Биопленка: друг или враг? Бактерии на поверхности плодов

Виновница кишечных инфекций

В последнее время по всему миру участились случаи кишечных инфекций, вызванных употреблением свежих овощей и фруктов. Странно (необычно) и то, что даже после мытья и обработки дезинфицирующими веществами на поверхности продуктов всё равно оставались болезнетворные микроорганизмы, такие как сальмонелла, кишечная палочка, листерии и другие. Причиной такой устойчивости оказалась невидимая невооруженному глазу пленка, или, иначе, биопленка, образованная целыми колониями этих болезнетворных бактерий.

Именно устойчивые колонии микроорганизмов и являются причиной устойчивого, хотя и низкого, уровня загрязнения продуктов питания. Благодаря возможности выживать в воде, навозе, почве патогены с легкостью могут атаковать растения и образовывать колонию на их поверхности. Однажды атаковав растение, болезнетворные микроорганизмы могут и очень часто формируют биопленки на его тканях. Поскольку эти пленки очень устойчивы и их очень непросто удалить с помощью обычных моющих средств, пищевые болезни процветают. Выяснено, что около 80% бактерий на поверхности растений образуют биопленки. Три продукта – мускусная дыня (канталупа), яблоки и зелень – были выявлены как носители биопленки, а также виновники периодических вспышек пищевых заболеваний.

            На первом месте в этом списке мускусная дыня, так как по меньшей мере шесть раз она становилась источником сальмонеллеза. Независимо от источника (будь то скот, птица или домашние животные), Salmonella  enterica, попадая на поверхность канталупы, начинает формировать биопленку после 24 часов хранения при температуре от 10 до 20°С. Дезинфицирующие средства не способны ни удалить её, ни инактивировать сам патоген, особенно если пленка находилась на кожуре более суток. Биопленки на дынях, по-видимому, виновны и в недавней вспышке листериоза в США. В этой ситуации болезнетворными биопленками были поражены не только сами плоды, но и оборудование компании-производителя.

            Аналогичная ситуация происходит с яблоками и с зеленью, где биопленку образует кишечная палочка (E.colliO157:H7). Из зараженных яблок, соответственно, производятся и зараженные соки, по этой причине FDA в 2002 году ввело специальную программу для безопасного производства соков. По данным того же управления, более 18 вспышек кишечных заболеваний (здесь также виновата кишечная палочка) связаны с употреблением свежей зелени, особенно салата.

            Причина непобедимости

Пленки из колоний микроорганизмов, не всегда болезнетворных, встречаются повсюду. Налет на зубах, слизь на камнях на берегах водоемов – все это биопленки. Они могут служить пищей для других организмов или быть компонентом системы очистки сточных вод, а могут и образовываться внутри организма человека болезнетворными бактериями для защиты от антибиотиков. В принципе, любая поверхность с изобилием воды, питательных веществ и наличием микроорганизмов может стать прекрасной основой для биопленки, в том числе и оборудование на пищевых производствах.

Чаще всего подобные колонии состоят из нескольких видов бактерий, что, казалось бы, должно затруднять их взаимодействие, но у них существует специальная сигнальная система «клетка – клетке», известная как quorum sensing(«ощущение достаточности»), которая играет ключевую роль в формировании биопленки и её последующем существовании. Биопленка для самих бактерий не что иное, как метод защиты от неблагоприятных условий окружающей среды (изменения температур, ультрафиолетового излучения, засухи и так далее).

Взаимодействие «клетка – клетке» позволяет бактериям сотрудничать таким образом, чтобы приносить пользу всему населению биопленки. Клетки здесь работают коллективно, как живая система. Каналы между группами клеток доставляют воду и пищу каждой клетке, облегчают выведение продуктов жизнедеятельности. Все эти характеристики в сочетании с крепко сплоченной структурой придают биопленкам высокую устойчивость к обычным моющим средствам, таким как биоциды и дезинфицирующие средства. Биопленки проявляют устойчивость при химических и физических стрессах, например, изменении рН, воздействии кислорода, давлении и т.д. Поэтому не удивительно, что однажды образовавшуюся биопленку очень сложно удалить.

            Стратегия борьбы

Победа над таким врагом или хотя бы контроль кроется в доскональном исследовании этой самой связи «клетка – клетке» (quorum sensing), позволяющая различным видам бактерий работать сообща, увеличивая их вирулентность и устойчивость к противомикробным препаратам.  Для снижения патогенности биопленок и замедления межклеточного взаимодействия уже испробованы различные приемы, такие как деградация сигнальных молекул, препятствующая возникновению самих сигналов и блокирующая получение сигналов. Также в рамках исследования были найдены новые соединения, которые подавляют quorum sensing. Сложность в том, что вещества и методы, тормозящие сигнальную систему в одних биопленках, могут не подействовать на другие биопленки. Кроме того, большинство найденных соединений-ингибиторов связи и формирования биопленок могут быть использованы только при клинических испытаниях, но категорически не подходят для использования в пищевой промышленности.

В научном докладе «Quorum sensing в биопленках: Почему бактерии идут по этому пути» глубже исследуются определенные соединения и методы, демонстрирующие некоторую эффективность против биопленок, образованных пищевыми патогенами. Однако очевидно, что на данном этапе полученных данных и исследований недостаточно для определения окончательной стратегии борьбы с патогенными биопленками, образующимися как на самих  продуктах, так и на оборудовании пищевых производств.

Биопленки на службе у человека

Парадоксально, но в течение достаточно долгого периода времени и по сегодняшний день огромное количество исследований связано с производством  именно биопленки для упаковки продуктов. Но в отличие от созданной бактериями, синтезированная биопленка призвана помочь человеку и окружающей среде. Над проблемой созданий экологически чистых упаковочных материалов на замену полиэтилену бьются ученые во всем мире. Уже налажено промышленное производство подобных материалов на основе биоразлагаемых полиэфиров в некоторых странах Европы и в Америке. Также ведутся попытки сделать промышленные полимеры биоразлагаемыми или создать пластмассы на основе природных компонентов.

В России пока что нет промышленных производств подобных биоматериалов. Однако наши ученые, сотрудники Ставропольского государственного университета кафедры биологической и медицинской химии в 2011 году получили опытную партию биопленки, состоящую из белков, полисахаридов и пластификаторов. Ни одного вредного для человека и окружающей среды компонента в этой пленке нет. Образцы уже прошли ряд испытаний, которые показали их несомненное преимущество перед полиэтиленом. Во-первых, новая пленка разлагается в течение двух недель без выделения вредных веществ. Даже наоборот, образующиеся при распаде биопленки аминокислоты и моносахариды могут быть использованы вторично. Во-вторых, новый материал не пропускает ультрафиолетовых лучей и по прочности не уступает полиэтилену. Но существенным недостатком является цена: биопленка в два раза дороже полиэтилена. Однако это же и несомненное преимущество отечественного продукта перед иностранными аналогами, которые дороже в пять раз (от 2 до 5 евро за килограмм).

Исследования продолжаются, разработчиками поставлены две основные цели: увеличить влагостойкость пленки и сконструировать пробную установку для промышленного производства.

Седа Саакян

По материалам Food Technology Magazine