Форма и структура микробных колоний.
Колонии практически всех прокариотических видов демонстрируют способность к клеточной дифференцировке и многоклеточной организации. В природных местообитаниях бактерии в основном существуют в виде биоплёнок, цепочек, матов и микроколоний, состоящих из морфологически и физиологически гетерогенных клеток.
Бактерия Myxococcus xanthus обладает сложным социальным поведением, связанным с механизмами передвижения. От того, как бактерии ползают друг относительно друга, зависит форма колоний. Верхняя колония образована бактериями «дикого типа», остальные — различными мутантами (фото с сайта www.mpg.de)
Американский врач и микробиолог Найал Хэмилтон (Niall Hamilton) для создания своих картин использует грибки Candida (возбудитель молочницы), Cladosporium (плесень, часто вызывающая аллергию и редко - поражение кожи, ногтей или дыхательной системы), Fusarium (почвенный грибок, способный вызывать заболевания у человека и вырабатывать токсины, загрязняющие зерно), Acremonium (возбудитель мицетомы и гиалогифомикоза, из которого были выделены антибиотики-цефалоспорины) и Microascus (плесень, которая выделяет из мышьяксодержащих красителей, часто использовавшихся в обоях XIX века, газ триметиларсин с сильным запахом чеснока):
Израильский микробиолог Эшель Бен-Якоб (Eshel Ben-Jacob) помещает бактерии в различные жесткие условия (физико-химические воздействия, присутствие антибиотиков и т.п.), заставляя их в поисках путей к выживанию создавать колонии причудливой формы (окрашены искусственно):
Американская художница и генетик Хантер Коул (Hunter Cole) создает свои произведения из колоний флуоресцирующих бактерий:
С помощью генноинженерных бактерий, вырабатывающих черный пигмент под действием света, американский микробиолог Джеффри Табор (Jeffrey J. Tabor) и его коллеги получают такие "микробные фотоснимки":
Колония как бы сложена из нескольких различных "тканей" – клеточных кластеров (по Смирнову). Например, в качестве типичных кластеров у шигелл выделяют:
1) активно делящиеся клетки;
2) покоящиеся клетки;
3) спонтанно автолизирующиеся клетки.
Во многих работах отмечается как вертикальная слоистость колонии, так и наличие в ней горизонтально разделённых зон (секторных и концентрических). Впрочем, слои из морфологически и биохимически различающихся клеток в колониях возбудителя холеры Vibrio cholera наблюдали ещё в 1920 г. Современные исследования окрашенных (толуидиновая синяя, метиленовая синяя) срезов колоний Escherichia coli и Shigella flexneri обнаруживают три слоя:
1) нижний окрашенный (толщиной 6 мкм в исследованной колонии E. coli);
2) средний, в основном светлый, по-видимому, сложенный из нежизнеспособных клеток (часто неправильной формы), в который погружены отдельные хорошо прокрашенные жизнеспособные клетки (толщина слоя у E. coli – 16 мкм);
3) верхний окрашенный (40 мкм у E. coli), в котором хорошо заметна дальнейшая дифференциация на два слоя – более нижний тонкий (толщиной 1-3 клеточных слоя), с чёткой границей и особенно ярко окрашенный и толстый слой (40 мкм у E. coli), содержащий отдельные не окрашенные клетки.
Помимо вертикальной слоистости, колониям микроорганизмов на плотных средах свойственны также секторные и концентрические зоны. Сектора соответствуют генетически различающимся клонам, что находит своё отражение в их различной окраске, консистенции, форме, скорости роста, активности ферментов и др. Концентрические зоны отражают стадии "онтогенеза" бактериальных клеток – они соответствуют различным этапам программ индивидуального развития клеток.
Многие исследователи отмечают в своих работах наличие в колониях также системы воздухоносных микрополостей, часто пересечённых "балками" из клеточных тяжей. Сложная система микрополостей фактически превращает колонии в совокупность частично изолированных друг от друга очагов сгущения (микроколоний).
Для колоний микроорганизмов характерно формирование функциональных органов надорганизменного уровня, принадлежащих целой системе и коллективно используемых всеми её элементами (клетками). Например, в результате слияния индивидуальных наружных клеточных покровов (капсул, экстракапсулярной слизи и др.) образуется единый биополимерный матрикс. В состав матрикса входят кислые полисахариды, гликозилфосфатсодержащие биополимеры типа тейхоевых кислот, гликопротеины, у некоторых бактерий (например, бацилл) также полиглутаминовая кислота и др. биополимеры. Подобно межклеточному матриксу животных тканей, микробный матрикс также включает фибриллярные элементы. Сходство между животным и микробным матриксом дополняется общностью некоторых химических компонентов (например, сиаловые кислоты). Матрикс колонии микроорганизмов выполняет следующие функции, относящиеся к надклеточному уровню организации:
- структурообразующая (благодаря матриксу колония состоит, строго говоря, не из одиночных клеток, а из субколониальных ассоциаций; в структуре колоний, например, Pseudomonas aeruginosa, содержатся полые трубочки из внеклеточных полисахаридов и других биополимеров – предполагаемые микроканалы для транспорта веществ и миграции клеток мелких форм);
- защитная (протекторная) (обволакивающий клетки матрикс выступает как буферная внутренняя среда колонии, предохраняющая отдельные клетки и колонию в целом от неблагоприятных воздействий извне (высыхание, нагревание/охлаждение, атака гидролитических ферментов и др.;
- коммуникативная (в матрикс выделяются и по нему распространяются экзометаболиты и продукты автолиза клеток, химические сигнальные вещества, служащие для оценки плотности собственной популяции.
Еще одной особенностью структурной организации микробных колоний являются внутриколониальные межклеточные контакты, формируемые прокариотами, вероятно, способствующие распространению сигнальных молекул в популяции, особенно если речь идёт о недиффундирующих в среде факторах коммуникации. Межклеточные контакты формируются за счёт многообразных поверхностных структур, включая микрофибриллы, шишковидные выступы, эвагинаты клеточной стенки, гликокаликс.
Таким образом, структура колоний микроорганизмов служит зримым отражением её сложной многоуровневой социальной организации, включающей коллективные, охватывающие всю колонию формы поведения, когда "воля индивида" (клетки) подчиняется "воле коллектива" (колонии).