Бактериальные биопленки: Знаете ли вы, что они могут нам помочь?
Бактерии - это крошечные организмы, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. В природе они живут в социальных группах, называемых биопленками. Для создания биопленок бактерии вырабатывают липкий материал, который работает как клей, называемый матрицей биопленки, и помогает бактериям прилипать друг к другу и к поверхностям. Хотя некоторые типы биопленок могут быть вредными, многие биопленки очень полезны для человека. В этой статье мы приведем примеры удивительных вещей, которые биопленки могут сделать для нас: от помощи в устранении разливов нефти в океанах до помощи нашим растениям и культурам оставаться здоровыми! Вы можете посмотреть анимацию и изучить иллюстрацию. Мы надеемся, что вам понравится узнавать о полезных биопленках.
Что такое биопленки?
Бактерии - это маленькие одноклеточные организмы. В природе бактерии живут в социальных группах, называемых "биопленками". Если биопленка вырастает достаточно большой, мы можем увидеть ее даже невооруженным глазом. Примерами биопленок, которые вы могли видеть, могут служить налет на зубах, слизь, образующаяся на кафеле в душе, и скользкое покрытие на камнях в пруду. В биопленке бактерии прилипают к поверхностям и друг к другу. Чтобы создать биопленку и распространиться по поверхности, бактерии производят материалы, которыми покрывают себя и своих соседей. Слизистое защитное покрытие, которое создают бактерии, - это "матрица биопленки". Матрица биопленки действует как цемент между кирпичами при строительстве стены. Он придает структуру бактериальному сообществу. Матрица также защищает бактерии в биопленке от внешней среды, которая может включать антибиотики. Матрица также действует как клей, приклеивая бактерии к поверхностям, что делает биопленку трудноудаляемой.
Биопленку можно представить себе как оживленный многолюдный город. Город начинается с того, что в нем поселяется небольшое количество людей. Поселенцы строят дома, и со временем образуется большое и разнообразное сообщество. То же самое происходит и при формировании биопленки. Бактерии выбирают места, где они хотят поселиться, и строят биопленку. Это происходит в соответствии с их потребностями, которые могут меняться в зависимости от того, какая пища им нужна для роста. В биопленке могут жить и работать вместе различные виды бактерий. Такое сотрудничество позволяет бактериям выживать во многих средах. Это может быть почва, морские глубины, пища, которую мы едим, и даже наше собственное тело!
Для человека бактериальные биопленки могут быть как вредными, так и полезными. Влияние зависит от того, какие бактерии в них живут и где растет биопленка. Иногда бактерии образуют биопленки, которые могут нанести вред нам или нашему окружению [ 1 ]. Например, если бактерия Clostridium difficile образует биопленку внутри нашего кишечника, мы заболеваем. Другие бактерии могут образовывать биопленки внутри труб, вызывая их закупорку, а иногда могут загрязнять пищу, которую мы едим. Из-за липкой и защитной природы матрицы биопленки избавиться от нее очень сложно. Несмотря на то, что биопленки играют важную роль в заражении и порче продуктов питания и поверхностей, это еще не все. Большинство микробов полезны, и без них жизнь на нашей планете была бы невозможна. Здесь мы сосредоточимся на полезных действиях биопленок как для нас, так и для окружающей среды.
Не все биопленки вредны!
Морская жизнь в опасности? Биопленки в помощь!
Примером полезной биопленки может служить очистка океанов и морей от случайно разлившейся токсичной нефти. Разливы нефти могут происходить при поломке оборудования на кораблях или при затоплении нефтяных танкеров. Утечка нефти в водоемы - это серьезное бедствие для окружающей среды, приводящее к загрязнению и гибели морских животных и птиц. Существуют различные методы ликвидации разливов нефти. Один из них предполагает использование бактерий, которые образуют биопленки вокруг капель нефти! Одна из таких полезных бактерий - Alcanivorax borkumensis. Эта бактерия обитает во многих океанах и использует в качестве источника питания маслянистые химические соединения - углеводороды [ 2 ].
A. borkumensis создает специализированную матрицу биопленки, которая работает как клей, позволяя ей прикрепляться к маслам в воде. При случайном разливе нефти A. borkumensis чувствует маслянистые химические капли и прикрепляется к их поверхности, образуя в итоге биопленку. A. borkumensis вырабатывает соединения, называемые биосурфактантами, которые облегчают другим бактериям использование нефти в качестве источника пищи. Таким образом, A. borkumensis привлекает больше полезных бактерий, таких как Cycloclasticus, которые присоединяются к сообществу биопленок и помогают очищать токсичные химические вещества, поедая их и используя для получения энергии [ 3 ]. В сообществе биопленок A. borkumensis быстро растет и производит энзимы - крошечные механизмы из белка, которые можно использовать для расщепления пищи и других соединений на более мелкие части. Ферменты, вырабатываемые бактериальными биопленками, помогают расщеплять токсичные капли нефти на более мелкие углеродные соединения. Расщепленные масла используются A. borkumensis и его соседями по биопленке в качестве пищи [3]. Ученые работают над тем, как спасти окружающую среду во время разливов нефти, и бактериальные биопленки могут стать одним из способов помочь в этом!
Более здоровая почва делает более здоровой пищу
Еще одна область, где биопленки могут быть полезны для человека, - это сельское хозяйство, где выращивают растения для еды. Почва является домом для многих видов бактерий и других микроорганизмов. Одной из полезных бактерий, обитающих в почве, является бактерия Bacillus subtilis, которая прикрепляется к корням растений и образует биопленки. Биопленки B. subtilis и растение-хозяин работают вместе, чтобы поддерживать здоровье растения. Растение поставляет в почву сахара и другие продукты питания для B. subtilis. В свою очередь, биопленка защищает растение от потенциально опасных микробов, называемых фитопатогенами, вырабатывая соединения, которые действуют как антибиотики или противогрибковые препараты, убивающие вторгшиеся бактерии или грибы [ 4 ]. B. subtilis также вырабатывает ферменты, которые изменяют питательные вещества в почве, делая их более доступными для растений, включая ключевые минералы - азот и фосфор. Бактерии прекрасно живут в почве вокруг корневой системы и улучшают рост сельскохозяйственных культур и других растений [4] (рис. 1, фильм 1). Считайте биопленки B. subtilis естественным удобрением: если добавить смесь этих полезных бактерий рядом с корнями, например, кукурузы, это увеличит шансы на получение более здоровых растений [4]. Таким образом, бактериальные биопленки могут стать экологически чистой альтернативой химическим удобрениям, которые часто загрязняют воздух и воду и выделяют парниковые газы, нанося вред нашему здоровью и окружающей среде.
- Фильм 1 - Эта анимация расскажет вам о преимуществах биопленок, о которых идет речь в этой статье. Анимация была создана компанией Science Animated (https://sciani.com/).
Биопленки в доме
Знаете ли вы, что биопленки используются в производстве продуктов питания? Пробовали ли вы когда-нибудь ферментированный чайный напиток под названием "комбуча"? Для приготовления этого напитка сообщество бактерий и дрожжей (другой вид микробов) работает вместе, чтобы получить вкусный конечный продукт (рис. 1, фильм 1). Бактерии, используемые для приготовления комбучи, сильно различаются, но часто включают в себя виды Acetobacter, Lactobacillus и Gluconobacter. Со временем бактерии и дрожжи образуют на поверхности напитка слой, похожий на блин, который называется "скоби". Это "пелликулярная биопленка". Пелликулярные биопленки развиваются на поверхности жидкости вблизи воздуха, плавая на поверхности. При приготовлении комбучи некоторые члены микробного сообщества используют сахар, добавляемый в чай, для роста. По мере роста бактерии производят отработанные соединения, которые они выделяют в окружающую среду. Затем другие члены микробного сообщества используют вновь образованные (отработанные) соединения в качестве пищи. Биопленка образуется потому, что бактерии и дрожжи живут в гармонии, питаясь сахаристым чаем и остатками пищи друг друга! Со временем биопленка вырабатывает углекислый газ (газ, который мы выдыхаем и который используется для придания напиткам шипучести) и кислоты, придающие комбуче пикантный вкус [ 5 ].
Не только люди используют биопленки для производства пищи. Биопленки также могут быть пищей для животных и служить важным источником питания для перелетных птиц, таких как западный песочник. Совокупность бактерий и диатомей (вид морских водорослей) образует микроводорослевые биопленки во влажном песке на морских побережьях. При отражении солнечного света биопленка выглядит как зеленая слизь. Микробы в биопленке выделяют молекулы, называемые липидами, которые служат прекрасной пищей для птиц, крабов и червей [ 6 ]! (Рисунок 1, фильм 1).
Заключение
Биопленки окружают нас повсюду. Хотя мы часто думаем о бактериях как о причине болезней, теперь мы знаем, что они работают на нас, делая нашу жизнь лучше. Эти крошечные организмы и создаваемая ими матрица могут иметь множество полезных применений, и ученые упорно работают над тем, чтобы узнать больше о том, как мы можем использовать биопленки с пользой для себя. Мы должны сказать "Спасибо биопленкам!".
