20: Мікробні симбіози

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6622

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Симбіоз, строго певний, відноситься до інтимних відносин між двома організмами. Хоча багато людей використовують цей термін для опису відносин, вигідних обом учасникам, сам термін не такий конкретний. Відносини можуть бути хорошими, поганими або нейтральними для будь-якого партнера. Взаємні стосунки - це той, в якому обидва партнери отримують вигоду, тоді як комменалістичні відносини приносять користь одному партнеру, а не іншому. У патогенних стосунках один партнер отримує вигоду за рахунок іншого. У цій главі розглянуто кілька прикладів симбіозу, де мікроби є одним з партнерів.

Мікробіом людини

Мікробіом людини описує гени, пов'язані з усіма мікробами, які живуть в і на людині. Всі 10 ^ 14 з них! Мікроби - це переважно бактерії, але можуть включати архей, гриби та евкартіотичні мікроби. Місця розташування включають шкіру, верхні дихальні шляхи, шлунок, кишечник та сечостатеві шляхи. Колонізація відбувається незабаром після народження, так як немовлята набувають мікроби від людей, поверхонь і предметів, з якими вони контактують.

Кишкові мікроби і обмін речовин людини

Більшість мікробів, пов'язаних з організмом людини, знаходяться в кишечнику, особливо приблизно через 1-4 години після їжі, коли популяція мікробів різко збільшується. Мікробіота кишечника надзвичайно різноманітна і було підраховано, що з 500-1000 видів бактерій живуть в шлунково-кишковому тракті людини (зазвичай описується як від 5-8 фунтів бактерій!).

Мікроби кишечника необхідні для травлення та харчування господаря, допомагаючи травленню шляхом розщеплення вуглеводів, які людина не могла розщепити самостійно, звільняючи жирні кислоти з коротким ланцюгом з неперетравлюваних харчових волокон. Крім того, вони виробляють такі вітаміни, як біотин і вітамін К.

Кишкові мікроби і ожиріння

Збільшився інтерес до популяції мікробної кишки через можливість того, що вона може відігравати певну роль при ожирінні. Хоча в даний час гіпотетичні дослідження показали, що миші з ожирінням мають мікробну кишкову спільноту, яка відрізняється від мікробів, що містяться в кишечнику мишей, що не страждають ожирінням, з більшою кількістю бактерій Firmicutes та метаногенної археї. Було висловлено припущення, що ці мікроби ефективніше засвоюють поживні речовини.

Мікробіом людини і захворювання

Показано, що зміни мікробіоти пов'язані з хворими станами або дисбактеріозом. Попередні дослідження показали, що мікробіота може бути пов'язана з ревматоїдним артритом, колоректальним раком, діабетом, крім ожиріння.

Дослідження

Проект людського мікробіома (HMP) був міжнародною дослідницькою програмою, що базується в США, яка була зосереджена на функціях мікробіоти кишечника. Близько 200 дослідників використовували передові методи секвенування ДНК, щоб визначити, які мікроби присутні і в яких популяціях.

Багато поточних дослідницьких проектів зосереджені на визначенні ролі мікробіома людини як у здоров'ї, так і в хворому стані. Немає сумнівів, що наші знання продовжуватимуть зростати, оскільки ми дізнаємось більше про величезні популяції мікробів, які живуть у нас та на нас.

Біоплівки

Біоплівки - це складна агрегація клітин, які укладені в екселлулярну матрицю і прикріплені до поверхні. Біоформи можуть утворюватися практично на будь-якій поверхні і поширені в природі та промисловості, будучи знайдені на поверхнях гірських порід, печер, труб, корпусів човнів, посудин для приготування їжі та медичних імплантатів, лише деякі з них. Вони також були близько тривалого часу, оскільки викопний запис показує докази біоплівок, що повертаються 3,4 мільярда років!

Мікробна спільнота біоплівки може складатися з одного або двох видів, але частіше містить багато різних видів бактерій, кожен з яких впливає на експресію та ріст інших генів.

Розробка біоплівки

Основні етапи формування біоплівки можна розбити на чотири етапи:

Розташування та прикріплення клітин - для того, щоб відбувся розвиток біоплівки, вільно плаваючі або планктонні клітини повинні зіткнутися з відповідною поверхнею. Зазвичай поверхня була попередньо обумовлена відкладеннями білків навколишнього середовища та інших молекул.
Колонізація - відбувається сигналізація від клітини до клітини, що призводить до експресії специфічних генів біоплівки. Ці гени пов'язані з спільною продукцією позаклітинної полімерної ДНК, що виділяється деякими клітинами, може бути захоплена іншими, стимулюючи експресію нових генів.
Дозрівання - матриця EPS повністю охоплює всі клітини, оскільки біоплівка продовжує потовщуватися і рости, утворюючи складне, динамічне співтовариство. Водні канали утворюються по всій конструкції.
Відшарування і лущення — окремі клітини або шматочки біоплівки вивільняються в навколишнє середовище, як форма активного розгону. Це вивільнення може бути спровоковано факторами навколишнього середовища, такими як концентрація поживних речовин або кисню.

Розробка біоплівки. Кожен етап розвитку на схемі парний з фотознімком розвивається біоплівки Pseudomonas aeruginosa. Всі мікрофотографії показані в однаковому масштабі. Д. Девіс [CC BY 2.5], через Вікісховище

Клітинні переваги біоплівок

Чому розвиваються біоформи? Є певні переваги, якими клітини користуються, перебуваючи в біоплівці, над їх планктонічним зростанням. Мабуть, найголовніше, що біоплівки пропонують клітинам підвищений захист від шкідливих умов або речовин, таких як УФ-світло, фізичне збудження, антимікробні засоби та фагоцитоз. Було показано, що бактерії всередині біоплівки до тисячі разів стійкіші до антибіотиків, ніж вільно плаваючі клітини!

Біоплівка також дозволяє клітинній популяції «відкласти коріння», так би мовити, щоб вони могли залишатися в безпосередній близькості від багатого поживними речовинами району. Наприклад, біоплівка, яка розвивається на трубопроводі на молочному заводі, матиме постійний доступ до свіжої їжі, що набагато краще, ніж змітати з кінцевим продуктом.

Нарешті, біоплівки дозволяють клітинам рости в мікробних популяціях, де вони можуть легко отримати вигоду від зв'язку між клітиною та генетичним обміном.

Вплив біоплівки

Біоплівки мають величезний вплив у багатьох різних видах промисловості. Медичні імплантати, починаючи від катетерів і закінчуючи штучними суглобами, особливо схильні до утворення біоплівки, що призводить до величезних проблем для медичної галузі. Біоплівки відповідають за багато хронічні інфекції, завдяки підвищеній стійкості до протимікробних сполук і антибіотиків. Різновидом біоплівки, яка вражає практично всіх, є утворення зубного нальоту, що може привести до утворення порожнини.

Поза медициною біоплівки впливають практично на будь-яку галузь, спираючись на труби для транспортування води, їжі, олії чи інших рідин, де їх стійкість особливо ускладнює повне усунення біоплівки.

Чутіння кворуму

Слово кворум означає наявність мінімальної кількості членів, необхідних організації для ведення бізнесу, наприклад, проведення голосування. Зондування кворуму відноситься до здатності деяких бактерій спілкуватися залежно від щільності способом, що дозволяє їм затримувати активацію конкретних генів, поки вона не стане найбільш вигідною для популяції.

Зондування кворуму включає зв'язок між клітиною та клітиною, використовуючи невеликі дифузні речовини, відомі як автоіндуктори. Аутоіндуктор виробляється клітиною, дифузіруя через плазматичну мембрану, щоб вивільнятися в навколишнє середовище. Зі збільшенням популяції клітин в навколишньому середовищі концентрація аутоіндуктора також збільшується, змушуючи молекулу дифузно повернутися в окремі клітини, де вона запускає активацію конкретних генів.

Зондування кворуму в біолюмінесцентних бактеріях.

Приклад зондування кворуму

Одним з найбільш вивчених прикладів зондування кворуму є мутуалістичний зв'язок між біолюмінесцентною бактерією Aliivibrio fischeri та кальмаром бобтейла. Кальмар бобтейл насправді має легкий орган, який еволюціонував для розміщення бактерії, покладаючись на її світіння, щоб забезпечити ефект маскування проти хижаків. При низькій щільності клітин люмінесценція не забезпечила б бажаного ефекту, представляючи собою відходи енергії бактеріальної популяції. Тому зондування кворуму використовується для того, щоб ген lux, який кодує для ферменту люциферази, необхідного для люмінесценції, активувався лише тоді, коли популяція бактерій має достатню щільність.

Ключові слова

симбіоз, мутуалістичний, комменсалістичний, патогенний зв'язок, мікробіом людини, дисбактеріоз, проект мікробіома людини (HMP), біоплівка, планктоніка, позаклітинні полімерні речовини/ЕПС, кворум-зондування, аутоіндуктор.

Основні питання/цілі

Що таке симбіоз? Чим відрізняються конкретні приклади симбіозів?
Як визначається мікробіом людини? Які мікроби в нього входять?
Який вплив робить або може мати мікробіом людини на його господаря?
Що таке біоплівки? Де вони утворюються?
Які кроки ведуть до утворення біоплівки?
Як клітини отримують користь від існуючих в біоплівці? Який вплив біоплівок на людину?
Що таке зондування кворуму? Як працює механізм?
Опишіть приклад Aliivibrio fischeri і бобтейл-кальмара. Яку роль відіграє зондування кворуму у взаємозв'язку між цими двома організмами?