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.

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 поверхноста, синтез поверхностно-актав- ных веществ, образование выростов, деление, хемотаксис идр. Микробы экологически целесообразно могут менять свое положение, располагаясь в свободном или адгезированном положении в зависимое™ 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 аналошю 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 друтае, 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 пенных 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 еше 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.

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, сульфгид- рильные, спиртовые и др. Минералы в основном имеют ОН-груп- пы, 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 Ван-дер- 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 ван-дер-вааль- совых сил притяжения. На основании этой идеи построена теория стабильности коллоидных систем, названная ДЛВО (Дерягин-Лан- дау-Вервей-Овербик), по начальным буквам фамилий ее создателей. Она широко используется в биологии, в частности для объяснения адгезии микроорганизмов.

Рис. 92. Зависимость свободной энергии от удаления от частицы как функция концентрации электролита при сближении одноименно заряженных поверхностей:

а — низкая концентрация; б— средняя концентрация; в — высокая концентрация; А — расстояние от поверхности; Gj — свободная энергия; Ga— свободная энергия сил Ван-дер- Ваальса; Ое— энергия, связанная с присутствием на поверхности заряженных групп

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 — фимб- рий, стебельков, выростов капсул идр.

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 Ван-дер-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 идр. 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 Ван-дер-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 идр., 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, шек, 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 Ван-дер- Ваальса согласно теории Дерягина-Ландау-Вервея-Овербика (ДЛВО) (рис. 92), 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 (рис. 93). 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.

Бактериальные адгезины могут быть протеинами, липидной частью липотейхоевой кислоты, сахарами и другими углеводами. Насколько пока известно, рецепторами на эпителиальных клетках

животных и человека являются почти исключительно углеводы: манноза, галактоза, фукоза, а также сиаловая кислота.

Адгезия почвенных бактерий для некоторых из них может быть весьма избирательной и зависит от характера адсорбирующей поверхности.

Правда, в других случаях она не зависит от характера поверхности. Последним свойством отличаются истинно пе- рифитонные (прикрепляющиеся) микроорганизмы. Адгезия может быть объяснена наличием у них нескольких разных типов адгезинов (рис. 94).

Рис. 94. Взаимодействие клеток бактерий с гидрофильной (/) и гидрофобной (2) поверхностями

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