BIOFILMY: CHARAKTERYSTYKA, TWORZENIE, RODZAJE I PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2026

W biofilm lub biofilm zbiorowiska mikroorganizmów przymocowany do powierzchni, żyjące w macierzy pozakomórkowej substancji polimerowych siebie - wygenerowany. Zostały one po raz pierwszy opisane przez Antoine von Leeuwenhoek, kiedy badał „zwierzęce kuleczki” (tak nazwane jego imieniem) na płytce materiału z własnych zębów w XVII wieku.

Teoria, która konceptualizuje biofilmy i opisuje proces ich powstawania, została opracowana dopiero w 1978 roku. Odkryto, że zdolność mikroorganizmów do tworzenia biofilmów wydaje się być uniwersalna.

Rycina 1. Biofilm wytwarzany przez Staphylococcus aureus w cewniku. Źródło: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. za pośrednictwem https://commons.wikimedia.org

Biofilmy mogą występować w tak zróżnicowanych środowiskach, jak systemy naturalne, akwedukty, zbiorniki do przechowywania wody, systemy przemysłowe, a także w wielu różnych mediach, takich jak wyroby medyczne i urządzenia do trwałości u pacjentów szpitalnych (na przykład cewniki).

Dzięki zastosowaniu skaningowej mikroskopii elektronowej i konfokalnej skaningowej mikroskopii laserowej odkryto, że biofilmy nie są jednorodnymi, nieustrukturyzowanymi osadami komórek i nagromadzonym mułem, ale raczej złożonymi, heterogenicznymi strukturami.

Biofilmy to złożone skupiska powiązanych komórek na powierzchni, osadzone w silnie uwodnionej matrycy polimerowej, której woda krąży przez otwarte kanały struktury.

Wiele organizmów, którym udało się przetrwać miliony lat w środowisku, na przykład gatunki z rodzajów Pseudomonas i Legionella, stosuje strategię biofilmu w środowiskach innych niż rodzime.

Charakterystyka biofilmów

Właściwości chemiczne i fizyczne macierzy biofilmu

-Polimeryczne substancje zewnątrzkomórkowe wydzielane przez mikroorganizmy biofilmu, makrocząsteczki polisacharydów, białka, kwasy nukleinowe, lipidy i inne biopolimery, w większości wysoce hydrofilowe cząsteczki, krzyżują się, tworząc trójwymiarową strukturę zwaną macierzą biofilmu.

-Struktura matrycy jest wysoce lepkosprężysta, posiada właściwości gumowe, jest odporna na rozciąganie i uszkodzenia mechaniczne.

-Matryca ma zdolność przylegania do powierzchni styku, w tym do wewnętrznych przestrzeni porowatych mediów, poprzez zewnątrzkomórkowe polisacharydy, które działają jak przylegające dziąsła.

- Matryca polimerowa jest przeważnie anionowa i zawiera również substancje nieorganiczne, takie jak kationy metali.

-Ma kanały wodne, przez które krąży tlen, składniki odżywcze i substancje odpadowe, które można poddać recyklingowi.

-Ta macierz biofilmu działa jako środek ochrony i przetrwania przed niekorzystnym środowiskiem, bariera przed najeźdźcami fagocytarnymi oraz przed wlotem i dyfuzją środków dezynfekujących i antybiotyków.

Ekofizjologiczna charakterystyka biofilmów

- Tworzenie matrycy w niejednorodnych gradientach powoduje powstanie różnorodnych mikrosiedlisk, co umożliwia istnienie bioróżnorodności w biofilmie.

-W obrębie matrycy komórkowa forma życia jest radykalnie różna od wolnego życia, nie jest związana. Mikroorganizmy biofilmu są unieruchomione, bardzo blisko siebie, zrzeszone w koloniach; fakt ten umożliwia intensywne interakcje.

- Interakcje między mikroorganizmami w biofilmie obejmują komunikację poprzez sygnały chemiczne w kodzie zwanym „quorum sensing”.

-Istnieją inne ważne interakcje, takie jak transfer genów i tworzenie synergistycznych mikrokonsorcjów.

- Fenotyp biofilmu można opisać za pomocą genów wyrażanych przez powiązane komórki. Ten fenotyp jest zmieniony pod względem szybkości wzrostu i transkrypcji genów.

- Organizmy w obrębie biofilmu mogą transkrybować geny, które nie dokonują transkrypcji ich planktonowych lub wolnych form życia.

-Proces tworzenia biofilmu jest regulowany przez określone geny, transkrybowane podczas początkowej adhezji komórek.

- W ograniczonej przestrzeni matrycy istnieją mechanizmy współpracy i rywalizacji. Konkurencja generuje ciągłą adaptację w populacjach biologicznych.

- Generowany jest zbiorowy zewnętrzny układ pokarmowy, który zatrzymuje enzymy zewnątrzkomórkowe w pobliżu komórek.

-Ten system enzymatyczny umożliwia sekwestrowanie, gromadzenie i metabolizowanie rozpuszczonych, koloidalnych i / lub zawieszonych składników odżywczych.

-Macierz funkcjonuje jako wspólny obszar zewnętrznego recyklingu, przechowywania składników zlizowanych komórek, służący również jako zbiorowe archiwum genetyczne.

- Biofilm działa jako ochronna bariera strukturalna przed zmianami środowiskowymi, takimi jak wysychanie, działanie biocydów, antybiotyków, odpowiedzi immunologiczne żywiciela, utleniacze, kationy metali, promieniowanie ultrafioletowe, a także stanowi ochronę przed wieloma drapieżnikami, takimi jak pierwotniaki fagocytarne i owady.

-Macierz biofilmu stanowi wyjątkowe środowisko ekologiczne dla mikroorganizmów, które umożliwia dynamiczny tryb życia społeczności biologicznej. Biofilmy to prawdziwe mikroekosystemy.

Tworzenie biofilmu

Tworzenie biofilmu to proces, w którym mikroorganizmy przechodzą od wolno żyjącego, koczowniczego stanu jednokomórkowego do wielokomórkowego stanu osiadłego, w którym późniejszy wzrost wytwarza strukturyzowane społeczności z różnicowaniem komórkowym.

Rozwój biofilmu następuje w odpowiedzi na pozakomórkowe sygnały środowiskowe i sygnały generowane samodzielnie.

Naukowcy, którzy badali biofilmy, są zgodni, że możliwe jest skonstruowanie uogólnionego hipotetycznego modelu wyjaśniającego ich powstawanie.

Ten model tworzenia biofilmu składa się z 5 etapów:

1. Początkowa przyczepność do podłoża.
2. Tworzenie monowarstwy.
3. Migracja do wielowarstwowych mikrokolonii.
4. Produkcja polimerycznej macierzy zewnątrzkomórkowej.
5. Dojrzewanie trójwymiarowego biofilmu.

Rysunek 2. Proces tworzenia się biofilmu. Źródło: D. Davis, za Wikimedia Commons

Początkowa przyczepność do podłoża

Tworzenie się biofilmu rozpoczyna się od początkowego przylegania mikroorganizmów do powierzchni ciała stałego, gdzie są one unieruchamiane. Odkryto, że mikroorganizmy mają czujniki powierzchniowe i że białka powierzchniowe biorą udział w tworzeniu matrycy.

W organizmach niemobilnych, gdy warunki środowiskowe są sprzyjające, wzrasta produkcja adhezyn na ich powierzchni zewnętrznej. W ten sposób zwiększa swoją zdolność adhezji komórka-komórka i powierzchnia komórki.

W przypadku gatunków mobilnych poszczególne mikroorganizmy lokują się na powierzchni i jest to punkt wyjścia do radykalnej zmiany ich sposobu życia z koczowniczego wolno ruchomego na siedzący, prawie siedzący.

W związku z tym zdolność do poruszania się jest tracona w tworzeniu się macierzy, oprócz substancji adhezyjnych uczestniczą różne struktury, takie jak wici, rzęski, pilusy i fimbrie.

Następnie w obu przypadkach (mikroorganizmy ruchome i nieruchome) tworzą się małe skupiska lub mikrokolonie i następuje intensywniejszy kontakt komórka-komórka; adaptacyjne zmiany fenotypowe w nowym środowisku zachodzą w skupionych komórkach.

Tworzenie monowarstwy i mikrokolonii w wielowarstwach

Rozpoczyna się produkcja pozakomórkowych substancji polimerowych, następuje początkowe tworzenie się w monowarstwie, a następnie rozwój w wielowarstwowej.

Produkcja polimerowej macierzy zewnątrzkomórkowej i dojrzewanie trójwymiarowego biofilmu

W końcu biofilm osiąga etap dojrzałości, z trójwymiarową architekturą i obecnością kanałów, przez które krążą woda, składniki odżywcze, substancje komunikacyjne i kwasy nukleinowe.

Macierz biofilmu zatrzymuje komórki i utrzymuje je razem, sprzyjając wysokiemu stopniowi interakcji z komunikacją międzykomórkową i tworzeniu synergistycznych konsorcjów. Komórki biofilmu nie są całkowicie unieruchomione, mogą się w nim poruszać, a także odłączać.

Rodzaje biofilmów

Liczba gatunków

W zależności od liczby gatunków uczestniczących w biofilmie, ten ostatni można podzielić na:

• Biofilmy gatunku. Na przykład biofilmy utworzone przez Streptococcus mutans lub Vellionela parvula.
• Biofilmy dwóch gatunków. Na przykład odkryto również powiązanie Streptococcus mutans i Vellionella parvula w biofilmach.
• Biofilmy z wielu drobnoustrojów, złożone z wielu gatunków . Na przykład płytka nazębna.

Środowisko treningowe

Również w zależności od środowiska, w którym powstają, biofilm może być:

• Naturalny
• Przemysłowy
• Krajowy
• Gościnny

Rysunek 3. Biofilmy bakterii termofilnych w Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Źródło: Amateria1121, źródło Wikimedia Commons

Typ interfejsu, w którym są generowane

Z drugiej strony, ze względu na rodzaj interfejsu, w którym powstają, można je podzielić na:

• Biofilmy na granicy faz ciało stałe-ciecz , takie jak te utworzone w akweduktach i zbiornikach, rurach i ogólnie zbiornikach wodnych.
• Biofilmy na styku gazu stałego (SAB od akronimu w języku angielskim Sub Aereal Biofilms); które są zbiorowiskami drobnoustrojów rozwijającymi się na stałych powierzchniach mineralnych, bezpośrednio wystawionych na działanie atmosfery i promieniowania słonecznego. Występują między innymi w budynkach, nagich pustynnych skałach, górach.

Przykłady biofilmów

- Płytka nazębna

Badano płytkę nazębną jako interesujący przykład złożonej społeczności żyjącej w biofilmach. Biofilmy płytek zębowych są twarde i nieelastyczne ze względu na obecność soli nieorganicznych, które nadają sztywności matrycy polimerowej.

Mikroorganizmy płytki nazębnej są bardzo zróżnicowane i w biofilmie występuje od 200 do 300 gatunków powiązanych.

Wśród tych mikroorganizmów są:

• Rodzaj Streptococcus ; składa się z kwaśnych bakterii, które demineralizują szkliwo i zębinę oraz inicjują próchnicę zębów. Na przykład gatunki: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis i S. milleri.
• Rodzaj Lactobacillus , składający się z acidofilnych bakterii denaturujących białka zębiny. Na przykład gatunki: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Z rodzaju Actinomyces , które są mikroorganizmami kwaśnymi i proteolitycznymi. Wśród nich gatunki: Viscosus, A. odontoliticus i A. naeslundii.
• Oraz inne rodzaje , takie jak: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis i Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy w czarnej wodzie

Innym interesującym przykładem są ścieki bytowe, w których mikroorganizmy nitryfikacyjne utleniające amon, azotyny i bakterie autotroficzne nitryfikacyjne żyją w biofilmach przyczepionych do rur.

Wśród bakterii utleniających amon w tych biofilmach dominującymi liczbowo są gatunki z rodzaju Nitrosomonas, rozmieszczone w macierzy biofilmu.

Większość składników w grupie utleniaczy azotynowych to te z rodzaju Nitrospira, które znajdują się jedynie w wewnętrznej części biofilmu.

- Biofilmy Subaerie

Biofilmy subaerie charakteryzują się nieregularnym wzrostem na stałych powierzchniach mineralnych, takich jak skały i budynki miejskie. W biofilmach tych dominują grzyby, glony, sinice, bakterie heterotroficzne, pierwotniaki, a także mikroskopijne zwierzęta.

W szczególności biofilmy SAB zawierają mikroorganizmy chemolitotroficzne, zdolne do wykorzystywania nieorganicznych związków mineralnych jako źródła energii.

Mikroorganizmy chemolitotroficzne mają zdolność utleniania związków nieorganicznych, takich jak H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ i wykorzystywania potencjału energii elektrycznej wytwarzanej przez utlenianie w ich metabolizmie.

Wśród gatunków drobnoustrojów obecnych w subaerialnych biofilmach są:

• Bakterie z rodzaju Geodermatophilus; cyjanobakterie z rodzaju C hrococcoccidiopsis, coccoid i gatunki nitkowate, takie jak Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Glony zielone z rodzajów Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia i Stichococcus.
• Bakterie heterotroficzne (dominujące w biofilmach subaerialnych): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. i Rhodococcus sp.
• Bakterie i grzyby chemoorganotroficzne, takie jak Actynomycetales (Streptomycetes i Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria i Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Filmy biologiczne czynników wywołujących choroby człowieka

Wiele bakterii znanych jako czynniki wywołujące choroby ludzkie żyje w biofilmach. Należą do nich: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans i Legionella pneumophyla.

-Dżuma

Interesujące jest przenoszenie dżumy dymieniczej przez ukąszenie pcheł, stosunkowo niedawną adaptację czynnika bakteryjnego odpowiedzialnego za tę chorobę, Yersinia pestis.

Bakteria ta rośnie jako biofilm przyczepiony do górnego układu pokarmowego wektora (pchły). Podczas ukąszenia pchła wyrzuca biofilm zawierający Yersinia pestis w skórze właściwej, inicjując w ten sposób infekcję.

-Szpitalnych cewników żylnych

Organizmy wyizolowane z biofilmu z usuniętych centralnych cewników żylnych obejmują zadziwiający zestaw bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, a także innych mikroorganizmów.

W kilku badaniach naukowych opisano bakterie Gram-dodatnie biofilmów w cewnikach żylnych: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. i Streptococcus pneumoniae.

Wśród bakterii Gram-ujemnych wyizolowanych z tych biofilmów są następujące: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. . i Serratia marcescens.

Inne organizmy występujące w tych biofilmach to: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis i Mycobacterium chelonei.

-W przemyśle

Jeśli chodzi o działalność przemysłu, biofilmy powodują zatykanie rur, uszkodzenia sprzętu, zakłócenia w procesach, takich jak przenoszenie ciepła podczas pokrywania powierzchni wymienników lub korozję części metalowych.

Przemysł spożywczy

Tworzenie się filmu w przemyśle spożywczym może powodować poważne problemy zdrowotne i operacyjne.

Powiązane patogeny w biofilmach mogą zanieczyścić produkty spożywcze bakteriami chorobotwórczymi i spowodować poważne problemy zdrowotne konsumentów.

Wśród biofilmów patogenów związanych z przemysłem spożywczym są:

Listeria monocytogenes

Patogen ten wykorzystuje w początkowej fazie tworzenia biofilmu wici i białka błonowe. Tworzy biofilmy na stalowych powierzchniach krajalnic.

W przemyśle mleczarskim biofilmy Listeria monocytogenes mogą być wytwarzane w płynnym mleku i produktach mlecznych. Pozostałości mleczne w rurach, zbiornikach, pojemnikach i innych urządzeniach sprzyjają rozwojowi biofilmów tego patogenu, który wykorzystuje je jako dostępne składniki odżywcze.

Pseudomonas

Biofilmy tych bakterii można znaleźć w obiektach przemysłu spożywczego, takich jak podłogi, odpływy i na powierzchniach spożywczych, takich jak mięso, warzywa i owoce, a także na niskokwasowych pochodnych mleka.

Pseudomonas aeruginosa wydziela kilka substancji zewnątrzkomórkowych, które są wykorzystywane do tworzenia polimerowej matrycy biofilmu, przylegając do dużej ilości materiałów nieorganicznych, takich jak stal nierdzewna.

Pseudomonas może współistnieć w biofilmie w połączeniu z innymi patogennymi bakteriami, takimi jak Salmonella i Listeria.

Salmonella

Gatunki Salmonella są pierwszym czynnikiem wywołującym choroby odzwierzęce o etiologii bakteryjnej i ogniskami zatruć pokarmowych.

Badania naukowe wykazały, że Salmonella może przywierać jako biofilm do powierzchni betonowych, stalowych i plastikowych w zakładach przetwórstwa spożywczego.

Gatunki Salmonella posiadają struktury powierzchniowe o właściwościach adhezyjnych. Dodatkowo wytwarza celulozę jako substancję zewnątrzkomórkową, która jest głównym składnikiem matrycy polimerowej.

Escherichia coli

Wykorzystuje wici i białka błonowe w początkowym etapie tworzenia biofilmu. Wytwarza również pozakomórkową celulozę, aby wygenerować trójwymiarową strukturę macierzy w biofilmie.

Odporność biofilmów na środki dezynfekujące, bakteriobójcze i antybiotyki

Biofilmy zapewniają ochronę mikroorganizmom, które je tworzą, przed działaniem środków dezynfekujących, środków bakteriobójczych i antybiotyków. Mechanizmy, które umożliwiają tę funkcję, są następujące:

• Opóźniona penetracja środka przeciwdrobnoustrojowego przez trójwymiarową matrycę biofilmu z powodu bardzo powolnej dyfuzji i trudności w osiągnięciu skutecznego stężenia.
• Zmienione tempo wzrostu i niski metabolizm mikroorganizmów w biofilmie.
• Zmiany w reakcjach fizjologicznych mikroorganizmów podczas wzrostu biofilmu ze zmienioną ekspresją genów oporności.

Bibliografia

1. Biofilmy bakteryjne. (2008). Aktualne zagadnienia z mikrobiologii i immunologii. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM i Costerton, JW (2002). Biofilmy: mechanizmy przeżycia mikroorganizmów o znaczeniu klinicznym. Recenzje mikrobiologii klinicznej. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC i Wingender, F. (2010). Macierz biofilmu. Nature Recenzje Mikrobiologia. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Życie na skałach. Mikrobiologia środowiskowa. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB i Kolter, R. (2000). Tworzenie biofilmu jako rozwój drobnoustrojów. Annual Review of Microbiology.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW i Stoodley, P. (2004). Biofilmy bakteryjne: od środowiska naturalnego po choroby zakaźne. Nature Recenzje Mikrobiologia. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Zewnątrzkomórkowe DNA wymagane do tworzenia biofilmu bakteryjnego. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487