Поняття виду та штаму мікроорганізмів за умов формуваннябіоплівок як надорганізмових систем

Реалії ХХІ століття засвідчують необхідність нового трактування багатьох

біологічних термінів. Зокрема, згідно із актуальними досягненнями сучасної

біологічної науки існує потреба у новітньому трактуванні поняття «вид» в

біології.

Олександра Паллаг, Надія Бойко

Науково-дослідницький та навчальний центр молекулярної мікробіології та імунології слизо-вих оболонок, Ужгородський національний університет (Ужгород)

s_sarvash@ukr.net, orcid https://orcid.org/0000-0003-3636-6621

nadiya.boyko@gmail.com, orcid https://orcid.org/0000-0002-2467-7513

PALLAH, O., BOYKO, N. Concepts of species and strain in relation to microorganisms under

formation of biofilms as superorganismic systems. — Nowadays, many biological terms receive new interpretations, especially the concept of species. The species is the main structural unit of liv-ing things. It emerges, develops, and, when living conditions change either disappear or transforms into other species. There is no clear and unified definition of species. The achievements of contem-porary molecular genetic studies indicate that the majority of microorganisms exist mainly not in a free-floating condition, but in formed associations or consortia. Microbial interactions occur by transferring molecular and genetic information, and various mechanisms such as secondary me-

tabolites, siderophores, quorum-sensing system, biofilm formation, and cell transduction signals can be involved in this exchange. Therefore, for a deeper understanding of the concept of "species" in biology, it is necessary to take into account not only morphological and physiological criteria, but also to consider species from the viewpoint of systems biology, and to bear in mind factors of horizontal gene transfer. Therefore, the concept of "species" can be considered in a broader context, in particular within ecosystems with all assimilation relations.

Вступ

Реалії ХХІ століття засвідчують необхідність нового трактування багатьох

біологічних термінів. Зокрема, згідно із актуальними досягненнями сучасної

біологічної науки існує потреба у новітньому трактуванні поняття «вид» в

біології.

Універсального визначення виду немає, але у становленні цього поняття відіграли свою роль різні концепції. Однією з найдавніших концепцій є мор-

фологічна концепція, основою якої є сукупність особин, які відрізняються від

інших певними зовнішніми ознаками, але дана концепція не стала загально-

прийнятою. Також існує біологічна концепція виду, в основі якої лежить по-

няття репродуктивної ізоляції і, відповідно, відсутність гібридів за умов про-

живання на одній території близьких видів. З позицій біологічної концепції

поняття вид трактують як сукупність особин у складі популяцій, що характе-

ризуються спадковою сукупністю ознак, вільно схрещуються спадковою по-

дібністю ознак, вільно схрещуються і дають плодюче потомство, пристосо-

вані до певних умов життя і займають у природі певну територію — ареал.

Загальне поняття «вид»

Поняття виду в мікробіології дещо різниться від загальноприйнятих кон-

цепцій. Поняття виду стосовно бактерій та інших прокаріотів не завжди від-

повідає цьому поняттю щодо вищих організмів. Це, у першу чергу, пов’язано

зі значною морфологічною та фізіологічною варіабельністю мікробів. Вияв-

лені навіть незначні, але статистично достовірні, відмінності у геномі різних

штамів одного виду. Також існує визначення поняття виду, як сукупність мі-

кроорганізмів, які мають подібні морфологічні, фізіологічні та молекулярно-

генетичні ознаки, подібний обмін речовин та спільне походження.

З огляду на досягнення сучасних молекулярно-генетичних досліджень бі-

льшість мікроорганізмів існують не у вільноплаваючому стані, а у сформова-

них асоціаціях. Мікробні асоціації засновані на симбіотичних або метаболіч-

них взаємозв’язках. Поняття симбіозу можна трактувати у широкому та вузь-

кому сенсі. У широкому сенсі симбіоз охоплює всі форми тісного співжиття

організмів різних видів, включаючи і паразитизм, який в цьому випадку на-

зивається антагонізмом. У вузькому значенні це співжиття двох видів, при

якому обидва партнери вступають у безпосередню взаємодію із зовнішнім

середовищем, регуляція стосунків з останньою здійснюється спільно зусил-

лями, поєднаною діяльністю обох організмів (Мошковский 1946).

Мікроорганізми рідко зустрічаються як окремі види популяції в навколи-

шньому середовищі. Багаторічна коеволюція різних видів призводить до ада-

птації та призводить до великої різноманітності відносин, які можуть сприяти

спільному проживанню, це можуть бути мутуалістичні та ендосимбіотичні

відносини, або конкурентні, антагоністичні, патогенні та паразитарні відно-

сини (Фауст & Раес 2012). Ці взаємодії включають усі екологічні аспекти,

включаючи фізіохімічні зміни, обмін метаболітів, перетворення метаболітів,

передачу сигналів, хемотаксис та генетичний обмін, що призводить до вибо-

ру генотипу. Мікробні взаємодії відбуваються шляхом передачі молекулярної

та генетичної інформації, і в цьому обміні можуть бути задіяні багато механі-

змів, таких як вторинні метаболіти, сидерофори, система зондування квору-

му, формування біоплівки та сигналізація клітинної трансдукції (Hall-

Stoodley et al. 2008; Rawat 2015).

Ототожнення поняття «біоплівки» та «виду»

Реакція мікроорганізмів на зміну умов навколишнього середовища в біоп-

лівках істотно відрізняється від реакції кожного окремого виду в монокуль-

турі. Це забезпечує її фізіологічну і функціональну стабільність, і тим самим

є запорукою виживання в екологічній ніші. Тому, можливо розглядати бакте-

ріальні біоплівки з точки зору модифікації поняття «вид» в біології.

У 1978 р. введено поняття «біоплівка», згідно з яким більшість бактерій

ростуть у замкнених матрицях, прикріплених до поверхонь будь-яких екоси-

стем, де вони забезпечені живленням і містять воду (Garth 2008). Особливості

функціонування мікроорганізмів у складі біоплівки суттєво відрізняються від

закономірностей їх існування у планктонній формі, що визначає актуальність дослідження структури і закономірностей формування такого бактеріального

консорціуму (López & Vlamakis 2010). Крім того, ці мікробні спільноти часто

складаються з безлічі видів, які взаємодіють між собою та навколишнім сере-

довищем. Визначення архітектури біоплівки, зокрема просторового розташу-

вання мікроколоній (скупчень клітин) відносно одна одної, має глибокі нас-

лідки для функціонування цих складних спільнот.

Важливим сигналом, який допомагає бактеріям адаптуватися до різних

типів середовищ, тобто таким, що бере участь у її ініціації, є наявність 3,5-

циклічної диагуанілової кислоти (c-di-GMP), яка контролює утворення, рух-

ливість та вірулентність біоплівки (Fazli et al. 2014; Jenal et al. 2017). У про-

цесі формування біоплівки мають місце генетичні та біохімічні механізми.

Одним із таких специфічних механізмів є наявність генів, які реагують на

прикріплення, та активуються лише при перебуванні культур у біоплівці.

Так, певні гени реагують на зворотне прикріплення бактеріальних клітин

до поверхні, тоді як декілька десятків інших генів вмикаються при незворот-

ній адгезії (Lewis 2010). Важливість вивчення передачі генів у природних се-

редовищах підкреслюється появою мультирезистентних бактерій (Davies

1994), широким використанням антибіотиків для сприяння росту домашніх

тварин (Witte 1998). Поширеність плазмід у бактеріях з різних середовищ іс-

нування є добре встановленою, і передача генів шляхом кон'югації є одним з

найкращих механізмів розповсюдження генетичної інформації. Оскільки бі-

льшість бактерій у природних умовах перебувають у біоплівках, випливає,

що кон'югація є ймовірним механізмом, за допомогою якого бактерії в біоп-

лівках передають гени всередині або між популяціями.

Біоплівки можуть утворюватися одним штамом бактерій. Однак більшість

природних біоплівок в більшості випадків утворюються багатьма видами ба-

ктерій. Полімікробне зростання призводить до міжвидових взаємодій, які пе-

редбачають спілкування, як правило, за допомогою кворум сенсингу та мета-

болічної співпраці. При дослідженні полібактеріальних біоплівок береться до

уваги міжвидова комунікація між штамами, включаючи секреторні фактори

(молекули, що сприймають кворум, вторинні метаболіти, вуглеводи та білки),

які впливають на експресію генів, метаболічну співпрацю та конкуренцію,

фізичний контакт та виробництво антимікробних екзопродуктів може приз-

вести до посиленого формування біоплівки (Varposhti et al. 2014).

Для ряду УПМ встановлено явище синергізму при формуванні біоплівки.

Так, бактерії Klebsiella pneumoniae та Pseudomonas aeruginosa здатні утворю-

вати так звані полібактеріальні біоплівки. Під час дослідження структури та-

кої біоплівки, виявлено, що обидва види можуть співіснувати (Schuppler &

Loessner 2010), але темпи зростання P. aeruginosa у змішаній культурі біоплі-

вки значно повільніші, ніж при вирощуванні їх у вигляді чистої культури бі-

оплівки (Cegelski 2009). Разом з тим, присутність у біоплівці декількох видів

бактерій має важливі переваги, а саме: такі консорціуми сприяють прикріп-

ленню біоплівки до поверхні, сприяючи інвазії та колонізації бактерій на різ-

них типах поверхонь (Мдинарадзе 1987).

Інтенсивна взаємодія в багатовидових біоплівках може служити рушій-

ною силою еволюції. В роботі (Hansen et al. 2007) повідомляється, що в бага-

товидових біоплівках, утворених Acinetobacter spp. і Pseudomonas putida

(P. putida), співіснування популяції P. putida залежить від бензоату, який

продукує Acinetobacter spp. під час процесів катаболізму, який в свою чергу є

джерелом вуглецю і ця полібіоплівка є більш стабільною і продуктивнішою в

порівнянні з біоплівкою сформованою лише бактеріями роду P. putida. Адже,

відомо, що одновидова біоплівка P. putida розсіюється у відповідь на кисневе

голодування.

Існують дослідження, в яких показано формування полібактеріальних бі-

оплівок грампозитивними і грамнегативними бактеріями, де спостерігається

пригнічення одного виду бактерій іншим. Конкурентні відносини спостеріга-

ли (Millezi 2012) між Staphylococcus aureus та Escherichia coli, в яких кіль-

кість життєздатних клітин S. aureus у біоплівках зменшувалася за рахунок

присутності E. сoli (Millezi 2012) і на основі даних цих досліджень, можна

зробити висновок, що відбуваються певні зміни у властивостях цього виду в

полібактеріальних біоплівках.

Полімікробне зростання призводить до міжвидових взаємодій, які перед-

бачають спілкування, як правило, за допомогою зондування кворуму та мета-

болічної співпраці. Взаємодія в біоплівках змішаних видів передбачає коопе-

ративний (синергетичний), конкурентний (антагоністичний) або нейтральний

характер на основі генетичного походження задіяних видів (Giaouris et al.

2013). І тому, актуальним стає питання модифікації поняття «виду» в біології.

Відомо також, що біоплівкоутворення є лише видовою ознакою, а навіть

штамовою. Встановлено, відмінності у здатності формувати біоплівки різни-

ми штамами Lactobacillus acidophilus С-01, L. acidophilus С-02, L. acidophilus

С-03, L. acidophilus С-04, що підтверджує той факт, що біоплівкоутворення є

штамовою ознакою.

Поняття «вид» в рамках екосистеми

З огляду на вище наведені дані, для більш глибокого розуміння поняття

«виду» в біології потрібно брати до уваги не лише морфологічні та фізіологі-

чні критерії, як це представлено в класичних працях, а також розглядати вид

з точки зору системної біології та враховувати фактори горизонтального пе-

ренесення генів. Адже, згідно сучасних досліджень відомо, що іРНК може

передаватися не лише в межах одного виду, а також передається вертикаль-

но, тобто відбувається міжвидова передача генів (це і відрізняє генетику від

епігенетики). І тому, поняття «вид» можна розглядати більш широко, в рам-

ках екосистеми з усіма асиміляційними зв’язками.

Беручи до уваги досягнення сучасних молекулярно-генетичних дослі-

джень в області вивчення людського мікробіому він є сукупністю мікробіо-

ценозів, що колонізують усі поверхні людського тіла, у тому числі шкіру, ди-

хальну систему, шлунково-кишковий тракт і сечостатеву систему та мільйо-

нів мікробних генів, які контактують з навколишнім середовищем.

З огляду на вище написане можна розглядати людину та її мікробіом з то-

чки зору сформованої полібактеріальної біоплівки, а саме поняття біоплівка

співставляти з поняттям «вид» в біології.

Резюме

ПАЛЛАГ, О., БОЙКО, Н. Поняття виду та штаму мікроорганізмів за умов формування бі-

оплівок як надорганізмових систем. — Актуальним сьогодні є нове трактування багатьох біологічних термінів, а особливо поняття виду в біології. Вид є основною структурною оди-ницею живої природи. Він виникає, розвивається, а при зміні умов існування може зникнути

або перетворитися в інші види. Єдиного визначення поняття вид на сьогодні не існує. Досягнення сучасних молекулярно-генетичних досліджень вказують більшість мікроорганізмів існують не у вільноплаваючому стані, а у сформованих асоціаціях. Мікробні взаємодії відбуваються шляхом передачі молекулярної та генетичної інформації, і в цьому обміні можуть бути задіяні багато механізмів, таких як вторинні метаболіти, сидерофори, система зонду вання кворуму, формування біоплівки та сигналізація клітинної трансдукції. Тому для більш глибокого розуміння поняття «виду» в біології потрібно брати до уваги не лише морфологічні та фізіологічні критерії, а також розглядати вид з точки зору системної біології та врахо вувати фактори горизонтального перенесення генів. І тому поняття «вид» можна розглядати

більш широко, в рамках екосистеми з усіма асиміляційними зв'язками.