Charakterystyka biofilmu, formacja, rodzaje i przykłady

The biofilmy o biofilmy są to zbiorowiska mikroorganizmów przyczepione do powierzchni, żyjące w samo-generowanej macierzy zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych. Początkowo opisał je Antoine von Leeuwenhoek, gdy w XVII wieku zbadał „anima” (tak przez niego ochrzczony) na tabliczce z materiału jego własnych zębów.

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

Biofilmy mogą istnieć w środowiskach tak różnych, jak systemy naturalne, akwedukty, zbiorniki do magazynowania wody, systemy przemysłowe, a także w różnych mediach, takich jak urządzenia medyczne i urządzenia do trwałości u pacjentów szpitalnych (np. Cewników)..

Dzięki zastosowaniu skaningowej mikroskopii elektronowej i konfokalnej skaningowej mikroskopii laserowej odkryto, że biofilmy nie są jednorodnymi, nieustrukturyzowanymi złożami komórek i nagromadzonego mułu, ale złożonymi strukturami heterogenicznymi.

Biofilmy są złożonymi zbiorowiskami powiązanych komórek na powierzchni, zawartych 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 rodzajów Pseudomonas i Legionella, wykorzystują strategię biofilmu w środowiskach innych niż rodzime środowiska rodzime.

Indeks

• 1 Charakterystyka biofilmów
  • 1.1 Właściwości chemiczne i fizyczne matrycy biofilmu
  • 1.2 Ekofizjologiczne cechy biofilmów
• 2 Tworzenie biofilmu
  • 2.1 Początkowa przyczepność do powierzchni
  • 2.2 Tworzenie monowarstwy i mikrokolonii w wielowarstwach
  • 2.3 Wytwarzanie polimerowej macierzy zewnątrzkomórkowej i dojrzewanie trójwymiarowego biofilmu
• 3 Rodzaje biofilmów
  • 3.1 Liczba gatunków
  • 3.2 Środowisko treningowe
  • 3.3 Typ interfejsu, w którym są generowane
• 4 Przykłady biofilmów
  • 4.1 - Płytka nazębna
  • 4.2 -Bio film w czarnej wodzie
  • 4.3 - Sub-powietrzne biofilmy
  • 4.4 - Biofilmy czynników sprawczych chorób człowieka
  • 4.5 - Dżuma dymienicza
  • 4.6 - Szpitalne cewniki żylne
  • 4.7 - W branży
• 5 Odporność biofilmów na środki dezynfekujące, środki bakteriobójcze i antybiotyki
• 6 referencji

Charakterystyka biofilmów

Właściwości chemiczne i fizyczne matrycy biofilmu

-Pozakomórkowe substancje polimerowe wydzielane przez mikroorganizmy biofilmu, makrocząsteczki polisacharydów, białek, kwasów nukleinowych, lipidów i innych biopolimerów, z których większość jest bardzo hydrofilowa, sieciuje tworząc trójwymiarową strukturę zwaną macierzą biofilmu..

-Struktura matrycy jest wysoce lepkosprężysta, ma właściwości gumowe, jest odporna na trakcję i pęknięcie mechaniczne.

-Matryca ma zdolność przylegania do powierzchni międzyfazowych, w tym przestrzeni wewnętrznych porowatych ośrodków, poprzez zewnątrzkomórkowe polisacharydy, które działają jako przylegające dziąsła.

-Matryca polimerowa jest głównie anionowa i obejmuje także substancje nieorganiczne, takie jak kationy metali.

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

-Ta matryca biofilmu działa jako środek ochrony i przetrwania w niekorzystnych środowiskach, bariera przed najeźdźcami fagocytarnymi oraz przed wejściem i dyfuzją środków dezynfekujących i antybiotyków.

Ekofizjologiczne właściwości biofilmów

-Powstawanie matrycy w niejednorodnych gradientach wytwarza różnorodne mikrosiedliska, co pozwala na istnienie bioróżnorodności w biofilmie.

-W macierzy komórkowy sposób życia jest radykalnie odmienny od wolnego życia, nie jest związany. Mikroorganizmy biofilmu są unieruchomione, bardzo blisko siebie, związane w koloniach; fakt ten pozwala na wystąpienie intensywnych interakcji.

-Interakcje między mikroorganizmami biofilmu obejmują komunikację za pomocą sygnałów chemicznych w kodzie zwanym „quorum sensing”.

-Istnieją inne ważne interakcje, takie jak transfer genów i tworzenie synergicznych mikroprzedsiębiorców.

-Fenotyp biofilmu można opisać w kategoriach genów wyrażanych przez powiązane komórki. Ten fenotyp jest zmieniony w odniesieniu do szybkości wzrostu i transkrypcji genetycznej.

-Organizmy w biofilmie mogą transkrybować geny, które nie transkrybują swoich planktonowych lub wolnych form życia.

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

-W ograniczonej przestrzeni matrycy istnieją mechanizmy współpracy i konkurencji. Konkurencja powoduje ciągłą adaptację populacji biologicznych.

-Powstaje zbiorowy zewnętrzny układ trawienny, który zatrzymuje enzymy zewnątrzkomórkowe w pobliżu komórek.

-Ten system enzymatyczny pozwala na sekwestrację, gromadzenie i metabolizowanie, rozpuszczanie, koloidalne i / lub zawieszone składniki odżywcze.

-Matryca funkcjonuje jako wspólna zewnętrzna strefa recyklingu, przechowująca składniki lizowanych komórek, służąca również jako zbiorcze archiwum genetyczne.

-Biofilm działa jako ochronna bariera strukturalna przed zmianami środowiskowymi, takimi jak suszenie, działanie biocydów, antybiotyki, reakcje odpornościowe gospodarza, środki utleniające, kationy metali, promieniowanie ultrafioletowe, a także stanowi ochronę przed wieloma drapieżnikami, takimi jak pierwotniaki fagocytarne i owady.

-Matryca biofilmu stanowi unikalne środowisko ekologiczne dla mikroorganizmów, które umożliwia dynamiczny sposób życia społeczności biologicznej. Biofilmy są prawdziwymi mikroekosystemami.

Tworzenie biofilmu

Tworzenie biofilmów jest procesem, w którym mikroorganizmy przenoszą się z nomadycznego jednokomórkowego, wolnego życia do wielokomórkowego osiadłego stanu, w którym późniejszy wzrost wytwarza strukturyzowane społeczności o zróżnicowaniu komórkowym.

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

Naukowcy, którzy badali biofilmy, zgadzają się, że możliwe jest skonstruowanie uogólnionego modelu hipotetycznego w celu wyjaśnienia ich powstawania.

Ten model tworzenia biofilmu składa się z 5 etapów:

1. Początkowa przyczepność do powierzchni.
2. Powstawanie monowarstwy.
3. Migracja w celu utworzenia mikrokolonii w wielowarstwach.
4. Wytwarzanie polimerowej macierzy zewnątrzkomórkowej.
5. Dojrzewanie trójwymiarowego biofilmu.

Początkowa przyczepność do powierzchni

Tworzenie biofilmu rozpoczyna się od początkowej adhezji mikroorganizmów do stałej powierzchni, gdzie są unieruchomione. Odkryto, że mikroorganizmy mają czujniki powierzchniowe i że białka powierzchniowe biorą udział w tworzeniu matrycy.

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

W przypadku gatunków ruchomych poszczególne mikroorganizmy znajdują się na powierzchni i jest to punkt wyjścia do radykalnej zmiany w ich nomadycznym, mobilnym stylu życia, siedzącym, prawie siedzącym.

Utrata zdolności ruchowej, ponieważ w tworzeniu matrycy uczestniczą różne struktury, takie jak wici, rzęski, pilus i fimbrias, oprócz substancji klejących.

Następnie, w obu przypadkach (mikroorganizmy ruchome i niemobilne), tworzą się małe agregaty lub mikrokolonie i generowany jest bardziej intensywny kontakt komórka-komórka; Adaptacyjne zmiany fenotypowe zachodzą w nowym środowisku, w zgrupowanych komórkach.

Powstawanie monowarstwy i mikrokolonii w wielowarstwach

Rozpoczyna się wytwarzanie zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych, zachodzi początkowe tworzenie monowarstwy i dalszy rozwój w wielowarstwach.

Wytwarzanie polimerowej macierzy zewnątrzkomórkowej i dojrzewanie trójwymiarowego biofilmu

Wreszcie, biofilm osiąga stadium dojrzałości, dzięki trójwymiarowej architekturze i obecności kanałów, przez które krąży woda, składniki odżywcze, chemiczne związki komunikacyjne i kwasy nukleinowe..

Matryca biofilmu zatrzymuje komórki i utrzymuje je razem, promując wysoki stopień interakcji z komunikacją międzykomórkową i tworzenie synergicznych konsorcjów. Komórki biofilmu nie są całkowicie unieruchomione, mogą się w nim poruszać, a także odrywać się.

Rodzaje biofilmów

Liczba gatunków

W zależności od liczby gatunków biorących udział w biofilmie, te ostatnie można podzielić na:

• Biofilmy gatunku. Na przykład biofilmy utworzone przez Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
• Biofilmy dwóch gatunków. Na przykład skojarzenie Streptococcus mutans i Vellionela parvula w biofilmach.
• Biofilmy wielobakteryjne, złożone z wielu gatunków. Na przykład płytka nazębna.

Środowisko treningowe

Również w zależności od środowiska, w którym powstają, biofilmy mogą być:

• Naturalne
• Przemysłowe
• Domowe
• Szpitale

Typ interfejsu, w którym są generowane

Z drugiej strony, w zależności od typu interfejsu, na którym są tworzone, możliwe jest ich sklasyfikowanie w:

• Biofilmy międzyfazowe ciało stałe-ciecz, jak te utworzone w akwedukty i zbiorniki, rury i zbiorniki wodne w ogóle.
• Biofilmy międzyfazowe z gazem stałym (SAB za skróty w języku angielskim Sub Aereal Biofilms); które są społecznościami drobnoustrojów, które rozwijają się na stałych powierzchniach mineralnych, narażonych bezpośrednio na atmosferę i promieniowanie słoneczne. Znajdują się między innymi w budynkach, nagich skałach pustyni, górach.

Przykłady biofilmów

-Płytka nazębna

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

Mikroorganizmy płytki nazębnej są bardzo zróżnicowane i biofilm ma od 200 do 300 gatunków.

Wśród tych mikroorganizmów są:

• Płeć Streptococcus; składa się z bakterii kwasowych, które demineralizują szkliwo i zębinę oraz inicjują próchnicę. Na przykład gatunek: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis i S. Milleri.
• Płeć Lactobacillus, utworzone przez kwasofilne bakterie denaturujące białek zębiny. Na przykład gatunek: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Płeć Actinomyces, które są mikroorganizmami kwaśnymi i proteolitycznymi. Wśród nich gatunek: viscosus, A. odontoliticus i A. naeslundii.
• I inne gatunki, jak: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis i Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy w czarnej wodzie

Innym interesującym przykładem są ścieki domowe, w których żyją w biofilmach przyłączonych do rur, mikroorganizmy nitryfikujące utleniające amon, azotyn i autotroficzne bakterie nitryfikacyjne.

Wśród bakterii utleniających amon w tych biofilmach znajdują się jako gatunki dominujące numerycznie, gatunki z rodzaju Nitrosomonas, rozmieszczone w matrycy biofilmu.

Głównymi składnikami w grupie utleniaczy azotynowych są te z rodzaju Nitrospira, które znajdują się tylko w wewnętrznej części biofilmu.

-Sub-powietrzne biofilmy

Biofilmy subarafinowe charakteryzują się wzrostem plam na stałych powierzchniach mineralnych, takich jak skały i konstrukcje miejskie. Te biofilmy mają dominujące związki grzybów, glonów, sinic, bakterii heterotroficznych, pierwotniaków, a także zwierząt mikroskopowych.

W szczególności biofilmy SAB zawierają mikroorganizmy chemolitotroficzne, zdolne do wykorzystywania mineralnych nieorganicznych substancji chemicznych jako źródeł energii.

Mikroorganizmy chemolitotroficzne mają zdolność utleniania związków nieorganicznych, takich jak H₂, NH₃, NIE₂, S, HS, Wiara²⁺ i wykorzystywać produkt energii elektrycznej potencjału utleniania w ich metabolizmie.

Wśród gatunków drobnoustrojów obecnych w biofilmach podszerstych są:

• Bakterie z rodzaju Geodermatophilus; cyjanobakterie z rodzaju Chococcoccidiopsis, gatunki kokosowe i nitkowate Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Zielone algi z rodzajów Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia i Stichococcus.
• Bakterie heterotroficzne (dominujące w biofilmach subaeralnych): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. i Rhodococcus sp.
• Chemogorganotroficzne bakterie i grzyby jak Actynomycetales (streptomycetes i Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria i bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmy czynników sprawczych chorób człowieka

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

-Dżuma dymienicza

Interesujące jest przenoszenie dżumy dymieniczej przez ugryzienie pcheł, stosunkowo niedawna adaptacja przyczynowego czynnika bakteryjnego tej choroby, Yersinia pestis.

Bakteria ta rośnie jako biofilm przyłączony do górnego układu pokarmowego wektora (pchły). Podczas ugryzienia pchła przywraca zawierający biofilm Yersinia pestis w skórze właściwej i tak zaczyna się infekcja.

-Szpitalne cewniki żylne

Wśród organizmów wyizolowanych z biofilmów w eksplantowanych cewnikach żylnych centralnych występuje zadziwiająca różnorodność bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, a także innych mikroorganizmów..

Kilka badań naukowych donosi, że bakterie Gram-dodatnie biofilmów w cewnikach żylnych: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. i Streptococcus pneumoniae.

Wśród bakterii Gram-ujemnych wyizolowanych z tych biofilmów podano: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. i Serratia marcescens.

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

-W branży

Jeśli chodzi o funkcjonalność przemysłu, biofilmy generują przeszkody w rurach, uszkodzenia sprzętu, zakłócenia w procesach, takich jak wymiana ciepła podczas pokrywania powierzchni wymiennika, lub korozja części metalowych.

Przemysł spożywczy

Powstawanie filmów w gałęziach przemysłu spożywczego może generować ważne problemy operacyjne i zdrowia publicznego.

Powiązane patogeny w biofilmach mogą zanieczyszczać produkty żywnościowe bakteriami chorobotwórczymi i powodować poważne problemy zdrowia publicznego u konsumentów.

Wśród biofilmów patogenów związanych z przemysłem spożywczym są:

Listeria monocytogenes

Ten patogen wykorzystuje w początkowej fazie tworzenia biofilmu, wici i białek błonowych. Tworzą biofilmy na stalowych powierzchniach krajalnic.

W przemyśle mleczarskim można wytwarzać biofilmy Listeria monocytogenes 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 spp.

Biofilmy tych bakterii można znaleźć w obiektach przemysłu spożywczego, takich jak podłogi, dreny i powierzchnie żywności, takie jak mięso, warzywa i owoce, a także pochodne o niskiej kwasowości mleka..

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

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

Salmonella spp.

Gatunek Salmonella są pierwszym czynnikiem przyczynowym chorób odzwierzęcych o etiologii bakteryjnej i ognisk zatrucia pokarmowego.

Badania naukowe wykazały, że Salmonella może przylegać w postaci biofilmów do powierzchni cementu, stali i tworzyw sztucznych obiektów zakładów przetwórstwa spożywczego.

Gatunek Salmonella Mają struktury powierzchni o właściwościach przylegających. 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 także pozakomórkową celulozę, aby wytworzyć trójwymiarową sieć matrycy w biofilmie.

Odporność biofilmów na środki dezynfekujące, środki bakteriobójcze i antybiotyki

Biofilmy zapewniają ochronę drobnoustrojom, które ją tworzą, działanie środków dezynfekujących, środków bakteriobójczych i antybiotyków. Mechanizmy, które umożliwiają tę funkcję, są następujące:

• Opóźniona penetracja środka przeciwbakteryjnego przez trójwymiarową matrycę biofilmu, przez bardzo powolną dyfuzję i trudność w osiągnięciu skutecznego stężenia.
• Zmieniona szybkość wzrostu i niski metabolizm mikroorganizmów w biofilmie.
• Zmiany w reakcjach fizjologicznych drobnoustrojów podczas wzrostu biofilmu, z ekspresją zmienionych genów odporności.

Referencje

1. Bakteryjne biofilmy. (2008). Aktualne tematy w mikrobiologii i immunologii. Tony Romeo Editor. Tom 322. Berlin, Hanower: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. i Costerton, J.W. (2002). Biofilmy: mechanizmy przetrwania istotnych klinicznie mikroorganizmów. Recenzje mikrobiologii klinicznej.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. i Wingender, F. (2010). Matryca biofilmu. Nature Reviews Microbiology. 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, H.B. i Kolter, R. (2000). Tworzenie biofilmu jako rozwój mikrobiologiczny. Annual Review of Microbiology.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. i Stoodley, P. (2004). Biofilmy bakteryjne: od środowiska naturalnego po choroby zakaźne. Nature Reviews Microbiology. 2: 95-108.
7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. i Mattick, J. (2002). Pozakomórkowy DNA wymagany do tworzenia biofilmu bakteryjnego. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / nauka.295.5559.1487