Большинство видов бактерий можно разделить на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные. Эти категории отражают значительные различия в биологии микроорганизмов и определяют подходы врачей к лечению бактериальных инфекций.
Но в чём же заключаются различия между грамположительными и грамотрицательными бактериями?
Названия этих групп берут своё начало в 1884 году, когда датский бактериолог Ханс Кристиан Грам (Hans Christian Gram) разработал метод окрашивания для наблюдения бактерий под микроскопом. Сначала он наносил краситель, известный как генцианвиолет, который проникал как через защитную стенку, так и через мембрану бактерий, окрашивая внутренние структуры. Затем он добавлял йод, который вступал в реакцию с красителем и образовывал комплекс, устойчивый к воде, что позволяло «фиксировать» окрашивание.
После промывания спиртом у некоторых бактерий окраска сохранялась, и они оставались синими или фиолетовыми, тогда как другие теряли цвет. В итоге первая группа получила название «грамположительные», а вторая была обозначена как «грамотрицательные».
Эксперимент Грама с окрашиванием указал на некое различие в структурах различных бактериальных клеток. Однако только в начале 1950-х годов учёные начали понимать различия в химическом составе клеточных стенок бактерий, которые и определяют различия в окрашивании.
Различия между грамположительными и грамотрицательными бактериями
Все бактерии имеют клеточную стенку, состоящую из сетчатых волокон крупной молекулы, называемой пептидогликаном, которая окружает клеточную мембрану. Клеточная стенка придаёт бактериям прочность, помогает сохранять их форму и внутреннее давление. Однако между двумя классами бактерий существуют ключевые различия.
Во-первых, у грамотрицательных бактерий клеточная стенка тонкая, всего толщиной примерно от 1,5 до 10 нанометров, тогда как у грамположительных бактерий стенка гораздо толще — от 20 до 80 нанометров.
Во-вторых, клеточные стенки грамотрицательных бактерий окружены наружной мембраной, которая отличается по своим свойствам от внутренней мембраны, заключенной в стенку. Эта внешняя мембрана участвует в пропускании питательных веществ в клетку и прилипании к другим, близлежащим клеткам, и эта функция играет роль при инфекциях. Грамположительные бактерии, напротив, не имеют такой наружной мембраны.
Обе группы бактерий используют стратегии для сопротивления антибиотикам, рассказал в интервью для Live Science Марк Бласкович (Mark Blaskovich), профессор и руководитель группы исследований в Университете Квинсленда в Австралии. Например, структуры, называемые «экспульсионными насосами», в клеточной мембране позволяют бактериальным клеткам выкачивать антибиотики, попадающие внутрь клетки.
Бактериальные клетки также могут производить ферменты, которые химически инактивируют антибиотики; к таким ферментам относятся бета-лактамазы, которые инактивируют класс антибиотиков, включающий пенициллин. Кроме того, бактериальные клетки могут изменять те части своей биологии, которые являются мишенью для антибиотиков, такие как белки или жиры; это эквивалентно замене замка так, чтобы ключ больше не подходил, отметил Бласкович.
Бактерии также могут получать устойчивость к антибиотикам от соседних бактериальных клеток, даже если они принадлежат к совершенно другому виду. Это происходит потому, что микроорганизмы могут обмениваться небольшими кусочками ДНК, которые несут гены устойчивости к антибиотикам, от одной бактериальной клетки к другой. Эти гены могут передаваться через прямой физический контакт между клетками в процессе, называемом конъюгацией.
Тем не менее, в отношении устойчивости к антибиотикам грамотрицательные бактерии имеют преимущество благодаря своим двойным мембранам.
Наружная мембрана грамотрицательных бактерий физически блокирует некоторые большие молекулы антибиотиков, нерастворимых в воде (гидрофобных), такие как ванкомицин и рифампицин. Поскольку эти препараты не могут проникнуть внутрь клетки, микроорганизмы естественным образом становятся устойчивыми к этим лекарствам, объяснил в интервью для Live Science Дэвид Ливермор (David Livermore), профессор медицинской микробиологии в Университете Восточной Англии в Великобритании.
Малые, растворимые в воде (гидрофильные) антибиотики могут пересекать наружную мембрану, но мембрана всё же замедляет их проникновение. Если у данной бактерии есть способность разрушать или выкачивать поступающий антибиотик, «это становится намного более эффективным, когда скорость его проникновения ограничена», добавил Ливермор.
Он сравнил клетку грамотрицательных бактерий с замком с маленькими воротами в стене. Поскольку враги — антибиотики — проникают медленно, защитники — механизмы защиты бактерий — имеют больше возможностей для борьбы с ними. Если бы сражение происходило на открытом поле, враги ворвались бы сразу и защитники быстро оказались бы подавлены.
Поскольку грамотрицательные бактерии так хорошо справляются с антибиотиками, они представляют собой особенно большую угрозу для человеческого здоровья, по данным Всемирной организации здравоохранения.
Дополнительная наружная мембрана грамотрицательных бактерий обычно дает им преимущество перед грамположительными бактериями в борьбе с антибиотиками. Тем не менее, некоторые существующие препараты, такие как полимиксины, и некоторые новые экспериментальные лекарства нацелены на эту наружную мембрану, повреждая её или предотвращая её производство, отметил Ливермор. В настоящее время эти препараты используются как последняя инстанция для лечения инфекций, вызванных грамотрицательными бактериями, устойчивыми к нескольким антибиотикам.
