимические или физиологические свойства Хемоформ (Chemoform) Хемовар (Chemovar) Хемотип Химический состав Образование какого-либо химического вещества Культивар (Cultivar) Культивируемый штамм с особыми свойствами Forme specialis Особая форма Морфовар (Morphovar) Морфотип Морфологические признаки Патовар (Pathovar) Патотип Патогенная реакция у одного или более хозяев Фаговар (Phagovar) Фаготип, лизотип Отношение к бактериофагу Фаза (Phase) Серовар (Serovar) Применимо к хорошо очерченной стадии естественно встречающихся альтернативных вариантов Серотип Состояние (Status) Геновариант (Genovar) Паразитический, симбиотический или комменсальный микроорганизм, адаптированный к определенному хозяину или условиям. Антигенные признаки Варианты колоний, например шероховатая, гладкая, мукоидная Генотип Генетически обособленный вариант

Клюйвер Ван-Ниль 1959 «Чистые культуры бесспорно не могут считаться однородными во всех отношениях после того, как численность популяции достигнет величины около 108 клеток»

S- и R-формы колоний B. anthracis rough form (шероховатая) smooth form (гладкая)

Колонизация субстрата

Фрагмент поверхности колонии E. coli. (СЭМ) Ув. х11000.

Внутренняя структура колоний Bacillus subtilis (СЭМ)

Взаимодействие клеток в микробных сообществах

Разрастание бактериальной колонии

Перитрихиальные жгутики, определяющие межклеточные контакты в колонии Proteus mirabilis Ув. х 40000

Состав биополимерного межклеточного матрикса в колонии • Полисахариды микроорганизма, • гликозилфосфатсодержащие биополимеры типа тейхоевых кислот, • гликопротеины, • полиглутаминовая кислота (например, у бацилл) • фибриллярные элементы • сиаловые кислоты

В настоящее время признано, что большинство микроорганизмов в естественных и искусственно созданных окружающих средах существует в виде прикрепленных к поверхности сообществ – биопленок • Биопленка - микробное сообщество, в котором клетки прикреплены к субстрату или друг к другу и заключены межклеточный матрикс синтезированных ими полимеров.

Схематическое изображение биопленки

Этапы образования биопленки: • Обратимая адгезия • Необратимая (рецепторно - опосредованная) адгезия (экзополисахариды) – Созревание биопленки экспрессия генов, отвечающих за синтез сигнальных молекул: Гр(-) - ацил-гомосериновые лактоны, Гр(+)- короткоцепочечные пептиды • Состав матрикса: полисахариды микроорганизмов и кислые полисахариды • (муцины – продуцируют макроорганизмы)

Феномен взаимодействия между бактериями получил название «quorum sensing или «чувство кворума» . QS -бактериальный язык общения (образование биопленок, патогенность, синтез антибиотиков) Продукция экзогенных факторов патогенности бактериями в составе биопленок происходит только при достижении ими определенной критической массы бактериальных клеток, достаточной для преодоления защитных механизмов организма и успешного развития инфекционного процесса.

Начальный этап колонизации E. coli на субстрате

Структура биопленки

СЭМ биопленки Staphylococcus aureus in vitro. Клетки в полимерном матриксе.

(ТЭМ) УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ участка биопленки Salmonella typhimurium Слева поверхностная пленка включает мембраноподобную структуру, справа- аморфный слой на внешней стороне поверхностной пленки

(ТЭМ) УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ участка биопленки Escherichia coli утолщение аморфного слоя поверхностной пленки

УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ УЧАСТКА БИОПЛЕНКИ Lactobacillus acidophilus поверхностная пленка 3 -х слойная мембрана+полисахариды

Доказана роль микробных биопленок в возникновении и развитии заболеваний: • инфекции, связанные с катетеризацией сосудов, вызванные Staphylococcus aureus и др. Гр+ бактериями, • инфекции сердечных клапанов и суставных протезов, вызываемые стафилококками, • пародонтит, вызываемый рядом микроорганизмов полости рта, • инфекции мочевыводящих путей, вызываемые Е. coli и др. патогенами, • инфекции среднего уха, вызываемые, например Haemophilus influenzae.

В кардиологии и кардиохирургии с биопленками ассоциируются заболевания: • инфекционный эндокардит, вызванный развитием биопленок на собственных клапанах пациентов, • инфекционный эндокардит, связанный с протезными клапанами либо другими имплантатами, • катетер-ассоциированная инфекция, связанная с образованием биопленок.

Биопленка в зубном налёте

Биопленка на эпителии кишки

Экологические преимущества биопленок • Облегчение доступа питательных веществ и метаболическая кооперация, • Защита от негативных воздействий окружающей среды, • Повышение резистентности к антибактериальным агентам.

Резистентность к антибактериальным агентам : • инактивация АМП внеклеточными полимерами или ферментами бактерий, • замедление метаболизма, ведущее к снижению скорости роста микроорганизмов в условиях лимитирования питательных веществ в биопленке, из-за чего АМП диффундирует из биопленки быстрее, чем успевает подействовать на бактерии, • экспрессия генов резистентности, • возникновение в биопленке при воздействии АМП персистирующих микроорганизмов.

Изменение в биопленке стафилококков при воздействии АМП Контроль 5 мг/мл кларитромицина 10 мг/мл кларитромицина

Стратегия преодоления резистентности МО в биопленках • предотвращение первичного инфицирования имплантата, • минимизация начальной адгезии микробных клеток, • разработка методов проникновения через матрикс биопленки различных биоцидов с целью подавления активности связанных биопленкой клеток, • разрушение матрикса.

Морфологические типы клеток: • морфологически интактные - физиологически активные клетки (делящиеся и неделящиеся) - электроннопрозрачные; • покоящиеся клетки - электронно-плотные; • деструктурированные клетки (частично или полностью автолизированные); • инволюционные клетки (стареющие, утрачивающие свою морфологическую и физиологическую целостность).

Ультратонкий срез клеток E. coli: ФА физиологически активная, ПК – покоящаяся (физиологически неактивная). Ув. х85000.

Морфологические различия интактных и покоящихся клеток E. coli M 17 Морфологические признаки морфологические типы клеток Интактные Форма наружная мембрана Периплазматическое пространство Цитоплазма Рибосомы Покоящиеся Палочки правильной формы более мелкие палочки Контур ровный с незначительными изгибами Не выражено диффузно заполнена белковорибосомальным комплексом контуры четко очерчены Нуклеоид зона ярко выражена в центральной части или диффузно распределена в толще цитоплазмы нити ДНК в различной морфологической форме контур извилистый расширено и заполнено электронно-плотным веществом компактно заполнена белково -рибосомальным комплексом рибосомы плотно прилегают друг к другу контуры не различимы не выявляется практически в конденсированном состоянии