BIOFILMI: KARAKTERISTIKE, FORMACIJA, VRSTE I PRIMJERI - BIOLOGIJA - 2025

U biofilmovi ili biofilmovi su zajednice mikroorganizama vezana na površini, koji žive u matrici od ekstracelularne polimerne tvari samo - generiran. Prvotno ih je opisao Antoine von Leeuwenhoek, kada je pregledao "životinjske kukuljice" (tako je i dobio ime po njemu), na ploči s materijalima iz vlastitih zuba u 17. stoljeću.

Teorija koja konceptualizira biofilmove i opisuje njihov proces nastajanja, razvijena je tek 1978. Otkriveno je da je sposobnost mikroorganizama da stvaraju biofilme univerzalna.

Slika 1. Biofilm koji proizvodi Staphylococcus aureus u kateteru. Izvor: CDC / dr. Rodney M. Donlan; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. putem

Biofilmi mogu postojati u različitim okruženjima kao što su prirodni sustavi, akvadukti, rezervoari za skladištenje vode, industrijski sustavi, kao i u širokom rasponu medija kao što su medicinski uređaji i uređaji za postojanost pacijenata u bolnici (na primjer, kateteri).

Korištenjem skenirajuće elektronske mikroskopije i konfokalne skenirajuće laserske mikroskopije otkriveno je da biofilmi nisu homogene, nestrukturirane naslage stanica i akumuliranog mulja, već prilično složene heterogene strukture.

Biofilmi su složene zajednice povezanih stanica na površini, ugrađene u visoko hidriranu polimernu matricu čija voda cirkulira kroz otvorene kanale u strukturi.

Mnogi organizmi koji su uspjeli preživjeti milijune godina u okolišu, na primjer, vrste rodova Pseudomonas i Legionella, koriste strategiju biofilma u okruženjima koja nisu njihova matična područja.

Karakteristike biofilma

Kemijske i fizikalne karakteristike matrice biofilma

- Polimerne izvanstanične tvari koje izlučuju biofilmski mikroorganizmi, polisaharidni makromolekuli, proteini, nukleinske kiseline, lipidi i drugi biopolimeri, uglavnom visoko hidrofilni molekuli, prelaze u trodimenzionalnu strukturu koja se naziva matricom biofilma.

-Struktura matrice je vrlo viskoelastična, ima gumena svojstva, otporna je na vuču i mehaničke provale.

-Matriks ima mogućnost lijepljenja površina sučelja, uključujući unutarnje prostore poroznih medija, putem izvanćelijskih polisaharida koji djeluju kao prianjajuće desni.

-Pimerna polimerna matrica je pretežno anionska te uključuje i anorganske tvari poput metalnih kationa.

-Ima vodene kanale kroz koje cirkuliraju kisik, hranjive i otpadne tvari koje se mogu reciklirati.

-Ova matrica biofilma djeluje kao sredstvo zaštite i preživljavanja protiv nepovoljnih okruženja, prepreka protiv fagocitnih osvajača i protiv ulaska i difuzije dezinfekcijskih sredstava i antibiotika.

Ekofiziološke karakteristike biofilma

- Uspostavljanjem matrice u nehomogenim gradijentima, dobiva se niz mikrohabitata, što omogućava biološkoj raznolikosti unutar biofilma.

-Uz matrice, stanični životni oblik se radikalno razlikuje od slobodnog života, nije povezan. Mikroorganizmi biofilma su imobilizirani, vrlo blizu jedni drugima, povezani u kolonijama; ta činjenica omogućuje da se dogode intenzivne interakcije.

- Interakcije između mikroorganizama u biofilmu uključuju komunikaciju putem kemijskih signala u kodu koji se naziva „kvorum senzor“.

- Postoje i druge važne interakcije, poput prijenosa gena i stvaranja sinergističkih mikrokonzorcija.

-Fenotip biofilma može se opisati pomoću gena eksprimiranih povezanih stanica. Ovaj fenotip je izmijenjen s obzirom na brzinu rasta i transkripciju gena.

-Organizmi unutar biofilma mogu prepisati gene koji ne prepisuju svoje planktonske ili slobodne životne oblike.

-Postupak stvaranja biofilma reguliraju se specifični geni koji su prepisani tijekom početne adhezije stanica.

-U skučenom prostoru matrice postoje mehanizmi suradnje i natjecanja. Konkurencija stvara stalnu prilagodbu u biološkoj populaciji.

-Stvara se kolektivni vanjski probavni sustav koji zadržava izvanstanične enzime u blizini stanica.

- Ovaj enzimski sustav omogućava sekvenciranje, akumuliranje i metabolizaciju, otopljenih, koloidnih i / ili suspendiranih hranjivih tvari.

-Matrica djeluje kao zajedničko vanjsko područje recikliranja, skladištenje komponenti liziranih stanica, a ujedno služi i kao kolektivna genetska arhiva.

-Biofilm djeluje kao zaštitna strukturna barijera protiv promjena u okolišu poput isušivanja, djelovanja biocida, antibiotika, imunoloških odgovora domaćina, oksidansa, metalnih kationa, ultraljubičastog zračenja, a ujedno je i obrana od mnogih grabežljivaca poput fagocitnih protozoa i insekata.

-Matrix biofilma predstavlja jedinstveno ekološko okruženje za mikroorganizme, koje omogućava dinamičan način života biološke zajednice. Biofilmi su pravi mikroekosistemi.

Formiranje biofilma

Formiranje biofilma proces je u kojem mikroorganizmi prelaze iz slobodnog, nomadskog jednoćelijskog stanja u višećelijsko sedentarno stanje, pri čemu naknadni rast proizvodi strukturirane zajednice sa staničnom diferencijacijom.

Razvoj biofilma događa se kao odgovor na vanćelijske signale okoliša i vlastite generirane signale.

Istraživači koji su proučavali biofilmove slažu se da je moguće konstruirati generalizirani hipotetički model koji će objasniti njihovo nastajanje.

Ovaj model formiranja biofilma sastoji se od 5 faza:

1. Početna adhezija na površinu.
2. Formiranje jednosloja.
3. Migracija radi stvaranja višeslojnih mikrokolonija.
4. Izrada polimerne izvanstanične matrice.
5. Sazrijevanje trodimenzionalnog biofilma.

Slika 2. Proces stvaranja biofilma. Izvor: D. Davis, putem Wikimedia Commonsa

Početna adhezija na površinu

Formiranje biofilma započinje početnim prijanjanjem mikroorganizama na čvrstu površinu gdje su imobilizirani. Otkriveno je da mikroorganizmi imaju površinske senzore i da površinski proteini sudjeluju u stvaranju matriksa.

U nepokretnim organizmima, kada su uvjeti u okolišu povoljni, proizvodnja ljepila na njihovoj vanjskoj površini povećava se. Na taj način povećava svojstvo adhezije stanične stanice i stanične površine.

U slučaju mobilnih vrsta, pojedinačni mikroorganizmi nalaze se na površini i to je polazna točka za radikalnu promjenu u njihovom načinu života od nomadski slobodnog mobilnog, do sjedećeg, gotovo sedalnog.

Sposobnost kretanja se, dakle, gubi u formiranju matriksa, osim ljepljivih tvari sudjeluju različite strukture poput flagela, cilija, pilusa i fimbrije.

Tada se u oba slučaja (pokretni i nemobilni mikroorganizmi) stvaraju mali agregati ili mikrokolonije i stvara se intenzivniji kontakt stanica i stanica; u klasteriranim stanicama događaju se prilagodljive fenotipske promjene na novo okruženje.

Formiranje jednosloja i mikrokolonija u višeslojnim slojevima

Započinje proizvodnja izvanćelijskih polimernih tvari, dolazi do početne tvorbe u jednoslojnom sloju i daljnjeg razvoja u višeslojnosti.

Izrada polimerne izvanstanične matrice i sazrijevanje trodimenzionalnog biofilma

Konačno, biofilm dostiže svoju fazu zrelosti, s trodimenzionalnom arhitekturom i prisutnošću kanala kroz koje cirkuliraju voda, hranjive tvari, komunikacijske kemikalije i nukleinske kiseline.

Matrica biofilma zadržava stanice i drži ih zajedno, promičući visok stupanj interakcije međućelijske komunikacije i formiranje sinergističkih konzorcija. Stanice biofilma nisu potpuno imobilizirane, mogu se kretati unutar njega i također se odvajaju.

Vrste biofilma

Broj vrsta

Prema broju vrsta koje sudjeluju u biofilmu, ove se vrste mogu svrstati u:

• Biofilmi vrste. Na primjer, biofilmi nastali Streptococcus mutans ili Vellionela parvula.
• Biofilmi dviju vrsta. Na primjer, otkrivena je i povezanost Streptococcus mutans i Vellionella parvula u biofilmima.
• Polimikrobni biofilmi koje čine mnoge vrste. Na primjer, zubni plak.

Okruženje za trening

Ovisno o okruženju u kojem se formiraju, biofilmi mogu biti:

• prirodni
• industrijski
• domaći
• gostoljubiv

Slika 3. Biofilmi termofilnih bakterija u Mickey Hot Springsu, Oregon, SAD. Izvor: Amateria1121, iz Wikimedia Commons

Vrsta sučelja na kojem se generiraju

S druge strane, prema vrsti sučelja na kojem su formirana, moguće ih je razvrstati u:

• Biofilmi s krutim tekućinama, poput onih formiranih u akvaduktima i cisternama, cijevima i cisternama s vodom općenito.
• Biofilmi sučelja krutog plina (SAB za kraticu na engleskom Sub Aereal Biofilms); koji su mikrobne zajednice koje se razvijaju na čvrstim mineralnim površinama, izravno izložene atmosferi i sunčevom zračenju. Nalaze se među zgradama, golim pustinjskim stijenama, planinama, među ostalim.

Primjeri biofilma

-Zubna ploča

Zubna ploča proučena je kao zanimljiv primjer složene zajednice koja živi u biofilmima. Biofilmi zubnih ploča su čvrsti i ne elastični, zbog prisutnosti anorganskih soli, koje daju krutost polimernom matriksu.

Mikroorganizmi zubnog plaka vrlo su raznoliki i u biofilmu postoji između 200 i 300 povezanih vrsta.

Među tim mikroorganizmima su:

• Rod Streptococcus; sačinjena od kiselih bakterija koje demineraliziraju caklinu i dentin i potiču zubni karijes. Na primjer, vrste: mutani, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis i S. milleri.
• Rod Lactobacillus, sastavljen od acidofilnih bakterija koje denaturiraju proteine ​​dentina. Na primjer, vrste: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Rod Actinomyces, koji su kiseli i proteolitički mikroorganizmi. Među njima su vrste: viskozni, A. odontoliticus i A. naeslundii.
• I drugi rodovi, kao što su: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis i Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmi u crnoj vodi

Drugi zanimljiv primjer su kućne otpadne vode, gdje nitrificirajući mikroorganizmi koji oksidiraju amonij, nitrit i autotrofne nitrificirajuće bakterije žive u biofilima pričvršćenim na cijevima.

Među amonijem oksidirajućim bakterijama tih biofilma brojčano su dominantne vrste iz roda Nitrosomonas, raspoređene u matrici biofilma.

Većina sastojaka unutar skupine nitritnih oksidansa su one roda Nitrospira koji se nalaze samo u unutarnjem dijelu biofilma.

- Subaerie biofilmi

Subaerie biofilme karakterizira patuljasti rast na čvrstim mineralnim površinama poput stijena i gradskih zgrada. Ti biofilmi predstavljaju dominantne asocijacije na gljivice, alge, cijanobakterije, heterotrofne bakterije, protozoje, kao i mikroskopske životinje.

Posebno, SAB biofilmi posjeduju hemitotrotrofne mikroorganizme koji su sposobni koristiti anorganske mineralne kemikalije kao izvore energije.

Chemolithotrophic mikroorganizmi imaju mogućnost za oksidaciju anorganske spojeve, kao što su H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ te iskoristiti električne potencijalne energije proizvodi oksidacije u svojim metabolizmom.

Među mikrobnim vrstama koje su prisutne u sufieralnim biofilmima su:

• Bakterije roda Geodermatophilus; cijanobakterije iz roda C hrococcoccidiopsis, kokoidne i nitaste vrste kao što su Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Zelene alge iz rodova Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia i Stichococcus.
• Heterotrofne bakterije (dominantne u sufieralnim biofilmima): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. i Rhodococcus sp.
• Kemoorganotrofne bakterije i gljivice, poput Actynomycetales (streptomicete i Geodermatophilaceae), proteobakterije, aktinobakterije, Acidobacteria i bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmovi uzročnika ljudskih bolesti

Mnoge bakterije poznate kao uzročnici ljudskih bolesti žive u biofilmima. Među njima su: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans i Legionella pneumophyla.

-Kuga

Interesantan je prijenos bubonske kuge ubodom buva, relativno nedavna adaptacija bakterijskog agensa odgovornog za ovu bolest, Yersinia pestis.

Ova bakterija raste kao biofilm vezan na gornji probavni sustav vektora (buva). Tijekom ugriza, buva regurgitira biofilm koji sadrži Yersinia pestis u dermisu, pokrećući tako infekciju.

-Hosspitalni venski kateteri

Organizmi izolirani iz biofilma na eksplicitnim središnjim venskim kateterima uključuju zadivljujući niz gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija, kao i drugih mikroorganizama.

Nekoliko znanstvenih studija navodi da su gram-pozitivne bakterije iz biofilma u venskim kateterima: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stpprecococcus. i Streptococcus pneumoniae.

Među gram-negativnim bakterijama izoliranim iz ovih biofilma navode se sljedeće: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca putpidapida, Pseudnasnas, Pseudosnas, Pseudomonas., i Serratia marcescens.

Ostali organizmi koji se nalaze u ovim biofilmima su: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis i Mycobacterium chelonei.

-U industriji

Što se tiče rada industrije, biofilmi stvaraju prepreke cijevima, oštećenja opreme, smetnje u procesima kao što su prijenosi topline kod prekrivanja površina izmjenjivača ili korozije metalnih dijelova.

Industrija hrane

Formiranje filmova u prehrambenoj industriji može stvoriti značajne javne zdravstvene i operativne probleme.

Pridruženi patogeni u biofilima mogu kontaminirati prehrambene proizvode patogenim bakterijama i uzrokovati ozbiljne probleme javnog zdravlja za potrošače.

Među biofilima patogena povezanih s prehrambenom industrijom su:

Listeria monocytogenes

Ovaj patogen koristi u početnom stadiju stvaranja biofilma, flagele i membrane proteina. Formira biofilmove na čeličnim površinama strojeva za rezanje.

U mliječnoj industriji biofilmi Listeria monocytogenes mogu se proizvesti u tekućem mlijeku i mliječnim proizvodima. Ostaci mliječnih proizvoda u cijevima, spremnicima i drugim uređajima pogoduju razvoju biofilma ovog patogena koji ih koriste kao dostupne hranjive tvari.

Pseudomonas

Biofilmi tih bakterija mogu se naći u objektima prehrambene industrije, poput podova, odvoda i na površinama hrane kao što su meso, povrće i voće, kao i niskokiselinski derivati ​​mlijeka.

Pseudomonas aeruginosa izlučuje nekoliko izvanćelijskih tvari koje se koriste u stvaranju polimernog matriksa biofilma, prianjajući uz veliku količinu anorganskih materijala, poput nehrđajućeg čelika.

Pseudomonas može postojati unutar biofilma zajedno s drugim patogenim bakterijama, kao što su Salmonella i Listeria.

Salmonela

Vrste salmonele prvi su uzročnici zoonoza bakterijske etiologije i izbijanja trovanja hranom.

Znanstvena istraživanja pokazala su da se salmonela može kao biofilmi lijepiti na betonske, čelične i plastične površine u postrojenjima za preradu hrane.

Vrste salmonele posjeduju površinske strukture s adhezivnim svojstvima. Uz to, proizvodi celulozu kao izvanćelijsku tvar, koja je glavna komponenta polimernog matriksa.

Escherichia coli

Koristi flagele i membranske proteine ​​u početnom koraku formiranja biofilma. Također proizvodi izvanćelijsku celulozu za stvaranje trodimenzionalnog okvira matrice u biofilmu.

Otpornost biofilma na dezinfekcijska sredstva, germicide i antibiotike

Biofilmi pružaju zaštitu mikroorganizmima koji ih čine, djelovanju dezinficijensa, germicida i antibiotika. Mehanizmi koji omogućuju ovu značajku su sljedeći:

• Kašnjelo prodiranje antimikrobnog sredstva kroz trodimenzionalnu matricu biofilma, zbog vrlo spora difuzija i poteškoća u postizanju učinkovite koncentracije.
• Promijenjena stopa rasta i nizak metabolizam mikroorganizama u biofilmu.
• Promjene u fiziološkim reakcijama mikroorganizama tijekom rasta biofilma, uz promijenjenu ekspresiju gena otpornosti.

Reference

1. Bakterijski biofilmi. (2008). Aktuelne teme iz mikrobiologije i imunologije. Tony Romeo urednik. Svezak 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM i Costerton, JW (2002). Biofilmi: mehanizmi preživljavanja klinički relevantnih mikroorganizama. Pregledi kliničke mikrobiologije. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC i Wingender, F. (2010). Matrica biofilma. Pregledi prirode Mikrobiologija. 8: 623-633.
4. Gorbušina, A. (2007). Život na stijenama. Mikrobiologija okoliša. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB i Kolter, R. (2000). Formiranje biofilma kao razvoj mikroba. Godišnji pregled mikrobiologije. 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW i Stoodley, P. (2004). Bakterijski biofilmi: od prirodnog okoliša do zaraznih bolesti. Pregledi prirode Mikrobiologija. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. i Mattick, J. (2002). Izvanstanični DNA potreban za stvaranje bakterijskih biofilma. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / znanost.295.5559.1487