Vlastnosti, tvorba, typy a příklady biofilmů

1861
Egbert Haynes

The biofilmy nebo biofilmy Jsou to společenství mikroorganismů připojených k povrchu, žijící v samo-generované matrici extracelulárních polymerních látek. Původně je popsal Antoine von Leeuwenhoek, když v 17. století zkoumal „animalcules“ (tedy jím pojmenované), na desce materiálu z vlastních zubů..

Teorie, která konceptualizuje biofilmy a popisuje jejich proces formování, byla vyvinuta až v roce 1978. Bylo zjištěno, že schopnost mikroorganismů tvořit biofilmy se jeví jako univerzální..

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

Biofilmy mohou existovat v různých prostředích, jako jsou přírodní systémy, vodovody, zásobníky vody, průmyslové systémy, stejně jako v široké škále médií, jako jsou zdravotnické prostředky a zařízení pro trvalou péči u pacientů v nemocnici (například katétry)..

Pomocí skenovací elektronové mikroskopie a konfokální skenovací laserové mikroskopie bylo zjištěno, že biofilmy nejsou homogenní, nestrukturované depozity buněk a nahromaděného bahna, ale spíše složité heterogenní struktury..

Biofilmy jsou složitá společenství asociovaných buněk na povrchu, uzavřená ve vysoce hydratované polymerní matrici, jejíž voda cirkuluje otevřenými kanály struktury..

Mnoho organismů, které úspěšně přežily miliony let v životním prostředí, například druhy rodů Pseudomonas Y Legionella, používat strategii biofilmu v jiných prostředích, než jsou jejich nativní nativní prostředí.

Rejstřík článků

  • 1 Vlastnosti biofilmů
    • 1.1 Chemické a fyzikální vlastnosti matrice biofilmu
    • 1.2 Ekofyziologické vlastnosti biofilmů
  • 2 Tvorba biofilmu
    • 2.1 Počáteční přilnavost k povrchu
    • 2.2 Tvorba monovrstvy a mikrokolonií ve více vrstvách
    • 2.3 Výroba polymerní extracelulární matrice a zrání trojrozměrného biofilmu
  • 3 typy biofilmů
    • 3.1 Počet druhů
    • 3.2 Školicí prostředí
    • 3.3 Typ rozhraní, kde jsou generovány
  • 4 Příklady biofilmů
    • 4.1 - Zubní plak
    • 4,2 - Biofilmy v černé vodě
    • 4.3 - subaeriální biofilmy
    • 4,4 -Biofilmy původců lidských onemocnění
    • 4,5 -Bubonický mor
    • 4,6 -Nemocniční žilní katétry
    • 4,7 - V průmyslu
  • 5 Odolnost biofilmů vůči dezinfekčním prostředkům, germicidům a antibiotikům
  • 6 Reference

Vlastnosti biofilmu

Chemické a fyzikální vlastnosti matrice biofilmu

-Polymerní extracelulární látky vylučované biofilmovými mikroorganismy, polysacharidovými makromolekulami, proteiny, nukleovými kyselinami, lipidy a dalšími biopolymery, většinou vysoce hydrofilní molekuly, přecházejí a vytvářejí trojrozměrnou strukturu zvanou matice biofilmu..

-Struktura matrice je vysoce viskoelastická, má gumové vlastnosti, je odolná proti tahu a mechanickému poškození.

-Matrice má schopnost adherovat na povrchy rozhraní, včetně vnitřních prostorů porézního média, prostřednictvím extracelulárních polysacharidů, které působí jako přilnavé gumy..

-Polymerní matrice je převážně aniontová a zahrnuje také anorganické látky, jako jsou kationty kovů..

-Má vodní kanály, kterými cirkulují kyslík, živiny a odpadní látky, které lze recyklovat..

-Tato matice biofilmu funguje jako prostředek ochrany a přežití před nepříznivým prostředím, bariéra proti fagocytujícím útočníkům a proti vstupu a šíření dezinfekčních prostředků a antibiotik..

Ekofyziologické vlastnosti biofilmů

-Tvorba matrice v nehomogenních gradientech produkuje řadu mikrohabitatů, což umožňuje existenci biologické rozmanitosti v biofilmu..

-V matici je buněčná forma života radikálně odlišná od volného, ​​nepřidruženého života. Mikroorganismy biofilmu jsou imobilizovány velmi blízko u sebe a jsou spojeny v koloniích; tato skutečnost umožňuje intenzivní interakce.

-Interakce mezi mikroorganismy v biofilmu zahrnují komunikaci prostřednictvím chemických signálů v kódu zvaném „snímání kvora“..

-Existují i ​​další důležité interakce, jako je přenos genů a tvorba synergických mikrokonsorcií..

-Fenotyp biofilmu lze popsat pomocí genů exprimovaných přidruženými buňkami. Tento fenotyp se mění s ohledem na rychlost růstu a genovou transkripci.

-Organismy v biofilmu mohou přepisovat geny, které nepřepisují své planktonické nebo volné formy života.

-Proces tvorby biofilmu je regulován specifickými geny, transkribovanými během počáteční buněčné adheze.

-V omezeném prostoru matice existují mechanismy spolupráce a soutěže. Konkurence vytváří neustálé přizpůsobování biologických populací.

-Vytváří se kolektivní vnější trávicí systém, který udržuje extracelulární enzymy v blízkosti buněk.

-Tento enzymatický systém umožňuje sekvestrovat, akumulovat a metabolizovat, rozpuštěné, koloidní a / nebo suspendované živiny.

-Matice funguje jako společná externí recyklační oblast, sklad komponent lyzovaných buněk a slouží také jako kolektivní genetický archiv..

-Biofilm funguje jako ochranná strukturální bariéra proti změnám prostředí, jako je vysychání, působení biocidů, antibiotik, imunitních odpovědí hostitele, oxidačních činidel, kovových kationtů, ultrafialového záření a je také obranou proti mnoha predátorům, jako jsou fagocytující prvoky a hmyz..

-Matice biofilmu představuje jedinečné ekologické prostředí pro mikroorganismy a umožňuje biologickému společenství dynamický způsob života. Biofilmy jsou skutečné mikroekosystémy.

Tvorba biofilmu

Tvorba biofilmu je proces, při kterém mikroorganismy přecházejí z volně žijícího, jednobuněčného, ​​nomádského stavu do mnohobuněčného sedavého stavu, kde následný růst vytváří strukturovaná společenství s buněčnou diferenciací.

K vývoji biofilmu dochází v reakci na extracelulární environmentální signály a samo generované signály.

Vědci, kteří studovali biofilmy, se shodují, že je možné zkonstruovat zobecněný hypotetický model vysvětlující jejich vznik.

Tento model tvorby biofilmu se skládá z 5 fází:

  1. Počáteční přilnavost k povrchu.
  2. Vytvoření monovrstvy.
  3. Migrace za vzniku vícevrstvých mikrokolonií.
  4. Produkce polymerní extracelulární matrice.
  5. Zrání trojrozměrného biofilmu.
Obrázek 2. Proces tvorby biofilmu. Zdroj: D. Davis [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], prostřednictvím Wikimedia Commons

Počáteční přilnavost k povrchu

Tvorba biofilmu začíná počáteční adhezí mikroorganismů k pevnému povrchu, kde jsou imobilizovány. Bylo objeveno, že mikroorganismy mají povrchové senzory a že povrchové proteiny se podílejí na tvorbě matrice.

U nepohyblivých organismů, pokud jsou příznivé podmínky prostředí, se zvyšuje produkce adhesinů na jejich vnějším povrchu. Tímto způsobem zvyšuje jeho kapacitu pro adhezi mezi buňkami a povrchy buněk..

V případě mobilních druhů jsou jednotlivé mikroorganismy umístěny na povrchu, a to je výchozím bodem pro radikální změnu v jejich způsobu života z kočovných volných mobilních na sedavé, téměř přisedlé.

Pohybová kapacita je ztracena, protože na tvorbě matrice se kromě adhezivních látek podílejí různé struktury, jako jsou bičíky, řasinky, pilus a fimbrie..

Poté se v obou případech (mobilní i nemobilní mikroorganismy) vytvoří malé agregáty nebo mikrokolonie a vytvoří se intenzivnější kontakt mezi buňkami; ve shlukovaných buňkách dochází k adaptivním fenotypovým změnám nového prostředí.

Tvorba monovrstvy a mikrokolonií ve více vrstvách

Zahájí se výroba extracelulárních polymerních látek, nastane počáteční tvorba v monovrstvě a následný vývoj ve více vrstvách.

Výroba polymerní extracelulární matrice a zrání trojrozměrného biofilmu

A konečně, biofilm dosáhne svého stádia dospělosti s trojrozměrnou architekturou a přítomností kanálů, kterými cirkuluje voda, živiny, komunikační chemikálie a nukleové kyseliny..

Matice biofilmu udržuje buňky a drží je pohromadě, což podporuje vysoký stupeň interakce s mezibuněčnou komunikací a vytváření synergických konsorcií. Buňky biofilmu nejsou zcela imobilizované, mohou se v něm pohybovat a také se oddělit.

Druhy biofilmů

Počet druhů

Podle počtu druhů účastnících se biofilmu lze tento film rozdělit na:

  • Biofilmy druhů. Například biofilmy vyrobené z Streptococcus mutans nebo Vellionella parvula.
  • Biofilmy dvou druhů. Například sdružení Streptococcus mutans Y Vellionella parvula v biofilmech.
  • Polymikrobiální biofilmy, složené z mnoha druhů. Například zubní plak.

Tréninkové prostředí

V závislosti na prostředí, kde se tvoří, mohou být biofilmy:

  • Přírodní
  • Průmyslový
  • Domácí
  • Pohostinný
Obrázek 3. Biofilmy termofilních bakterií v Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Zdroj: Amateria1121 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], z Wikimedia Commons

Typ rozhraní, kde jsou generovány

Na druhou stranu, v závislosti na typu rozhraní, kde jsou vytvořeny, je možné je klasifikovat do:

  • Biofilmy rozhraní pevná látka - kapalina, jako jsou ty, které se tvoří ve vodovodech a nádržích, potrubích a vodních nádržích obecně.
  • Biofilmy na rozhraní tuhých plynů (SAB za zkratku v angličtině Sub Aereal Biofilms); což jsou mikrobiální společenství vyvíjející se na pevných minerálních površích přímo vystavených atmosféře a slunečnímu záření. Vyskytují se mimo jiné v budovách, holých pouštních skalách, horách.

Příklady biofilmů

-Zubní plak

Zubní plak byl studován jako zajímavý příklad složité komunity, která žije v biofilmech. Biofilmy zubních destiček jsou tvrdé a neelastické kvůli přítomnosti anorganických solí, které dodávají polymerní matrici tuhost..

Mikroorganismy zubního plaku jsou velmi rozmanité a v biofilmu je mezi 200 až 300 přidruženými druhy.

Mezi tyto mikroorganismy patří:

  • Pohlaví Streptococcus; skládá se z kyselých bakterií, které demineralizují sklovinu a dentin a iniciují zubní kaz. Například druh: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis Y S. milleri.
  • Pohlaví Lactobacillus, skládá se z acidofilních bakterií denaturujících dentinové proteiny. Například druh: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Pohlaví Actinomyces, což jsou kyselé a proteolytické mikroorganismy. Mezi nimi jsou tyto druhy: viscosus, A. odontoliticus Y A. naeslundii.
  • A další žánry, Co: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis Y Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy v odpadních vodách

Dalším zajímavým příkladem je domácí odpadní voda, kde žijí v biofilmech připojených k potrubí, nitrifikační mikroorganismy oxidující amonium, dusitany a autotrofní nitrifikační bakterie..

Mezi bakteriemi oxidujícími amonium těchto biofilmů jsou početně dominantní druhy rodu Nitrosomonas, distribuován po celé matrici biofilmu.

Většina složek ve skupině oxidů dusitanů jsou rodu Nitrospira, které se nacházejí pouze ve vnitřní části biofilmu.

-Subaeriální biofilmy

Biofilmy subaerie se vyznačují nerovnoměrným růstem na pevných minerálních površích, jako jsou skály a městské budovy. Tyto biofilmy představují dominantní asociace hub, řas, sinic, heterotrofních bakterií, prvoků i mikroskopických zvířat..

Zejména biofilmy SAB obsahují chemolytotrofní mikroorganismy, které jsou schopné používat anorganické minerální chemikálie jako zdroje energie..

Chemolithotrophic mikroorganismy mají schopnost oxidovat anorganické sloučeniny, jako je Hdva, NH3, NEdva, S, HS, Fedva+ a využívat energii produktu elektrického potenciálu oxidací v jejich metabolismu.

Mezi mikrobiální druhy přítomné v subaeriálních biofilmech patří:

  • Bakterie rodu Geodermatophilus; sinice rodů C.hrococcoccidiopsis, kokcidní a vláknité druhy, jako např Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zelené řasy rodů Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia a Stichococcus.
  • Heterotrofní bakterie (dominantní v subaeriálních biofilmech): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. a Rhodococcus sp.
  • Chemoorganotrofní bakterie a houby jako např Actynomycetales (streptomycetes a Geodermatophilaceae), Proteobakterie, Actinobacteria, Acidobacteria a bakteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmy původců lidských chorob

Mnoho bakterií známých jako původci lidských onemocnění žije v biofilmech. Mezi ně patří: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionella parvula, Streptococcus mutans Y Legionella pneumophyla.

-Dýmějový mor

Zajímavý je přenos bubonického moru kousnutím blechami, což je relativně nedávná adaptace bakteriálního agens, který toto onemocnění způsobuje., Yersinia pestis.

Tato bakterie roste jako biofilm připojený k hornímu zažívacímu traktu vektoru (blechám). Během kousnutí blecha regurgituje obsahující biofilm Yersinia pestis v dermis a tím začíná infekce.

-Nemocniční žilní katétry

Organismy izolované z biofilmu na explantovaných centrálních žilních katetrech zahrnují ohromující řadu grampozitivních a gramnegativních bakterií a dalších mikroorganismů..

Několik vědeckých studií uvádí grampozitivní bakterie z biofilmů ve venózních katetrech: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. Y Streptococcus pneumoniae.

Mezi gramnegativními bakteriemi izolovanými z těchto biofilmů jsou hlášeny následující: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. Y Serratia marcescens.

Jiné organismy nalezené v těchto biofilmech jsou: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis Y Mycobacterium chelonei.

-V průmyslu

Pokud jde o provoz v tomto odvětví, biofilmy generují překážky potrubí, poškození zařízení, interference v procesech, jako je přenos tepla při zakrytí povrchů výměníků nebo koroze kovových částí..

Potravinářský průmysl

Tvorba filmu v potravinářském průmyslu může způsobit závažné provozní a veřejné zdravotní problémy.

Přidružené patogeny v biofilmech mohou kontaminovat potraviny patogenními bakteriemi a způsobit spotřebitelům vážné zdravotní problémy.

Mezi biofilmy patogenů spojených s potravinářským průmyslem patří:

Listeria monocytogenes

Toto patogenní činidlo používá v počáteční fázi tvorby biofilmu bičíky a membránové proteiny. Vytváří biofilmy na ocelových površích krájecích strojů.

V mlékárenském průmyslu biofilmy z Listeria monocytogenes v tekutém mléce a mléčných výrobcích. Zbytky mléka v potrubích, nádržích, nádobách a jiných zařízeních podporují vývoj biofilmů tohoto patogenu, který je využívá jako dostupné živiny..

Pseudomonas spp.

Biofilmy těchto bakterií lze nalézt v zařízeních pro potravinářský průmysl, jako jsou podlahy, kanalizace a na površích potravin, jako jsou maso, zelenina a ovoce, a také v nízkokyselinových derivátech mléka.

Pseudomonas aeruginosa vylučuje různé extracelulární látky, které se používají při tvorbě polymerní matrice biofilmu, ulpívající na velkém množství anorganických materiálů, jako je nerezová ocel.

Pseudomonas mohou společně existovat v biofilmu ve spojení s jinými patogenními bakteriemi, jako jsou Salmonella Y Listeria.

Salmonella spp.

Druhy Salmonella jsou prvním původcem zoonóz bakteriální etiologie a ohnisek toxoinfekce potravin.

Vědecké studie to ukázaly Salmonella mohou přilnout jako biofilmy na betonové, ocelové a plastové povrchy v zařízeních na zpracování potravin.

Druhy Salmonella mají povrchové struktury s přilnavými vlastnostmi. Kromě toho produkuje celulózu jako extracelulární látku, která je hlavní složkou polymerní matrice..

Escherichia coli

Využívá bičíky a membránové proteiny v počátečním kroku tvorby biofilmu. Produkuje také extracelulární celulózu, která generuje trojrozměrnou mřížku matrice v biofilmu..

Odolnost biofilmů vůči dezinfekčním prostředkům, germicidům a antibiotikům

Biofilmy nabízejí ochranu mikroorganismům, které je tvoří, před působením dezinfekčních prostředků, germicidů a antibiotik. Mechanismy, které umožňují tuto funkci, jsou následující:

  • Zpožděná penetrace antimikrobiálního činidla trojrozměrnou matricí biofilmu v důsledku velmi pomalé difúze a obtížného dosažení účinné koncentrace.
  • Změněná rychlost růstu a nízký metabolismus mikroorganismů v biofilmu.
  • Změny fyziologických odpovědí mikroorganismů během růstu biofilmu se změnou genové exprese rezistence.

Reference

  1. Bakteriální biofilmy. (2008). Aktuální témata v mikrobiologii a imunologii. Tony Romeo editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. a Costerton, J.W. (2002). Biofilmy: mechanismy přežití klinicky relevantních mikroorganismů. Recenze klinické mikrobiologie.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. a Wingender, F. (2010). Matice biofilmu. Příroda Recenze Mikrobiologie. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Život na skalách. Mikrobiologie prostředí. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. a Kolter, R. (2000). Tvorba biofilmu jako mikrobiální vývoj. Výroční přehled mikrobiologie. 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol. 54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. a Stoodley, P. (2004). Bakteriální biofilmy: od přirozeného prostředí k infekčním chorobám. Příroda Recenze Mikrobiologie. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. a Mattick, J. (2002). Extracelulární DNA potřebná pro tvorbu bakteriálního biofilmu. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10,1126 / science.295,5559,1487

Zatím žádné komentáře