BIOFILMI: ZNAČILNOSTI, TVORBA, VRSTE IN PRIMERI - BIOLOGIJA

V protimikrobne ali protimikrobne so skupnosti mikroorganizmov, vezanih na površino, ki živijo v matrici zunajcelične polimerne snovi sami - generira. Na začetku jih je opisal Antoine von Leeuwenhoek, ko je v 17. stoletju pregledal "animalcules" (tako so ga poimenovali po njem) na plošči materiala iz njegovih lastnih zob.

Teorija, ki konceptualizira biofilme in opisuje njihov proces nastajanja, je bila razvita šele leta 1978. Ugotovljeno je bilo, da se zdi sposobnost mikroorganizmov, da tvorijo biofilme, univerzalna.

Slika 1. Biofilm, ki ga v katetru proizvaja Staphylococcus aureus. Vir: CDC / dr. Rodney M. Donlan; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. prek https://commons.wikimedia.org

Biofilmi lahko obstajajo v raznovrstnih okoljih, kot so naravni sistemi, akvadukti, rezervoarji za vodo, industrijski sistemi, pa tudi v najrazličnejših medijih, kot so medicinski pripomočki in naprave za bolniške bolnike (na primer katetri).

Z uporabo skenirajoče elektronske mikroskopije in konfokalne skenirne laserske mikroskopije smo ugotovili, da biofilmi niso homogeni, nestrukturirani depoziti celic in nakopičene blata, temveč precej zapletene heterogene strukture.

Biofilmi so kompleksne združbe povezanih celic na površini, vgrajene v visoko hidrirano polimerno matriko, katere voda kroži skozi odprte kanale v strukturi.

Številni organizmi, ki so bili uspešni v milijonih let preživeti v okolju, na primer vrste rodov Pseudomonas in Legionella, strategijo biofilma uporabljajo v drugih okoljih, razen v domačem domačem okolju.

Značilnosti biofilmov

Kemične in fizikalne značilnosti matrice biofilma

-Polimerne zunajcelične snovi, ki jih izločajo biofilmski mikroorganizmi, polisaharidni makromolekuli, beljakovine, nukleinske kisline, lipidi in drugi biopolimeri, večinoma visoko hidrofilni molekuli, se križajo in tvorijo tridimenzionalno strukturo, imenovano matrico biofilma.

-Sastava matrice je zelo viskoelastična, ima lastnosti gume, odporna je na vleko in mehanske okvare.

- Matrica ima možnost lepljenja na vmesnih površinah, vključno z notranjimi prostori poroznih medijev, prek zunajceličnih polisaharidov, ki delujejo kot adhezivne dlesni.

-Polimerna matrica je pretežno anionska in vključuje tudi anorganske snovi, kot so kovinski kationi.

-Ima vodne kanale, po katerih krožijo kisik, hranila in odpadne snovi, ki jih je mogoče reciklirati.

-Ta matrica biofilma deluje kot sredstvo za zaščito in preživetje pred neugodnimi okolji, ovira pred fagocitnimi napadalci in proti vnosu in razširjanju razkužil in antibiotikov.

Ekofiziološke značilnosti biofilmov

-Z nastajanjem matrike v nehomogenih gradientih nastanejo različni mikrohabitati, kar omogoča biotsko raznovrstnost znotraj biofilma.

-Z matrico se celična življenjska oblika radikalno razlikuje od prostega življenja, ni povezana. Mikroorganizmi biofilma so imobilizirani, zelo blizu drug drugemu, povezani v kolonije; to dejstvo omogoča intenzivne interakcije.

- Interakcije med mikroorganizmi v biofilmu vključujejo komunikacijo prek kemijskih signalov v kodi, imenovani "kvorum zaznavanje".

- Obstajajo tudi druge pomembne interakcije, kot sta prenos genov in oblikovanje sinergističnih mikrokonzorcijev.

-Fenotip biofilma lahko opišemo z geni, ki jih izražajo povezane celice. Ta fenotip je spremenjen glede na hitrost rasti in prepisovanje genov.

-Organizmi znotraj biofilma lahko prepisujejo gene, ki ne prepisujejo svojih planktonskih ali prostih življenjskih oblik.

- Postopek tvorbe biofilma urejajo posebni geni, ki se prepisujejo med začetno celično adhezijo.

-V zaprtem prostoru matrike obstajajo mehanizmi sodelovanja in konkurence. Konkurenca ustvarja nenehno prilagajanje bioloških populacij.

-Ustvari se skupni zunanji prebavni sistem, ki zadrži zunajtelesne encime v bližini celic.

-Ta encimski sistem omogoča sekvenciranje, kopičenje in presnavljanje, raztopljenih, koloidnih in / ali suspendiranih hranil.

- Matrica deluje kot skupno zunanje območje za recikliranje, skladiščenje komponent liziranih celic, ki služi tudi kot skupni genetski arhiv.

-Biofilm deluje kot zaščitna strukturna ovira pred spremembami okolja, kot so izsušitev, delovanje biocidov, antibiotikov, imunski odziv gostitelja, oksidanti, kovinski kationi, ultravijolično sevanje in je tudi obramba pred številnimi plenilci, kot so fagocitni protozoji in žuželke.

-Matrica biofilma predstavlja edinstveno ekološko okolje za mikroorganizme, ki omogoča dinamičen način življenja biološke skupnosti. Biofilmi so pravi mikroekosistemi.

Tvorba biofilma

Nastajanje biofilma je proces, v katerem mikroorganizmi prehajajo iz svobodno živečega, nomadskega enoceličnega stanja v večcelično sedeče stanje, pri katerem nadaljnja rast ustvari strukturirane skupnosti s celično diferenciacijo.

Razvoj biofilma se pojavi kot odziv na zunajcelične signale iz okolja in na lastne signale.

Raziskovalci, ki so preučevali biofilme, se strinjajo, da je mogoče razložiti posplošen hipotetični model, ki bi razložil njihovo nastajanje.

Ta model nastajanja biofilma je sestavljen iz 5 stopenj:

Začetni oprijem na površino.
Oblikovanje enoplastnega.
Migracija za tvorjenje večplastnih mikrokolonij.
Izdelava polimerne zunajtelesne matrice.
Zorenje tridimenzionalnega biofilma.

Slika 2. Proces nastajanja biofilma. Vir: D. Davis, prek Wikimedia Commons

Začetni oprijem na površino

Nastanek biofilma se začne z začetnim oprijemom mikroorganizmov na trdno površino, kjer so imobilizirani. Odkrili smo, da imajo mikroorganizmi površinske senzorje in da pri tvorbi matriksa sodelujejo površinski proteini.

Pri nemobilnih organizmih, ko so okoljski pogoji ugodni, se proizvodnja adhezivov na njihovi zunanji površini poveča. Na ta način poveča svojo sposobnost lepljenja na celice in celice.

Pri mobilnih vrstah se posamezni mikroorganizmi nahajajo na površini in to je izhodišče za korenito spremembo njihovega načina življenja od nomadsko prostega mobilnega do sedečega, skoraj sedečega.

Sposobnost gibanja se torej izgubi pri nastajanju matriksa, poleg lepilnih snovi sodelujejo tudi različne strukture, kot so flagele, cilija, pilus in fimbria.

Nato se v obeh primerih (mobilni in nemobilni mikroorganizmi) tvorijo majhni agregati ali mikrokolonije in nastane intenzivnejši stik med celicami in celicami; v gručastih celicah se pojavijo prilagodljive fenotipske spremembe novega okolja.

Oblikovanje enoplastnih in mikrokolonij v večplastnih

Začne se proizvodnja zunajceličnih polimernih snovi, pojavi se začetna tvorba v enoplastnem sloju in nadaljnji razvoj v večplastnih.

Izdelava polimerne zunajcelične matrice in zorenje tridimenzionalnega biofilma

Končno biofilm doseže stopnjo zrelosti, s tridimenzionalno arhitekturo in prisotnostjo kanalov, po katerih krožijo voda, hranila, komunikacijske kemikalije in nukleinske kisline.

Matrica biofilma drži celice in jih drži skupaj, kar spodbuja visoko stopnjo interakcije z medcelično komunikacijo in tvorbo sinergističnih konzorcijev. Celice biofilma niso popolnoma imobilizirane, lahko se gibljejo v njem in se tudi odtrgajo.

Vrste biofilmov

Število vrst

Glede na število vrst, ki sodelujejo v biofilmu, jih je mogoče razvrstiti v:

Biofilmi vrste. Na primer biofilmi, ki jih tvorijo Streptococcus mutans ali Vellionela parvula.
Biofilmi dveh vrst. Na primer, odkrili smo tudi povezavo Streptococcus mutans in Vellionella parvula v biofilmih.
Polimikrobni biofilmi, sestavljeni iz mnogih vrst . Na primer zobna obloga.

Vadbeno okolje

Glede na okolje, v katerem se oblikujejo, so lahko biofilmi:

Naravni
Industrijska
Domače
Gostoljubni

Slika 3. Biofilmi termofilnih bakterij v Mickey Hot Springsu, Oregon, ZDA. Vir: Amateria1121, iz Wikimedia Commons

Vrsta vmesnika, kjer so ustvarjeni

Po drugi strani jih je mogoče glede na vrsto vmesnika, kjer so oblikovani, razvrstiti na:

Vmesni biofilmi trde tekočine , kot so tisti, ki nastajajo v akvaduktih in rezervoarjih, ceveh in rezervoarjih za vodo na splošno.
Biofilmi vmesnika trdih plinov (SAB za akronim v angleščini Sub Aereal Biofilms); ki so mikrobne skupnosti, ki se razvijejo na trdnih mineralnih površinah, neposredno izpostavljenih atmosferi in sončnemu sevanju. Med drugim jih najdemo v zgradbah, golih puščavskih skalah, gorah.

Primeri biofilmov

-Zobna plošča

Zobna plošča je raziskana kot zanimiv primer zapletene skupnosti, ki živi v biofilmih. Biofilmi zobnih plošč so trdi in ne elastični zaradi prisotnosti anorganskih soli, ki dajejo togost polimernemu matriksu.

Mikroorganizmi zobnih oblog so zelo raznoliki in v biofilmu je med 200 in 300 povezanih vrst.

Med temi mikroorganizmi spadajo:

Rod Streptococcus ; sestavljen iz kislih bakterij, ki demineralizirajo sklenino in dentin ter sprožijo zobni karies. Na primer, vrste: mutani, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis in S. milleri.
Rod Lactobacillus , sestavljen iz acidofilnih bakterij, ki denaturirajo proteine dentina. Na primer, vrste: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
Rod Actinomyces , ki so kisli in proteolitični mikroorganizmi. Med njimi vrste: viskozni, A. odontoliticus in A. naeslundii.
In drugi rodovi , kot so: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis in Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmi v črni vodi

Drug zanimiv primer so gospodinjske odpadne vode, kjer nitrificirajoči mikroorganizmi, ki oksidirajo amonij, nitrit in avtotrofne nitrifikacijske bakterije, živijo v biofilmih, pritrjenih na cevi.

Med amonijev oksidirajoče bakterije v teh biofilmih so številčno prevladujoče vrste iz roda Nitrosomonas, razporejene po matriksu biofilma.

Večinski sestavni deli skupine nitritnih oksidantov so tiste iz roda Nitrospira, ki se nahajajo le v notranjem delu biofilma.

- Podfaktorski biofilmi

Za biofilme Subaerie je značilna neenakomerna rast na trdnih mineralnih površinah, kot so kamnine in mestne zgradbe. Ti biofilmi predstavljajo prevladujoča združenja gliv, alg, cianobakterij, heterotrofnih bakterij, protozojev, pa tudi mikroskopskih živali.

Zlasti biofilmi SAB imajo kemolitrotropne mikroorganizme, ki so sposobni uporabiti anorganske mineralne kemikalije kot vire energije.

Chemolithotrophic mikroorganizmi imajo sposobnost, da oksidira anorganske spojine, kot so: H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ in izkoristijo električne potencialne energije, ki jih povzročajo oksidacije v njihovih metabolnih.

Med mikrobnimi vrstami, ki so prisotne v poddružinskih biofilmih, so:

Bakterije iz rodu Geodermatophilus; cianobakterije iz rodov C hrococcoccidiopsis, kokoidne in nitaste vrste, kot so Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
Zelene alge iz rodov Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia in Stichococcus.
Heterotrofne bakterije (prevladujejo v podkožnih biofilmih): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. in Rhodococcus sp.
Kemoorganotrofne bakterije in glive, kot so Actynomycetales (streptomiceti in geodermatophilaceae), proteobakterije, aktinobakterije, Acidobacteria in bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmi povzročitelji človeških bolezni

Veliko bakterij, znanih kot povzročitelji bolezni ljudi, živi v biofilmih. Med njimi so: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans in Legionella pneumophyla.

-Črna kuga

Zanimiv je prenos bubonske kuge z ugrizom bolhe, relativno nedavna prilagoditev bakterijskega povzročitelja, odgovornega za to bolezen, Yersinia pestis.

Ta bakterija raste kot biofilm, vezan na prebavni zgornji prebavni sistem (bolhe). Med ugrizom bolha znova razmnožuje biofilm, ki vsebuje Yersinia pestis, v dermisu in tako sproži okužbo.

-Hospitalni venski katetri

Organizmi, izolirani iz biofilma na eksplicitnih centralnih venskih katetrih, vključujejo osupljivo množico gram-pozitivnih in gram-negativnih bakterij ter drugih mikroorganizmov.

Več znanstvenih raziskav poroča o gram-pozitivnih bakterijah biofilmov v venskih katetrih: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus. in Streptococcus pneumoniae.

Med gram-negativnimi bakterijami, izoliranimi iz teh biofilmov, poročajo naslednje: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomanas, Pseudoma. . in Serratia marcescens.

Drugi organizmi, ki jih najdemo v teh biofilmih, so: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis in Mycobacterium chelonei.

-V industriji

Kar zadeva delovanje industrije, biofilmi povzročajo ovire cevi, poškodbe opreme, motnje v procesih, kot so prenos toplote pri prekrivanju površin izmenjevalcev ali korozija kovinskih delov.

Prehrambena industrija

Nastanek filmov v prehrambeni industriji lahko povzroči velike zdravstvene težave in operativne težave.

Pridruženi patogeni v biofiljih lahko kontaminirajo živilske izdelke s patogenimi bakterijami in potrošnikom povzročijo resne težave v javnem zdravju.

Med biofilmi patogenov, povezanih s prehrambeno industrijo, so:

Listeria monocytogenes

Ta patogen uporablja v začetni fazi nastajanja biofilma, flagella in membranskih proteinov. Oblikuje biofilme na jeklenih površinah strojev za rezanje.

V mlečni industriji lahko biofilmi Listeria monocytogenes nastajajo v tekočem mleku in mlečnih izdelkih. Ostanki mleka v ceveh, rezervoarjih in drugih napravah ugodno razvijajo biofilme tega patogena, ki jih uporabljajo kot razpoložljiva hranila.

Pseudomonas

Biofilmi teh bakterij lahko najdemo v obratih živilske industrije, kot so tla, odtoki in na površinah hrane, kot so meso, zelenjava in sadje, pa tudi nizkokislinski derivati mleka.

Pseudomonas aeruginosa izloča več zunajceličnih snovi, ki se uporabljajo pri tvorbi polimerne matrike biofilma in se držijo velike količine anorganskih materialov, kot je nerjavno jeklo.

Pseudomone lahko obstajajo v biofilmu skupaj z drugimi patogenimi bakterijami, kot sta Salmonella in Listeria.

Salmonela

Vrste salmonele so prvi povzročitelji zoonoz bakterijske etiologije in izbruhov zastrupitve s hrano.

Znanstvene študije so pokazale, da se salmonela lahko kot biofilmi drži na betonskih, jeklenih in plastičnih površinah v obratih za predelavo hrane.

Vrste salmonele imajo površinske strukture z lepljivimi lastnostmi. Poleg tega proizvaja celulozo kot zunajcelično snov, ki je glavna sestavina polimerne matrice.

Escherichia coli

V začetnem koraku nastajanja biofilma uporablja flagele in membranske beljakovine. Prav tako proizvaja zunajcelično celulozo, da ustvari tridimenzionalni okvir matrike v biofilmu.

Odpornost biofilmov na razkužila, germicide in antibiotike

Biofilmi nudijo zaščito mikroorganizmom, ki jih sestavljajo, pred delovanjem razkužil, germicidov in antibiotikov. Mehanizmi, ki omogočajo to funkcijo, so naslednji:

Zapozno penetracijo protimikrobnega sredstva skozi tridimenzionalno matrico biofilma zaradi zelo počasne difuzije in težav pri doseganju učinkovite koncentracije.
Spremenjena hitrost rasti in nizka presnova mikroorganizmov v biofilmu.
Spremembe fizioloških odzivov mikroorganizmov med rastjo biofilma s spremenjenim izražanjem gena odpornosti.

Reference

Bakterijski biofilmi. (2008). Aktualne teme iz mikrobiologije in imunologije. Tony Romeo urednik. Letnik 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
Donlan, RM in Costerton, JW (2002). Biofilmi: mehanizmi preživetja klinično pomembnih mikroorganizmov. Pregledi klinične mikrobiologije. 15 (2): 167–193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
Fleming, HC in Wingender, F. (2010). Matrica biofilma. Narava recenzije mikrobiologija. 8: 623-633.
Gorbušina, A. (2007). Življenje na skalah. Okoljska mikrobiologija. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
O'Toole, G., Kaplan, HB in Kolter, R. (2000). Tvorba biofilma kot razvoj mikrobov. Letni pregled mikrobiologije.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
Hall-Stoodley, L., Costerton, JW in Stoodley, P. (2004). Bakterijski biofilmi: od naravnega okolja do nalezljivih bolezni. Narava recenzije mikrobiologija. 2: 95-108.
Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. in Mattick, J. (2002). Zunajcelična DNA, potrebna za nastanek bakterijskih biofilmov. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / znanost.295.5559.1487

BIOFILMI: ZNAČILNOSTI, TVORBA, VRSTE IN PRIMERI - BIOLOGIJA - 2026