Природа явления адгезии микроорганизмов

Адгезия микроорганизмов представляется важной экологиче­ской чертой существования микроорганизмов. Она экологиче­ски оправдана, и без адгезии микробы не могли бы нормально существовать в почве: во-первых, адгезия помогает микробам удер­жаться в почвенном профиле и не подвергаться вымыванию в нижележащие горизонты; во-вторых, адгезированные клетки оказываются на границе раздела твердого тела и жидкости, где со­средоточены основные питательные вещества. Адгезия имеет и более целенаправленное значение. Так, бактерии, использующие целлюлозу, преимущественно адгезируются на целлюлозе, исполь­зующие крахмал — на крахмале, окисляющие серу — на ее крис­таллах или каплях. Микробы, утилизирующие углеводороды, также избирательно адгезируются на них, а клубеньковые бактерии и фитопатогенные микроорганизмы избирательно адгезируются на корнях растений-хозяев. Обычно микроорганизмы по-разному адгезируются на разных стадиях своего развития. Есть стадии, на которых они находятся в свободном состоянии, и есть стадии, на которых они ведут прикрепленный образ жизни. Некоторые мик­робы переходят в адгезированное состояние в стадиях покоя, другие, наоборот, в активном состоянии адгезируются, а в ста­диях покоя могут находиться в свободном состоянии.

С помощью каких же механизмов достигается такая тонкая регулировка процессов прикрепления и отрыва?

В настоящее время существует гипотеза, что микроорганизмы могут очень тонко и точно регулировать свое положение (сво­бодное или адгезированное), для чего у них имеется ряд генети­чески запрограммированных особенностей. Это возможность синтеза определенных ферментов, изменения заряда и степени гидрофобное™ своей поверхности, синтез поверхностно-актив­ных веществ, образование выростов, деление, хемотаксис и др. Микробы экологически целесообразно могут менять свое поло­жение, располагаясь в свободном или адгезированном положе­нии в зависимости от того, что в данный момент экологически выгодно.

Существовало несколько подходов к изучению природы адге­зии микроорганизмов. Многие исследователи, изучавшие это явление до 70-х годов XX в., пытались проводить аналогию меж­ду адгезией микроорганизмов и адсорбцией ионов и молекул. Именно тогда широко употреблялся термин «адсорбция микро­организмов». Пытались установить, в чем сходство и в чем раз­личие в адсорбции микробных клеток и молекул, строили изо­термы адсорбции, определяли влияние pH и концентрации катионов, устанавливали емкость поглощения, обменность ад­сорбции макроорганизмов и др. Обменная адсорбция изучалась с двух разных позиций: с одной стороны, устанавливалась воз­можность обмена одних микробных клеток на другие, с другой — изучалась возможность замены клеток на ионы. «Адсорбцион­ное» направление продолжает развиваться и в настоящее время, но теперь имеет подчиненное значение. Это направление иссле­дований было плодотворно, так как был установлен ряд ценных закономерностей адсорбции микробных клеток. Однако такой подход не мог разрешить все вопросы.

Некоторые исследователи изучали явление концентрации кле­ток на твердых поверхностях с позиций адгезионных процессов. Адгезией называется слипание поверхностей двух разнородных твердых тел. Адгезия обусловлена теми же причинами, что и ад­сорбция, но проявления этого процесса несколько другие, по­скольку взаимодействуют не молекулы или ионы, а более круп­ные частицы. С теоретических позиций такой подход является более правильным, и в последнее время почти все исследователи пользуются термином «адгезия микроорганизмов», а не «адсорб­ция микроорганизмов». Это направление успешно развивается, что позволит уточнить ряд закономерностей.

В последнее время были введены еще один подход и еще один термин для обозначения того же явления — «иммобилизация кле­ток» (обездвиживание клеток). Представление об иммобилизо­ванных клетках пришло из биохимии, где усиленно изучают им­мобилизованные ферменты. Во многих случаях изучена природа связи ферментов с адсорбентом и специфика их активности. Поскольку было выяснено, что в ряде случаев для проведения определенных биохимических процессов, особенно многоступен­чатых, часто выгоднее и удобнее использовать не отдельные фер­менты, а их комплексы, локализованные в целых живых или уби­тых клетках микроорганизмов, то от изучения иммобилизованных ферментов перешли к изучению иммобилизованных клеток. Под иммобилизованными понимают либо клетки, адгезированные на твердых поверхностях самых различных частиц (пористое стек­ло, полимерные частицы, керамика, полимеры и др.), либо клет­ки, заключенные в различные гели. Последний случай часто ис­пользуется и он хорошо изучен. Следует отметить, что оба случая имеют прямое отношение к почвенным микроорганизмам, по­скольку в почве микробы также либо адгезированы на почвен­ных частицах, либо заключены в органоминеральный гель, по­крывающий почвенные частицы. Интересно отметить, что часто клетки, заключенные в прочные сети геля, не могут размножать­ся. При изучении иммобилизованных клеток были использова­ны методы и достижения биохимии и молекулярной биологии. Однако природа сил, связывающих клетки, изучена гораздо хуже, чем природа сил, связывающих ферменты. Часто биохимики создают условия, которые могут быть аналогичны природным, но в ряде случаев создаются и чисто искусственные условия.

Наконец, четвертый подход, который стал очень популяр­ным в последнее десятилетие и был особенно широко исполь­зован в медицинской микробиологии, — это молекулярно-био­логический подход, подобный тому, который используется в иммунохимии.

Внимание к вопросу об адгезии микроорганизмов было при­влечено в связи с тем, что адгезия является первым этапом мно­гих инфекционных болезней, и если предотвратить адгезию, то можно предотвратить и возникновение заболевания. Полагают, что адгезия клеток микроорганизмов основывается на специфи­ческом механизме и происходит по принципу взаимодействия антигена с антителом — поверхность клетки подходит к адсорби­рующей поверхности, как ключ к замку. Особенные успехи дос­тигнуты в изучении адгезии клеток микроорганизмов на живот­ных и растительных клетках.

Исследуя адгезию микроорганизмов, первые исследователи особенно большое значение придавали электрическому заряду взаимодействующих поверхностей и считали, что происходит взаи­модействие противоположно заряженных поверхностей. Счита­ли, что происходит взаимодействие разноименно заряженных поверхностей. Это явление наблюдали при адгезии клеток на оксидах железа и алюминия при низких значениях pH, а также при адгезии на ионообменных смолах (анионитах).

Однако в большинстве случаев при адгезии клеток происхо­дит взаимодействие поверхностей с одноименным отрицатель­ным суммарным зарядом. Прежде всего это взаимодействие с большинством почвенных частиц, с минералами и гумусом. При этом микроорганизмы несут на поверхности преимущественно карбоксильные и аминогруппы, отчасти фосфорные, сульфгидрильные, спиртовые и др. Минералы в основном имеют ОН-группы, гумус — карбоксильные группы. В ряде случаев адгезия объяс­нялась мозаичностью зарядов поверхности клеток и поверхности адсорбента. Австралийский ученый К. Маршалл, изучавший ад­гезию мелких частиц монтмориллонита (0,1 мкм) на клетках клу­беньковых бактерий, пришел к выводу, что в опытах имело мес­то электростатическое притяжение положительно заряженных концов пластинчатых частиц глины и отрицательно заряженных карбоксильных групп поверхности клетки. Для некоторых штам­мов клубеньковых бактерий происходило взаимодействие поло­жительно заряженных участков клетки, несущих аминогруппы, с отрицательно заряженными боковыми плоскостями частиц монт­мориллонита.

При взаимодействии двух отрицательно заряженных поверхно­стей на установление контакта влияют силы отталкивания одно­именно отрицательно заряженных поверхностей, которые могут быть учтены по теории Дебая-Гюккеля. Силы отталкивания умень­шаются с расстоянием по экспоненциальному закону (рис. 92). Кроме сил отталкивания между поверхностями контактирующих клеток и частиц адсорбента будут действовать и физические силы притяжения, обусловленные квантово-механическими эффекта­ми взаимодействия электронных осцилляторов (силы Вандер- Ваальса — дисперсионные, индукционные, ориентационные). Силы Ван-дер-Ваальса уменьшаются с увеличением расстояния по сте­пенному закону. Б.В. Дерягин и Л.Д. Ландау в конце 30-х годов XX в. объяснили многие особенности поведения коллоидных сис­тем (флокуляция, зависимость устойчивости от состава среды) сложением электростатических сил отталкивания и вандер-ваальсовых сил притяжения. На основании этой идеи построена теория стабильности коллоидных систем, названная ДЛВО (Дерягин-Ландау-Вервей-Овербик), по начальным буквам фамилий ее создате­лей. Она широко используется в биологии, в частности для объяс­нения адгезии микроорганизмов.

Взаимодействие рассматриваемых сил приводит к существо­ванию двух областей, в которых преобладают силы притяжения. Одна область расположена от поверхности на расстоянии 5-10 А. Прочность сцепления в этой области большая. На больших рас­стояниях начинают преобладать силы отталкивания, и затем на расстоянии около 100-150 А от поверхности имеется вторая об­ласть притяжения, однако прочность сцепления в этой области невелика.

Для того чтобы поверхности сблизились до расстояния 5-10 А, они должны преодолеть электростатическое отталкивание. Силы отталкивания между поверхностями снижаются при введении катионов, особенно многовалентных, или при подкислении сре­ды. Они пропорциональны радиусу взаимодействующих поверх­ностей. Видимо, поэтому палочковидные клетки, по крайней мере, на первых этапах, прикрепляются полюсом. Большинство мик­роорганизмов прикрепляется с помощью тонких нитей — фимбрий, стебельков, выростов капсул и др.

Точные определения расстояния между клетками и поверхно­стью проводить довольно трудно. Однако есть основания пола­гать, что клетки могут располагаться на расстоянии первого и второго максимумов притяжения, а также может устанавливать­ся химическая связь между клеткой и поверхностью. Наблюде­ния, проведенные под микроскопом, показали, что клетки часто свободно скользят вдоль поверхности, но не могут отойти от нее, т.е. находятся на расстоянии 100-150 А. После высушивания пре­парата и последующей его регидратации клетки оказываются прочно закрепленными на определенных местах и их не удается смыть даже сильной струей воды. Вероятно, здесь проявилось прикрепление во втором максимуме притяжения или образова­ние химических связей. Отметим, что для прочного прикрепле­ния высушивание необязательно. Иногда клетки очень прочно прикрепляются и из водной среды.

Микроорганизмы по своим размерам (1-10 мкм) относятся к той категории частиц, которые должны быть подвержены наибо­лее сильной адгезии. У частиц большего размера гравитацион­ные силы превосходят силы прилипания, частицы меньшего раз­мера из-за малого веса не в состоянии выдавить слой жидкости и вступить в непосредственный контакт с поверхностью.

Некоторые исследователи утверждают, что главную роль в ад­гезии клеток микроорганизмов играют силы Вандер-Ваальса. Однако в ряде случаев прочность связи оказывается гораздо боль­ше, чем можно было бы ожидать за счет этих сил.

При адгезии действует сложный комплекс сил. Силы притя­жения.

Химические связи между взаимодействующими поверхнос­тями, например, водородные, тиоловые, амидные, эфирные и др.

Образование ионных пар и ионных триплетов, например NH₃...-OOC- и -СОО-...Са...-ООС- Этот тип связей включает энергию десольватации.

Силы, вызванные флуктуацией зарядов взаимодействую­щих тел.

Мозаичный заряд на поверхностях подобного или противо­положного общего заряда, специфически возникающий из электростатического притяжения геометрически упорядоченных зарядов.

Силы, обусловленные притягательным взаимодействием противоположно заряженных тел.

Электростатическое притяжение между поверхностями, не­сущими одинаковый заряд.

Электростатическое притяжение, обусловленное отражен­ными силами, которые можно рассматривать как обусловлен­ные десольватацией внутримембранных ионов при объедине­нии мембран.

Силы Вандер-Ваальса.

Гидрофобные взаимодействия.

Помимо сил притяжения при адгезии клеток могут действо­вать силы отталкивания.

Силы отталкивания одноименно заряженных поверхностей.

Препятствия притяжению, обусловленные пространст­венными барьерами, такими как сольватные слои.

Таким образом, комбинация сил, действующих при адгезии, представляется довольно сложной, расчет и предсказание вели­чины этих сил практически невозможны.

Очень долго изучали адгезию клеток на чистых минеральных поверхностях и только в последнее время пришли к выводу, что в подавляющем большинстве случаев взаимодействие происходит между макромолекулами поверхности клеток и макромолекулами или более простыми органическими молекулами, такими как ли­пиды, поверхностно-активные вещества и др., адсорбированны­ми на минеральной поверхности почвенных частиц. Таким обра­зом, вопрос об адгезии сводится к проблеме взаимодействия макромолекул, которое очень разнообразно.

После того как проблема изучалась с физико-химических по­зиций, она, как видно, в некоторых отношениях зашла в тупик.

В последнее время ее пытаются решить с позиций молекулярной биологии.

Молекулярно-биологические аспекты адгезии микроорганиз­мов на почвенных частицах представляют интригующую область, которая только начинает развиваться в основном в медицинской микробиологии при установлении взаимодействия бактерий с поверхностью клеток животных тканей. Микробы адгезируются на поверхности различных органов и тканей, причем адгезия идет специфично и избирательно. Микрофлора языка, щек, нёба, зу­бов, разных отделов кишечного тракта различна, т.е. специфич­на для каждого органа. Наиболее подробно изучена адгезия хо­лерного вибриона, гонококка, патогенных штаммов кишечной палочки и микробов, вызывающих кариес зубов.

Адгезия бактерий включает в себя несколько этапов. Первый этап состоит в целенаправленном движении бактерий к адсорби­рующей поверхности. Он возможен для подвижных микроорга­низмов и осуществляется благодаря наличию хемотаксиса. Хе­мотаксис у бактерий в настоящее время хорошо изучен и осуществляется по градиенту концентрации какого-либо веще­ства. Подробно исследован хемотаксис в градиенте концентра­ций сахаров и аминокислот.

Предполагается, что во всех случаях прикрепление осуществ­ляется за счет специфического субстрат-ферментного взаимодей­ствия. В ряде случаев адгезия проходит за счет специфического химического взаимодействия адгезина и акцептора, причем уста­новлены конкретные химические группировки, ответственные за адгезию. Более подробно это изучено для адгезии патогенных бактерий на эпителии кишечного тракта, но относится также к адгезии фитопатогенов и симбиотических клубеньковых бакте­рий на корнях бобовых растений.

Для животных и человека установлено, что микробы адгези­руются на поверхности различных органов и тканей, причем ад­гезия идет специфично и избирательно. Подобное явление наблю­дается и для растений, и почвенных беспозвоночных животных. Адгезия бактерий включает в себя несколько этапов. Первый этап состоит в целенаправленном движении бактерий к адсорбирую­щей поверхности. Он возможен для подвижных микроорганизмов и осуществляется благодаря наличию хемотаксиса. У бактерий хемотаксис в настоящее время хорошо изучен и осуществляется по градиенту концентрации какого-либо вещества. Подробно исследован хемотаксис в градиенте концентраций сахаров и аминокислот. Приблизившись к поверхности, бактерии взаи­модействуют с ней сначала с помощью достаточно слабых водо­родных и гидрофобных взаимодействий, а также сил Вандер- Ваальса согласно теории Дерягина-Ландау-Вервея-Овербика (ДЛВО), которые, однако, не могут обеспечить боль­шой специфичности взаимодействия. При этом молекула адге- зина — полимера, расположенного на поверхности бактерий, вза­имодействует с рецептором — полимером, расположенным на поверхности адсорбента. Взаимодействие адгезина с ре­цептором осуществляется по тому же механизму, что и взаимо­действие антигена с антителом (ключ-замок). Затем часто насту­пает более прочное прикрепление, которое требует времени и осуществляется только через несколько часов или даже суток после начала адгезии и достигается благодаря синтезу бактериями био­полимера, обычно полисахаридов, но иногда и полипептидов, с помощью которых клетки прикрепляются иногда так прочно, что легче разрушить клетку, чем отделить ее от адсорбента. Экспери­ментально показано, что именно так прочно прикреплены мно­гие собственно почвенные бактерии.

Правда, в других случаях она не зависит от характера поверхности. Последним свойством отличаются истинно перифитонные (прикрепляющиеся) микроорганизмы. Адгезия может бьггь объяснена наличием у них нескольких разных типов адгезинов.

Таким образом, адгезия генетически запрограммирована, имеет важное экологическое значение и во многих случаях определяет выживание вида.