BIOFILMIT: OMINAISUUDET, MUODOSTUMINEN, TYYPIT JA ESIMERKIT - BIOLOGIA - 2026

Biofilmien tai biofilmien ovat yhteisöjä mikro-organismien kiinnitetty pintaan, elävät matriisin solunulkoisten polymeeriset aineet itse - syntyy. Niitä kuvasi alun perin Antoine von Leeuwenhoek, kun hän tutki "eläinlaskuja" (siten nimeltään hänelle) omilla hampaillaan olevalla materiaalilevyllä 1700-luvulla.

Teoriaa, joka käsittelee biofilmejä ja kuvaa niiden muodostumisprosessia, oli kehitetty vasta vuonna 1978. Havaittiin, että mikro-organismien kyky muodostaa biofilmejä näyttää olevan universaali.

Kuvio 1. Staphylococcus aureus -bakteerin tuottama biokalvo katetrissa. Lähde: CDC / Rodney M. Donlan, FT; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. https://commons.wikimedia.org kautta

Biokalvot voivat esiintyä niin monimuotoisissa ympäristöissä kuin luonnolliset järjestelmät, vesijohdot, vesisäiliöt, teollisuusjärjestelmät, samoin kuin monissa erilaisissa välineissä, kuten lääkinnällisissä laitteissa ja sairaalapotilaille tarkoitetuissa laitteissa (kuten esimerkiksi katetrit).

Skannaavan elektronimikroskopian ja konfokaalisen skannauslasermikroskopian avulla havaittiin, että biofilmit eivät ole homogeenisia, jäsentämättömiä solujen talletuksia ja kertynyttä lietettä, vaan pikemminkin monimutkaisia ​​heterogeenisiä rakenteita.

Biokalvot ovat pinnalla olevien solujen monimutkaisia ​​yhteisöjä, upotettuina erittäin hydratoituneeseen polymeerimatriisiin, jonka vesi kiertää rakenteessa olevien avoimien kanavien kautta.

Monet organismit, jotka ovat onnistuneet selviämään miljoonien vuosien ajan ympäristössä, esimerkiksi suvut Pseudomonas ja Legionella, käyttävät biofilmstrategiaa muissa ympäristöissä kuin alkuperäisympäristössään.

Biofilmien ominaisuudet

Biofilmimatriisin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

- Biofilmimikro-organismien, polysakkaridimakromolekyylien, proteiinien, nukleiinihappojen, lipidien ja muiden biopolymeerien erittämät polymeeriset solunulkoiset aineet, useimmiten erittäin hydrofiiliset molekyylit, ylittävät muodostaen kolmiulotteisen rakenteen, jota kutsutaan biofilmimatriisiksi.

-Matriisin rakenne on erittäin viskoelastinen, sillä on kumin ominaisuudet, se kestää vetoa ja mekaanista rikkoutumista.

-Matriisilla on kyky tarttua rajapintoihin, mukaan lukien huokoisen väliaineen sisätilat, solunulkoisten polysakkaridien kautta, jotka toimivat tarttuvina ikeninä.

-Polymeerimatriisi on pääosin anioninen ja sisältää myös epäorgaanisia aineita, kuten metallikationit.

-Se on vesikanavia, joiden läpi happi, ravinteet ja jäteaineet kiertävät ja jotka voidaan kierrättää.

-Tämä biofilmin matriisi toimii suojana ja selviytymisenä haitallisia ympäristöjä vastaan, esteenä fagosyyttisiä hyökkääjiä vastaan ​​sekä desinfiointiaineiden ja antibioottien pääsyä ja leviämistä vastaan.

Biofilmien ekofysiologiset ominaisuudet

-Matriisin muodostuminen epähomogeenisiksi kaltevuuksiksi tuottaa erilaisia ​​mikro-elinympäristöjä, mikä mahdollistaa biologisen monimuotoisuuden olemassaolon biofilmissä.

-Matriisissa solun elämän muoto eroaa radikaalisti vapaasta elämästä, ei liity toisiinsa. Biofilm-mikro-organismit immobilisoidaan, hyvin lähellä toisiaan, liittymällä pesäkkeisiin; tämä tosiasia mahdollistaa intensiivisen vuorovaikutuksen tapahtumisen.

- Biofilmissä olevien mikro-organismien vuorovaikutuksiin sisältyy viestintä kemiallisten signaalien kautta koodilla, jota kutsutaan ”koorumin tunnistamiseksi”.

-On olemassa muita tärkeitä vuorovaikutuksia, kuten geeninsiirto ja synergististen mikrokonsortioiden muodostuminen.

- Biofilmin fenotyyppi voidaan kuvata liittyvien solujen ekspressoimien geenien perusteella. Tätä fenotyyppiä muutetaan kasvunopeuden ja geenitranskription suhteen.

-Biofilmin organismit voivat transkriptoida geenejä, jotka eivät transkriboi planktonisia tai vapaita elämänmuotojaan.

- Biofilmin muodostumisprosessia säätelevät spesifiset geenit, jotka transkriptoidaan solujen alkuperäisen tarttumisen aikana.

-Matriisin ahtaassa tilassa on yhteistyön ja kilpailun mekanismeja. Kilpailu luo jatkuvaa sopeutumista biologisiin populaatioihin.

- Syntyy kollektiivinen ulkoinen ruuansulatusjärjestelmä, joka pitää solunulkoiset entsyymit lähellä soluja.

-Tämä entsymaattinen järjestelmä antaa mahdollisuuden erottaa, kerätä ja metabolisoida, liuenneet, kolloidiset ja / tai suspendoituneet ravintoaineet.

-Matriisi toimii yhteisenä ulkoisena kierrätysalueena, hajotettujen solujen komponenttien varastointina, ja toimii myös kollektiivisena geneettisenä arkistona.

-Biofilmi toimii suojaavana rakenteellisena esteenä ympäristömuutoksille, kuten kuivumiselta, biosidien, antibioottien, isäntäimmuunivasteiden, hapettimien, metallikationien, ultraviolettisäteilyn vaikutukselta, ja se on myös suojana monia petoeläimiä, kuten fagosyyttisiä alkueläimiä ja hyönteisiä.

- Biofilmimatriisi muodostaa ainutlaatuisen ekologisen ympäristön mikro-organismeille, joka mahdollistaa biologisen yhteisön dynaamisen elämäntavan. Biofilmit ovat todellisia mikroekosysteemejä.

Biokalvon muodostuminen

Biofilmin muodostuminen on prosessi, jossa mikro-organismit siirtyvät vapaasti elävästä, paimentolaisesta yksisoluisesta tilasta monisoluiseen istumatilaan, jossa myöhempi kasvu tuottaa jäsenneltyjä yhteisöjä, joilla on solujen erilaistuminen.

Biofilmin kehitys tapahtuu vastauksena solunulkoisiin ympäristösignaaleihin ja itse tuotettuihin signaaleihin.

Biofilmejä tutkineet tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että on mahdollista rakentaa yleinen hypoteettinen malli selittämään niiden muodostumista.

Tämä biofilmien muodostumismalli koostuu 5 vaiheesta:

1. Alku tarttuvuus pintaan.
2. Yksikerroksisen muodostuminen.
3. Siirtyminen monikerroksisten mikrokolonioiden muodostamiseksi.
4. Polymeerisen solunulkoisen matriisin valmistus.
5. Kolmiulotteisen biofilmin kypsytys.

Kuva 2. Biofilmin muodostumisprosessi. Lähde: D. Davis, Wikimedia Commonsin kautta

Alku tarttuvuus pintaan

Biofilmin muodostuminen alkaa mikro-organismien alustavasta tarttumisesta kiinteään pintaan, missä ne immobilisoidaan. On havaittu, että mikro-organismeissa on pinta-anturit ja että pintaproteiinit osallistuvat matriisin muodostukseen.

Muissa liikkuvissa organismeissa, kun ympäristöolosuhteet ovat suotuisat, adhesiinien tuotanto niiden ulkopinnalla kasvaa. Tällä tavoin se lisää solujen ja solujen pinnan tarttuvuuskykyä.

Liikkuvien lajien kohdalla yksittäiset mikro-organismit sijaitsevat pinnalla, ja tämä on lähtökohta kohti heidän elämäntapansa radikaalia muutosta paimentolaisesta vapaasta liikkuvasta, istuttavaksi, melkein istuttavaksi.

Siksi kyky liikkua menetetään matriisin muodostumisessa, liima-aineiden lisäksi mukana ovat erilaiset rakenteet, kuten liepu, silika, pilus ja fimbria.

Sitten molemmissa tapauksissa (liikkuvat ja muut kuin liikkuvat mikro-organismit) muodostuu pieniä aggregaatteja tai mikrokolonia ja syntyy voimakkaampi solu-solukosketus; mukautuvat fenotyyppiset muutokset uuteen ympäristöön tapahtuvat klusteroiduissa soluissa.

Yksikerroksen ja mikrokolonioiden muodostuminen monikerroksisissa olosuhteissa

Solunulkoisten polymeeristen aineiden valmistus alkaa, aluksi muodostuminen yksikerroksessa tapahtuu ja seuraava kehitys monikerroksisissa.

Polymeerisen solunulkoisen matriisin tuottaminen ja kolmiulotteisen biofilmin kypsyttäminen

Lopuksi biokalvo saavuttaa kypsyysasteensa kolmiulotteisella arkkitehtuurilla ja läsnä kanavilla, joiden läpi vesi, ravinteet, viestintäkemikaalit ja nukleiinihapot kiertävät.

Biofilmimatriisi pitää solut ja pitää ne yhdessä, edistäen suurta vuorovaikutusta solujen välisen viestinnän kanssa ja synergististen konsortioiden muodostumista. Biofilmin solut eivät ole täysin liikkumattomia, ne voivat liikkua sen sisällä ja myös irrottua.

Biofilmityypit

Lajien lukumäärä

Biofilmiin osallistuvien lajien lukumäärän mukaan jälkimmäiset voidaan luokitella:

• Lajin biofilmit. Esimerkiksi Streptococcus mutansin tai Vellionela parvulan muodostamat biokalvot.
• Kahden lajin biofilmit. Esimerkiksi Streptococcus mutansin ja Vellionella parvulan assosiaatio biokalvoissa on myös löydetty.
• Polymikrobiset biokalvot, koostuvat monista lajeista. Esimerkiksi hammasplakki.

Harjoitteluympäristö

Biofilmit voivat myös muodostua ympäristöstä riippuen:

• luonnollinen
• teollinen
• kotimainen
• Vieraanvarainen

Kuvio 3. Termofiilisten bakteerien biofilmit Mickey Hot Springsissä, Oregon, USA. Lähde: Amateria1121, Wikimedia Commonsista

Tyyppi rajapinta missä ne luodaan

Toisaalta sen mukaan, minkä tyyppisellä rajapinnalla ne on muodostettu, ne on mahdollista luokitella:

• Kiinteän ja nestemäisen rajapinnan biokalvot, kuten sellaiset, jotka muodostuvat vesijohdoissa ja säiliöissä, putkissa ja vesisäiliöissä yleensä.
• Kiinteän kaasun rajapinnan biofilmit (SAB lyhenteestä englanniksi Sub Aereal Biofilms); jotka ovat mikrobiyhteisöjä, jotka kehittyvät kiinteille mineraalipinnoille, jotka ovat suoraan alttiina ilmakehälle ja auringonsäteilylle. Niitä löytyy muun muassa rakennuksista, paljaista autiomaista kallioista, vuorista.

Esimerkkejä biofilmeistä

-Hammasplakki

Hammasplakkia on tutkittu mielenkiintoisena esimerkkinä monimuotoisesta yhteisöstä, joka elää biokalvoissa. Hammaslevyjen biofilmit ovat kovia eivätkä joustavia epäorgaanisten suolojen läsnäolon takia, jotka antavat jäykkyyden polymeerimatriisille.

Hammasplakin mikro-organismit ovat hyvin vaihtelevia, ja biofilmissä on 200-300 liittyvää lajia.

Näitä mikro-organismeja ovat:

• Suvun Streptococcus; koostuu happamista bakteereista, jotka mineralisoivat emalia ja dentiiniä ja aloittavat hammaskarieksen. Esimerkiksi lajit: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ja S. milleri.
• Lactobacillus-suku, joka koostuu happofiilisistä bakteereista, jotka denaturoivat dentiiniproteiineja. Esimerkiksi lajit: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Actinomyces-suvut, jotka ovat happamia ja proteolyyttisiä mikro-organismeja. Näistä lajeja: viskosus, A. odontoliticus ja A. naeslundii.
• Ja muut suvut, kuten: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ja Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmit mustassa vedessä

Toinen mielenkiintoinen esimerkki on kotitalousjätevedet, joissa ammoniumia, nitriittejä ja autotrofisia nitrifioivia bakteereja hapettavat mikro-organismit elävät putkiin kiinnitetyissä biokalvoissa.

Näiden biofilmien ammoniumhapettavien bakteerien joukossa numeerisesti hallitsevat lajit ovat Nitrosomonas-suvun lajeja, jotka jakautuvat koko biofilmin matriisiin.

Suurin osa nitriittihapettimien ryhmästä on Nitrospira-suvun komponentteja, jotka sijaitsevat vain biofilmin sisäosassa.

- Subaerie-biofilmit

Subaerie-biofilmeille on ominaista hajanainen kasvu kiinteillä mineraalipinnoilla, kuten kivillä ja kaupunkien rakennuksissa. Nämä biokalvot edustavat sienten, levien, sinilevien, bakteerien, heterotrofisten bakteerien, alkueläinten ja mikroskooppisten eläinten hallitsevia assosiaatioita.

Erityisesti SAB-biofilmeissä on kemolytotrofisia mikro-organismeja, jotka kykenevät hyödyntämään epäorgaanisia mineraalikemikaaleja energialähteinä.

Chemolithotrophic mikrobeilla on kyky hapettaa epäorgaanisia yhdisteitä, kuten H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ ja hyödyntää sähköisen potentiaalin tuottamaa energiaa hapettumiset niiden aineenvaihdunta.

Subbaeriaalisissa biokalvoissa esiintyviä mikrobilajeja ovat:

• Geodermatophilus-suvun bakteerit; suvun C krokokididiopsin sinilevät, kookos- ja rihmalliset lajit, kuten Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Chlorella-, Desmococcus-, Phycopeltis-, Printzina-, Trebouxia-, Trentepohlia- ja Stichococcus-sukujen vihreät levät.
• Heterotrofiset bakteerit (hallitsevat subaeriaalisissa biokalvoissa): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. ja Rhodococcus sp.
• Kemoorganotrofiset bakteerit ja sienet, kuten Actynomycetales (streptomycetes ja Geodermatophilaceae), proteobakteerit, Actinobacteria, Acidobacteria ja Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bioelokuvat ihmisten sairauksien aiheuttajista

Monet bakteereista, jotka tunnetaan ihmisen sairauden aiheuttajina, elävät biokalvoissa. Näitä ovat: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ja Legionella pneumophyla.

-Paiserutto

Mielenkiintoista on bluoniruton leviäminen kirppujen puremilla, tästä taudista vastuussa olevan bakteeriaineen, Yersinia pestisin, suhteellisen äskettäinen mukauttaminen.

Tämä bakteeri kasvaa biokalvana, joka kiinnittyy vektorin ylempään ruuansulatusjärjestelmään (kirppu). Puremisen aikana kirppu regentoituu biofilmiin, joka sisältää Yersinia pestis -bakteerin dermissä, aloittaen siten infektion.

-Hospital laskimokatetrit

Selitettyjen keskuslaskimokatetrien biofilmistä eristettyihin organismeihin kuuluu hämmästyttävä joukko gram-positiivisia ja gramnegatiivisia bakteereja, samoin kuin muita mikro-organismeja.

Useat tieteelliset tutkimukset ovat ilmoittaneet laskimon katetrien biofilmien grampositiivisina bakteereina: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. ja Streptococcus pneumoniae.

Näistä biokalvoista eristetyistä gramnegatiivisista bakteereista on raportoitu seuraavia: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogeenit, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiellaxytoca, Pseudomonas.. ja Serratia marcescens.

Muita näissä biofilmeissä olevia organismeja ovat: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ja Mycobacterium chelonei.

- Teollisuudessa

Teollisuuden toiminnan kannalta biofilmit aiheuttavat putkien esteitä, laitevaurioita, häiriöitä prosesseissa, kuten lämmönsiirrossa vaihtimien pintojen peittämisessä tai metalliosien korroosiossa.

Ruokateollisuus

Elintarviketeollisuuden elokuvien muodostuminen voi aiheuttaa merkittäviä kansanterveys- ja toimintaongelmia.

Biofilmeihin liittyvät patogeenit voivat saastuttaa elintarvikkeet patogeenisillä bakteereilla ja aiheuttaa vakavia kansanterveysongelmia kuluttajille.

Elintarviketeollisuuteen liittyvien patogeenien biofilmejä ovat:

Listeria monocytogenes

Tätä patogeeniä käytetään biokalvojen muodostumisen, flagellan ja membraaniproteiinien muodostumisen alkuvaiheessa. Muodostaa biofilmit leikkauskoneiden teräspinnoille.

Meijeriteollisuudessa Listeria monocytogenesin biofilmejä voidaan tuottaa nestemäisessä maidossa ja maitotuotteissa. Meijerijäämät putkissa, säiliöissä, astioissa ja muissa laitteissa edistävät tämän taudinaiheuttajan biofilmien kehitystä, joka käyttää niitä käytettävissä olevina ravintoaineina.

pseudomonas

Näiden bakteerien biofilmejä löytyy elintarviketeollisuuden tiloista, kuten lattiat, viemärit, ja ruokapinnoilta, kuten liha, vihannekset ja hedelmät, sekä maidon vähähappojohdannaiset.

Pseudomonas aeruginosa erittää useita solunulkoisia aineita, joita käytetään biofilmin polymeerimatriisin muodostamiseen, kiinnittyen suureen määrään epäorgaanisia materiaaleja, kuten ruostumatonta terästä.

Pseudomonas voivat esiintyä biofilmissä samanaikaisesti muiden patogeenisten bakteerien, kuten Salmonellan ja Listerian, kanssa.

salmonella

Salmonellalajit ovat bakteerietiologian zoonoosien ja elintarvikemyrkytysten ensimmäisiä syytekijöitä.

Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että Salmonella voi tarttua biokalvoina betoni-, teräs- ja muovipinnoille ruoanvalmistuslaitosten tiloissa.

Salmonellalajeilla on pintarakenteita tarttuvilla ominaisuuksilla. Lisäksi se tuottaa selluloosaa solunulkoisena aineena, joka on polymeerimatriisin pääkomponentti.

Escherichia coli

Se käyttää flagellaa ja membraaniproteiineja biofilmien muodostumisen alkuvaiheessa. Se tuottaa myös solunulkoista selluloosaa matriisin kolmiulotteisen kehyksen luomiseksi biofilmissä.

Biofilmien kestävyys desinfiointiaineilla, bakteereja tappavilla aineilla ja antibiooteilla

Biokalvot tarjoavat suojan niitä muodostaville mikro-organismeille, desinfiointiaineille, germicideille ja antibiooteille. Tämän ominaisuuden mahdollistavat mekanismit ovat seuraavat:

• Antimikrobisen aineen tunkeutumisen viivästyminen biofilmin kolmiulotteisessa matriisissa erittäin hitaan diffuusion ja tehokkaan pitoisuuden saavuttamisen vaikeuksien vuoksi.
• Muutettu kasvuvauhti ja vähäinen mikro-organismien aineenvaihdunta biofilmissä.
• Muutokset mikro-organismien fysiologisissa vasteissa biofilmien kasvun aikana muuttuneella resistenssigeeniekspressiolla.

Viitteet

1. Bakteeribiofilmit. (2008). Mikrobiologian ja immunologian ajankohtaiset aiheet. Tony Romeo Toimittaja. Voi. 322. Berliini, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM ja Costerton, JW (2002). Biofilmit: kliinisesti merkittävien mikro-organismien selviytymismekanismit. Kliinisen mikrobiologian arvostelut. 15 (2): 167 - 193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC ja Wingender, F. (2010). Biofilmien matriisi. Luontoarvostelut Mikrobiologia. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Elämä kivillä. Ympäristömikrobiologia. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB ja Kolter, R. (2000). Biofilmien muodostuminen mikrobien kehityksenä. Vuosikatsaus mikrobiologiaan 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.mikrobioli.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW ja Stoodley, P. (2004). Bakteerifilmit: luonnollisesta ympäristöstä tartuntatauteihin. Luontoarvostelut Mikrobiologia. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ja Mattick, J. (2002). Solunulkoinen DNA, jota tarvitaan bakteerien biofilmien muodostumiseen. 259 (5559): 1487 - 1499. doi: 10.1126 / tiede.295.5559.1487