BIOFILMY: CHARAKTERISTIKA, TVORBA, TYPY A PRÍKLADY - BIOLÓGIE

Tieto biofilmy alebo biofilmy sú spoločenstvo mikroorganizmov pripojených k povrchu, žijúci v matrici z extracelulárnej polymérnych látok samostatne - generovaný. Pôvodne ich opísal Antoine von Leeuwenhoek, keď v 17. storočí skúmal „zvieracie kukly“ (takto pre neho pomenované) na doske z vlastných zubov.

Teória, ktorá konceptualizuje biofilmy a opisuje ich proces tvorby, sa vyvinula až v roku 1978. Zistilo sa, že schopnosť mikroorganizmov tvoriť biofilmy sa javí univerzálna.

Obrázok 1. Biofilm produkovaný Staphylococcus aureus v katétri. Zdroj: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. prostredníctvom https://commons.wikimedia.org

Biofilmy môžu existovať v rôznych prostrediach, ako sú prírodné systémy, akvadukty, nádrže na skladovanie vody, priemyselné systémy, ako aj v širokej škále médií, ako sú lekárske prístroje a zariadenia pre nemocničných pacientov (napríklad katétre).

Použitím skenovacej elektrónovej mikroskopie a konfokálnej skenovacej laserovej mikroskopie sa zistilo, že biofilmy nie sú homogénne, neštruktúrované depozity buniek a nahromadené bahno, ale skôr komplexné heterogénne štruktúry.

Biofilmy sú komplexné spoločenstvá asociovaných buniek na povrchu, uložené vo vysoko hydratovanej polymérnej matrici, ktorej voda cirkuluje cez otvorené kanály v štruktúre.

Mnoho organizmov, ktoré úspešne prežili milióny rokov v životnom prostredí, napríklad druhy rodov Pseudomonas a Legionella, používajú stratégiu biofilmu v iných prostrediach, ako sú ich pôvodné natívne prostredia.

Charakteristiky biofilmov

Chemické a fyzikálne vlastnosti matrice biofilmu

- Polymérne extracelulárne látky vylučované mikroorganizmami biofilmu, polysacharidové makromolekuly, proteíny, nukleové kyseliny, lipidy a iné biopolyméry, väčšinou vysoko hydrofilné molekuly, sa pretínajú a vytvárajú trojrozmernú štruktúru nazývanú biofilmová matrica.

- Štruktúra matrice je vysoko viskoelastická, má gumové vlastnosti, je odolná voči ťahu a mechanickému rozkladu.

- Matrica má schopnosť priľnúť na povrchy rozhraní, vrátane vnútorných priestorov porézneho média, cez extracelulárne polysacharidy, ktoré pôsobia ako priľnavé gumy.

- Polymérna matrica je prevažne aniónová a obsahuje tiež anorganické látky, ako sú kovové katióny.

- Má vodné kanály, ktorými cirkulujú kyslík, živiny a odpadové látky, ktoré sa dajú recyklovať.

- Táto matrica biofilmu funguje ako prostriedok ochrany a prežitia proti nepriaznivým prostrediam, bariéra proti fagocytujúcim útočníkom a proti vstupu a šíreniu dezinfekčných prostriedkov a antibiotík.

Ekofyziologické vlastnosti biofilmov

-Vytvorenie matrice v nehomogénnych gradientoch vedie k vzniku rôznych mikroorganizmov, ktoré umožňujú existenciu biodiverzity v rámci biofilmu.

- V matrici je forma bunkového života radikálne odlišná od voľného života a nie je spojená. Mikroorganizmy biofilmu sú imobilizované, veľmi blízko pri sebe, spojené v kolóniách; táto skutočnosť umožňuje intenzívne interakcie.

- Interakcie medzi mikroorganizmami v biofilme zahŕňajú komunikáciu prostredníctvom chemických signálov v kóde nazývanom „snímanie kvora“.

- Existujú ďalšie dôležité interakcie, ako je prenos génov a tvorba synergických mikro-konzorcií.

- Fenotyp biofilmu sa dá opísať pomocou génov exprimovaných pridruženými bunkami. Tento fenotyp sa mení s ohľadom na rýchlosť rastu a transkripciu génov.

- Organizmy v biofilme môžu transkribovať gény, ktoré neprepisujú svoje planktónové formy alebo formy voľného života.

- Proces tvorby biofilmu je regulovaný špecifickými génmi, ktoré sú transkribované počas počiatočnej adhézie buniek.

- V obmedzenom priestore matice existujú mechanizmy spolupráce a hospodárskej súťaže. Konkurencia vytvára neustále prispôsobovanie sa biologickým populáciám.

- Vytvorí sa kolektívny externý tráviaci systém, ktorý zadržiava extracelulárne enzýmy v blízkosti buniek.

- Tento enzymatický systém umožňuje sekvestrovať, akumulovať a metabolizovať, rozpustené, koloidné a / alebo suspendované živiny.

- Matica funguje ako spoločná vonkajšia recyklačná oblasť, ktorá ukladá komponenty lyzovaných buniek a slúži tiež ako kolektívny genetický archív.

- Biofilm funguje ako ochranná štrukturálna bariéra proti zmenám prostredia, ako je vysušovanie, pôsobenie biocídov, antibiotík, imunitné odpovede hostiteľa, oxidačné činidlá, kovové katióny, ultrafialové žiarenie a je tiež obranou proti mnohým predátorom, ako sú fagocytárne protozoá a hmyz.

- Matica biofilmu predstavuje jedinečné ekologické prostredie pre mikroorganizmy, ktoré umožňuje dynamický spôsob života biologickej komunity. Biofilmy sú skutočnými mikroekosystémami.

Tvorba biofilmu

Tvorba biofilmu je proces, pri ktorom mikroorganizmy prechádzajú z voľne žijúceho jednobunkového nomádskeho stavu do mnohobunkového sedavého stavu, kde následný rast vytvára štruktúrované spoločenstvá s diferenciáciou buniek.

K vývoju biofilmu dochádza v reakcii na extracelulárne signály okolia a na vlastné signály.

Vedci, ktorí študovali biofilmy, súhlasia s tým, že je možné zostaviť zovšeobecnený hypotetický model na vysvetlenie ich tvorby.

Tento model tvorby biofilmu pozostáva z 5 stupňov:

Počiatočná priľnavosť k povrchu.
Tvorba monovrstvy.
Migrácia na viacvrstvové mikrokolonie.
Výroba polymérnej extracelulárnej matrice.
Zrenie trojrozmerného biofilmu.

Obrázok 2. Proces tvorby biofilmu. Zdroj: D. Davis, prostredníctvom Wikimedia Commons

Počiatočná priľnavosť k povrchu

Tvorba biofilmu začína počiatočnou adhéziou mikroorganizmov na pevný povrch, kde sú imobilizované. Zistilo sa, že mikroorganizmy majú povrchové senzory a že povrchové proteíny sa podieľajú na tvorbe matrice.

V nemobilných organizmoch, keď sú podmienky prostredia priaznivé, sa zvyšuje produkcia adhezínov na ich vonkajšom povrchu. Týmto spôsobom zvyšuje svoju adhéznu kapacitu bunkových buniek a bunkových povrchov.

V prípade mobilných druhov sa jednotlivé mikroorganizmy nachádzajú na povrchu a je to východiskový bod k radikálnej zmene spôsobu ich života z kočovného, sedavého, takmer sediaceho voľného mobilu.

Schopnosť pohybu sa stráca pri tvorbe matrice, okrem adhezívnych látok sa zúčastňujú aj rôzne štruktúry, ako sú bičíky, cília, pilus a fimbria.

Potom sa v oboch prípadoch (mobilné aj nemobilné mikroorganizmy) vytvárajú malé agregáty alebo mikrokolonie a vytvára sa intenzívnejší kontakt bunka-bunka; v zhlukovaných bunkách sa vyskytujú adaptívne fenotypové zmeny v novom prostredí.

Tvorba monovrstvy a mikrokolonií vo viacvrstvách

Začína sa výroba extracelulárnych polymérnych látok, nastáva počiatočná tvorba v monovrstve a následný vývoj vo viacvrstvách.

Produkcia polymérnej extracelulárnej matrice a dozrievanie trojrozmerného biofilmu

Nakoniec biofilm dosiahne svoje štádium zrelosti s trojrozmernou architektúrou a prítomnosťou kanálov, ktorými cirkuluje voda, živiny, komunikačné chemikálie a nukleové kyseliny.

Biofilmová matrica drží bunky a drží ich pohromade, čo podporuje vysoký stupeň interakcie s medzibunkovou komunikáciou a vytváranie synergických konzorcií. Bunky biofilmu nie sú úplne imobilizované, môžu sa v ňom pohybovať a tiež sa môžu oddeliť.

Druhy biofilmov

Počet druhov

Podľa počtu druhov, ktoré sa podieľajú na biofilme, sa tento biofilm môže klasifikovať na:

Biofilmy druhov. Napríklad biofilmy tvorené Streptococcus mutans alebo Vellionela parvula.
Biofilmy dvoch druhov. Napríklad bola objavená aj asociácia Streptococcus mutans a Vellionella parvula v biofilmoch.
Polymikrobiálne biofilmy vyrobené z mnohých druhov . Napríklad zubný povlak.

Školiace prostredie

Biofilmy tiež môžu byť v závislosti od prostredia, v ktorom sa tvoria:

prírodné
Priemyselný
domáci
pohostinný

Obrázok 3. Biofilmy termofilných baktérií v Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Zdroj: Amateria1121, z Wikimedia Commons

Typ rozhrania, v ktorom sa generujú

Na druhej strane, podľa typu rozhrania, kde sú vytvorené, je možné ich klasifikovať do:

Biofilmy s rozhraním tuhých látok a kvapalín , ako napríklad tie, ktoré sa vytvárajú v akvaduktoch a nádržiach, potrubiach a vodných nádržiach všeobecne.
Biofilmy s rozhraním tuhých plynov (SAB pre jeho skratku v anglických sub aereal biofilmoch ); čo sú mikrobiálne spoločenstvá, ktoré sa vyvíjajú na pevných minerálnych povrchoch priamo vystavených atmosfére a slnečnému žiareniu. Nachádzajú sa okrem iného v budovách, na holých púštnych skalách, horách.

Príklady biofilmov

- Zubná doska

Zubný plak bol študovaný ako zaujímavý príklad komplexnej komunity, ktorá žije v biofilmoch. Biofilmy zubných doštičiek sú tvrdé a nie elastické kvôli prítomnosti anorganických solí, ktoré dodávajú polymérnej matrici tuhosť.

Mikroorganizmy zubného plaku sú veľmi rozmanité a v biofilme je 200 až 300 pridružených druhov.

Medzi tieto mikroorganizmy patria:

Rod Streptococcus ; vyrobené z kyslých baktérií, ktoré demineralizujú sklovinu a dentín a iniciujú zubný kaz. Napríklad druh: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis a S. milleri.
Rod Lactobacillus , vyrobený z acidofilných baktérií, ktoré denaturujú dentínové proteíny. Napríklad druh: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
Rod Actinomyces , ktoré sú kyslé a proteolytické mikroorganizmy. Spomedzi nich je to druh: viskózny, A. odontoliticus a A. naeslundii.
A ďalšie rody , ako napríklad: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis a Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy v čiernej vode

Ďalším zaujímavým príkladom sú domáce odpadové vody, v ktorých nitrifikačné mikroorganizmy, ktoré oxidujú amónne, dusitanové a autotrofné nitrifikačné baktérie, žijú v biofilmoch pripojených k rúrkam.

Medzi baktériami oxidujúcimi amónium v týchto biofilmoch sú početne dominantné druhy rodu Nitrosomonas, distribuované v matrici biofilmu.

Väčšina zložiek v rámci skupiny oxidantov dusitanov sú tie z rodu Nitrospira, ktoré sa nachádzajú iba vo vnútornej časti biofilmu.

- Bioprodukty spodnej bielizne

Biofilmy spodnej bielizne sa vyznačujú nerovnomerným rastom na pevných minerálnych povrchoch, ako sú kamene a mestské budovy. Tieto biofilmy predstavujú dominantné asociácie húb, rias, cyanobaktérií, heterotrofných baktérií, prvokov, ako aj mikroskopických zvierat.

Biofilmy SAB majú najmä chemolytotropné mikroorganizmy schopné používať minerálne anorganické chemikálie ako zdroje energie.

Chemolithotrophic mikroorganizmy majú schopnosť oxidovať anorganické zlúčeniny, ako je napríklad H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ a využiť elektrickej potenciálnej energie produkovanej oxidáciou v ich metabolizme.

Medzi mikrobiálne druhy prítomné v subaeriálnych biofilmoch patria:

Baktérie rodu Geodermatophilus; cyanobaktérie rodov C.
Zelené riasy rodov Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia a Stichococcus.
Heterotropné baktérie (dominantné v subaeriálnych biofilmoch): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. a Rhodococcus sp.
Chemoorganotrofné baktérie a huby, ako sú Actynomycetales (streptomycetes a Geodermatophilaceae), Proteobaktérie, Actinobacteria, Acidobacteria a Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmy pôvodcov ľudských chorôb

Mnohé z baktérií známych ako pôvodcovia ľudských chorôb žijú v biofilmoch. Medzi ne patria: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans a Legionella pneumophyla.

-Žľazový mor, bubonický mor, čierny mor

Zaujímavé je prenos bubonického moru blchovým uhryznutím, relatívne nedávna adaptácia bakteriálneho činidla zodpovedného za túto chorobu, Yersinia pestis.

Táto baktéria rastie ako biofilm pripojený k hornému tráviacemu systému vektora (blchy). Počas uhryznutia blchy opakujú biofilm obsahujúci Yersinia pestis v derme, čím sa iniciuje infekcia.

-Hospitálne žilové katétre

Medzi organizmy izolované z biofilmu na explantovaných centrálnych žilových katétroch patrí úžasná skupina grampozitívnych a gramnegatívnych baktérií, ako aj ďalšie mikroorganizmy.

Niekoľko vedeckých štúdií uvádza ako grampozitívne baktérie biofilmov vo žilových katétroch: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococus sp. a Streptococcus pneumoniae.

Medzi gram-negatívnymi baktériami izolovanými z týchto biofilmov sa uvádzajú: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. , a Serratia marcescens.

Ďalšie organizmy nájdené v týchto biofilmoch sú: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis a Mycobacterium chelonei.

- V priemysle

Pokiaľ ide o fungovanie priemyslu, biofilmy vytvárajú prekážky v potrubí, poškodenie zariadenia, rušenie v procesoch, ako je prenos tepla pri pokrývaní povrchov výmenníkov alebo korózia kovových častí.

Potravinársky priemysel

Tvorba filmu v potravinárskom priemysle môže spôsobiť závažné zdravotné a prevádzkové problémy.

Pridružené patogény v biofilmoch môžu kontaminovať potravinové výrobky patogénnymi baktériami a spôsobiť spotrebiteľom vážne problémy v oblasti verejného zdravia.

Medzi biofilmy patogénov spojené s potravinárskym priemyslom patria:

Listeria monocytogenes

Tento patogén sa používa v počiatočnej fáze tvorby biofilmu, bičíkov a membránových proteínov. Vytvára biofilmy na oceľových povrchoch krájacích strojov.

V mliekarenskom priemysle sa biofilmy Listeria monocytogenes môžu vyrábať v tekutom mlieku a mliečnych výrobkoch. Zvyšky mlieka a mliečnych výrobkov v potrubiach, nádržiach, nádobách a iných zariadeniach podporujú vývoj biofilmov tohto patogénu, ktorý ich používa ako dostupné živiny.

Pseudomonas

Biofilmy týchto baktérií sa nachádzajú v zariadeniach potravinárskeho priemyslu, ako sú podlahy, odtoky a na povrchoch potravín, ako je mäso, zelenina a ovocie, ako aj v nízko kyslých derivátoch mlieka.

Pseudomonas aeruginosa vylučuje niekoľko extracelulárnych látok, ktoré sa používajú pri tvorbe polymérnej matrice biofilmu, priľnú k veľkému množstvu anorganických materiálov, ako je nehrdzavejúca oceľ.

Pseudomonády môžu koexistovať v rámci biofilmu spolu s inými patogénnymi baktériami, ako sú Salmonella a Listeria.

Salmonella

Druhy salmonel sú prvým pôvodcom zoonóz bakteriálnej etiológie a ohnísk otravy jedlom.

Vedecké štúdie preukázali, že Salmonella môže v zariadeniach na spracovanie potravín priľnúť ako biofilmy na betónové, oceľové a plastové povrchy.

Druhy salmonel majú povrchové štruktúry s adherentnými vlastnosťami. Ďalej produkuje celulózu ako extracelulárnu látku, ktorá je hlavnou zložkou polymérnej matrice.

Escherichia coli

Využíva bičíkové a membránové proteíny v počiatočnom kroku tvorby biofilmu. Produkuje tiež extracelulárnu celulózu, aby sa vytvoril trojrozmerný rámec matrice v biofilme.

Odolnosť biofilmov voči dezinfekčným prostriedkom, germicídom a antibiotikám

Biofilmy poskytujú ochranu mikroorganizmom, ktoré ich tvoria, proti pôsobeniu dezinfekčných prostriedkov, germicídov a antibiotík. Mechanizmy, ktoré umožňujú túto funkciu, sú nasledujúce:

Oneskorené prenikanie antimikrobiálneho činidla cez trojrozmernú matricu biofilmu v dôsledku veľmi pomalej difúzie a ťažkostí pri dosahovaní účinnej koncentrácie.
Zmenená rýchlosť rastu a nízky metabolizmus mikroorganizmov v biofilme.
Zmeny fyziologických reakcií mikroorganizmov počas rastu biofilmu so zmenenou expresiou génu rezistencie.

Referencie

Bakteriálne biofilmy. (2008). Aktuálne témy z mikrobiológie a imunológie. Tony Romeo Editor. Zväzok 322. Berlín, Hannover: Springer Verlag. pp301.
Donlan, RM a Costerton, JW (2002). Biofilmy: mechanizmy prežitia klinicky relevantných mikroorganizmov. Klinické mikrobiologické prehľady. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
Fleming, HC a Wingender, F. (2010). Biofilmová matrica. Recenzia prírody Mikrobiológia. 8: 623-633.
Gorbushina, A. (2007). Život na skalách. Environmentálna mikrobiológia. 9 (7): 1-24. doi: 10,1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
O'Toole, G., Kaplan, HB a Kolter, R. (2000). Tvorba biofilmu ako mikrobiálny vývoj. Ročný prehľad mikrobiológie 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.mikrobiol.54.1.49
Hall-Stoodley, L., Costerton, JW a Stoodley, P. (2004). Bakteriálne biofilmy: z prírodného prostredia do infekčných chorôb. Recenzia prírody Mikrobiológia. 2: 95-108.
Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. a Mattick, J. (2002). Extracelulárna DNA potrebná na tvorbu bakteriálneho biofilmu. 259 (5559): 1487 - 1499. doi: 10,126 / veda, 2995, 559, 1447

BIOFILMY: CHARAKTERISTIKA, TVORBA, TYPY A PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026