BIOFILMEK: JELLEMZŐK, KIALAKULÁS, TÍPUSOK ÉS PÉLDÁK - BIOLÓGIA - 2026

A biofilmek vagy biofilmek olyan mikroorganizmusok közösségei, amelyek egy felülethez kapcsolódnak, és amelyek az önmagukban létrejövő extracelluláris polimer anyagok mátrixában élnek. Ezeket eredetileg Antoine von Leeuwenhoek írta le, amikor a 17. században saját fogainak anyagtábláján megvizsgálta az állati szemcséket (így nevezték neki).

A biofilmek koncepcióját fogalmazó és azok kialakulási folyamatát leíró elméletet csak 1978-ban fejlesztették ki. Felfedezték, hogy a mikroorganizmusok biofilmek képzésére való képessége egyetemesnek tűnik.

1. ábra: A katéterben a Staphylococcus aureus által termelt biofilm. Forrás: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005., a https://commons.wikimedia.org keresztül

A biofilmek léteznek olyan változatos környezetekben, mint a természetes rendszerek, vízvezetékek, víztároló tartályok, ipari rendszerek, valamint sokféle közegben, például orvostechnikai eszközökben és kórházi betegek számára használt eszközökben (például katéterek).

A pásztázó elektronmikroszkópia és a konfokális pásztázó lézermikroszkópia segítségével felfedezték, hogy a biofilmek nem homogének, nem strukturált sejtek és felhalmozódott iszapok, hanem inkább összetett heterogén struktúrák.

A biofilmek a felületen lévő társult sejtek komplex közösségei, amelyek egy nagyon hidratált polimer mátrixba vannak beágyazva, amelynek víz a szerkezet nyitott csatornáin kering.

Számos organizmus, amelyek több millió év alatt sikeresen éltek meg a környezetben, például a Pseudomonas és a Legionella nemzetség fajai, a biofilm stratégiát a natív natív környezetétől eltérő környezetben használják.

A biofilmek jellemzői

A biofilm-mátrix kémiai és fizikai jellemzői

-A biofilm mikroorganizmusok, poliszacharid makromolekulák, fehérjék, nukleinsavak, lipidek és más biopolimerek, elsősorban erősen hidrofil molekulák által választott polimer extracelluláris anyagok áthatolnak, hogy háromdimenziós struktúrát képezzenek, amelyet biofilm mátrixnak hívnak.

-A mátrix szerkezete erősen viszkoelasztikus, gumi tulajdonságokkal rendelkezik, ellenáll a tapadásnak és a mechanikus lebontásnak.

-A mátrix képes tapadni az interfész felületéhez, ideértve a porózus közegek belső tereit, az extracelluláris poliszacharidokon keresztül, amelyek tapadó ínyként működnek.

-A polimer mátrix túlnyomóan anionos, és tartalmaz szervetlen anyagokat, például fémkationokat.

- Vannak vízcsatornái, amelyekben az oxigén, a tápanyagok és a hulladék anyagok keringhetnek, és amelyek újrahasznosíthatók.

-A biofilm mátrixa védelmet és túlélést szolgál a káros környezetekkel szemben, gátolja a fagocita betolakodókat, valamint a fertőtlenítőszerek és antibiotikumok bejutását és terjedését.

A biofilmek ökofiziológiai jellemzői

-A mátrix nem homogén gradiensekben történő képződése különféle mikrohabitokat eredményez, amelyek lehetővé teszik a biológiai sokféleség fennállását a biofilmben.

-A mátrixban a sejtes élet formája radikálisan különbözik a szabad életétől, nincs társítva. A biofilm mikroorganizmusokat immobilizálják, nagyon közel vannak egymáshoz, kolóniákhoz kapcsolódnak; ez a tény intenzív kölcsönhatások kialakulását teszi lehetővé.

-A biofilm mikroorganizmusai közötti kölcsönhatások magukban foglalják a kommunikációt kémiai jelek útján, a „kvórum érzékelés” elnevezésű kóddal.

- Vannak más fontos kölcsönhatások is, például a génátadás és a szinergetikus mikro-konzorciumok kialakulása.

-A biofilm fenotípusa leírható a társult sejtek által kifejezett gének alapján. Ez a fenotípus megváltozott a növekedési sebesség és a gén transzkripció szempontjából.

-A biofilmben levő organizmusok átírhatják azokat a géneket, amelyek nem írják át planktonikus vagy szabad életformájukat.

-A biofilm képződés folyamatát specifikus gének szabályozzák, amelyeket átírnak a kezdeti sejtadhézió során.

-A mátrix zárt térében vannak az együttműködés és a verseny mechanizmusai. A verseny állandó alkalmazkodást eredményez a biológiai populációkban.

-Kollektív emésztőrendszer jön létre, amely megtartja az extracelluláris enzimeket a sejtek közelében.

-Ez az enzimatikus rendszer lehetővé teszi az oldott, kolloid és / vagy szuszpendált tápanyagok szétválasztását, felhalmozódását és metabolizálását.

-A mátrix közös külső újrahasznosítási területként működik, a lizált sejtek alkotóelemeinek tárolása mellett, kollektív genetikai archívumként is szolgál.

-A biofilm védő szerkezeti gátként funkcionál a környezeti változások, például kiszáradás, biocidok, antibiotikumok, gazdaszervezet immunválaszok, oxidálószerek, fémkationok, ultraibolya sugárzás ellen, és védelmet nyújt számos ragadozó, például fagocitikus protozoák és rovarok ellen.

-A biofilm mátrixa egyedülálló ökológiai környezetet képez a mikroorganizmusok számára, amely lehetővé teszi a biológiai közösség dinamikus életmódját. A biofilmek valódi mikroökoszisztémák.

Biofilm képződés

A biofilm képződés egy olyan folyamat, amelyben a mikroorganizmusok a szabadon élő, egysejtű nomád állapotból egy többsejtű ülő állapotba kerülnek, ahol a későbbi növekedés strukturált közösségeket hoz létre, amelyek sejtdifferenciálódást mutatnak.

A biofilm kialakulása az extracelluláris környezeti jelekre és az ön által generált jelekre adott válaszként alakul ki.

A biofilmeket tanulmányozó kutatók egyetértenek abban, hogy általános hipotetikus modellt lehet felépíteni a kialakulásuk magyarázatára.

A biofilm képződésének ez a modell 5 szakaszból áll:

1. Kezdeti tapadás a felülettel.
2. Egyrétegű réteg kialakulása.
3. Migráció többrétegű mikrokolóniák kialakulásához.
4. Az extracelluláris polimer mátrix előállítása.
5. A háromdimenziós biofilm érlelése.

2. ábra: A biofilm képződésének folyamata. Forrás: D. Davis, a Wikimedia Commons segítségével

Kezdeti tapadás a felülettel

A biofilm kialakulása a mikroorganizmusok kezdeti adhéziójával kezdődik a szilárd felülethez, ahol immobilizálódnak. Felfedezték, hogy a mikroorganizmusok felszíni érzékelőkkel rendelkeznek, és a felszíni fehérjék részt vesznek a mátrix kialakításában.

Nem-mobil szervezetekben, ha a környezeti feltételek kedvezőek, növekszik a ragasztók termelése a külső felületükön. Ily módon növeli a sejt-sejt és a sejt-felület adhéziós képességét.

A mozgó fajok esetében az egyes mikroorganizmusok a felszínen helyezkednek el, és ez a kiindulási pont az életmódjuk radikális változása felé a nomád, szabadon mozgó, ülő, majdnem ülőhelyett.

Ezért a mátrix kialakulásakor elveszik a mozgásképesség, különféle szerkezetek, például flagella, cilia, pilus és fimbria vesznek részt a tapadó anyagok mellett.

Ezután mindkét esetben (mobil és nem mozgó mikroorganizmusok) kis aggregátumok vagy mikrokolóniák képződnek, és intenzívebb sejt-sejt kapcsolat jön létre; az új környezet adaptív fenotípusos változásai a csoportos sejtekben fordulnak elő.

Egyrétegű és mikrokolóniák kialakulása többrétegű rétegekben

Megkezdődik az extracelluláris polimer anyagok előállítása, az első réteg kialakulása egyrétegű, és az ezt követő fejlődés többrétegű.

A polimer extracelluláris mátrix előállítása és a háromdimenziós biofilm érlelése

Végül, a biofilm eléri az érettségét, háromdimenziós architektúrával és olyan csatornák jelenlétével, amelyeken a víz, tápanyagok, kommunikációs vegyi anyagok és nukleinsavak keringnek.

A biofilm-mátrix megtartja a sejteket és együtt tartja őket, elősegítve a magas fokú interakciót az intercelluláris kommunikációval és a szinergetikus konzorciumok kialakulását. A biofilm sejtjei nem teljesen immobilizálódnak, mozoghatnak benne és leválhatnak.

A biofilmek típusai

A fajok száma

A biofilmben részt vevő fajok száma szerint ez utóbbi osztályozható:

• Egy faj biofilmei. Például a Streptococcus mutans vagy a Vellionela parvula által létrehozott biofilmek.
• Két faj biofilmei. Például felfedezték a Streptococcus mutans és a Vellionella parvula asszociációját a biofilmekben.
• Polimikrobiális biofilmek, amelyek sok fajból állnak. Például a fogplakk.

Képzési környezet

A keletkező környezettől függően a biofilmek lehetnek:

• Természetes
• Ipari
• Belföldi
• Vendégszerető

3. ábra: Termofil baktériumok biofilmei Mickey Hot Springsben, Oregon, USA. Forrás: Amateria1121, a Wikimedia Commonsból

Az interfész típusa, ahol előállították

Másrészről, a felület típusa szerint, ahol kialakításukra kerül, az alábbiak szerint osztályozható:

• Szilárd-folyékony felületű biofilmek, például azok, amelyek általában vízvezetékekben és tartályokban, csövekben és víztartályokban képződnek.
• Szilárdgáz -felületű biofilmek (SAB rövidítésként angol Sub Aereal Biofilms-en); amelyek mikrobiális közösségek, amelyek szilárd ásványi felületeken alakulnak ki, közvetlenül a légkörnek és a napsugárzásnak kitéve. Épületekben, csupasz sivatagi sziklákban, hegyekben találhatók meg.

Példák a biofilmekre

-Fogkö

A fogplakkot a biofilmekben élő komplex közösség érdekes példájaként tanulmányozták. A fogászati ​​lemezek biofilme kemény és nem elasztikus szervetlen sók jelenléte miatt, amelyek merevséget adnak a polimer mátrixhoz.

A fogplakk mikroorganizmusai nagyon változatosak, és a biofilmben 200-300 társult faj található.

Ezek között a mikroorganizmusok a következők:

• A Streptococcus nemzetség; savanyú baktériumokból áll, amelyek demineralizálják a zománcot és a dentint, és fogszuvasodást idéznek elő. Például a fajok: mutánok, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis és S. milleri.
• A Lactobacillus nemzetség, amely acidofil baktériumokból áll, denaturáló dentinfehérjékből. Például a fajok: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Az Actinomyces nemzetség, amelyek savas és proteolitikus mikroorganizmusok. Ezek között a fajok: viszkozus, A. odontoliticus és A. naeslundii.
• És egyéb nemzetségek, mint például: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis és Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Filmfilmek fekete vízben

További érdekes példa a háztartási szennyvíz, ahol a nitrifikáló mikroorganizmusok, amelyek oxidáló ammónium-, nitrit- és autotrofikus nitrifikáló baktériumokat élnek a csövekhez kapcsolt biofilmekben.

Ezen biofilmek ammónium-oxidáló baktériumai között a numerikusan domináns fajok a Nitrosomonas nemzetség fajtái, amelyek a biofilm mátrixában eloszlanak.

A nitrit-oxidánsok csoportjában a legtöbb alkotóelem a Nitrospira nemzetséghez tartozik, amelyek csak a biofilm belső részében találhatók.

- Subaerie biofilmek

A vitorlás biofilmeket foltos növekedés jellemzi szilárd ásványi felületeken, például sziklákon és városi épületeken. Ezek a biofilmek dominálnak a gombák, algák, cianobaktériumok, heterotróf baktériumok, protozoák, valamint mikroszkopikus állatok társulásain.

Különösen az SAB biofilmek tartalmaznak olyan kemolitotróf mikroorganizmusokat, amelyek energiaforrásként képesek felhasználni a szervetlen ásványi vegyszereket.

A kemolitotróf mikroorganizmusok képesek olyan szervetlen vegyületeket oxidálni, mint például H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ^2+, és kihasználják az oxidációk által előidézett elektromos potenciál energiáját metabolizmusaikban.

A szubbaariális biofilmekben található mikrobiális fajok a következők:

• A Geodermatophilus nemzetségbe tartozó baktériumok; a C nemzetség cyanobaktériumai, a coccoid és a fonalas fajok, például Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• A Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia és Stichococcus nemzetségek zöld algái.
• Heterotróf baktériumok (domináns a szubbaeriális biofilmekben): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. és Rhodococcus sp.
• Kemoorganotróf baktériumok és gombák, például Actynomycetales (streptomycetes és Geodermatophilaceae), Proteobaktériumok, Actinobacteria, Acidobacteria és Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmek az emberi betegségek okozóinak

Az emberi betegség kórokozóinak ismert baktériumok közül sok a biofilmekben él. Ezek között szerepelnek: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans és Legionella pneumophyla.

-Bubópestis

Érdekes az, hogy a bolondos pestis bolhás harapás útján terjed, az ehhez a betegségért felelős bakteriális anyag, a Yersinia pestis viszonylag nemrégiben történt adaptációja.

Ez a baktérium biofilmként nő a vektor felső emésztőrendszeréhez (bolha). Egy harapás során a bolha a dermisben a Yersinia pestis-t tartalmazó biofilmet újratelepíti, és ezzel elindítja a fertőzést.

-Kórház vénás katéterek

A biofilmből izolált organizmusok a kifejtett központi vénás katétereken tartalmaznak egy elképesztő sorozat grampozitív és gramnegatív baktériumot, valamint más mikroorganizmusokat.

Számos tudományos tanulmány jelentette a vénás katéterek biofilmek grampozitív baktériumait: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. és Streptococcus pneumoniae.

Az ezekből a biofilmekből izolált gramnegatív baktériumok közül az alábbiakat ismertetik: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiellaxytoca, Pseudomonas.. és Serratia marcescens.

Az ezekben a biofilmekben található további organizmusok: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis és Mycobacterium chelonei.

- Az iparban

Az iparág működését illetően a biofilmek csöveket akadályoznak meg, berendezéseket károsítanak, zavarják a folyamatokat, például hőátadást a hőcserélő felületeinek borításakor vagy a fém alkatrészek korrózióját.

Élelmiszeripar

Az élelmiszeripar filmképzése jelentős közegészségügyi és működési problémákat okozhat.

A biofilmekben szereplő kapcsolódó kórokozók fertőzhetik az élelmiszeripari termékeket kórokozó baktériumokkal, és súlyos közegészségügyi problémákat okozhatnak a fogyasztók számára.

Az élelmiszeriparral kapcsolatos kórokozók biofilmjei a következők:

Listeria monocytogenes

Ez a kórokozó a biofilm képződés kezdeti szakaszában használja a flagella és a membránfehérjéket. Biofilmeket képez a szeletelőgépek acélfelületein.

A tejiparban a Listeria monocytogenes biofilmei előállíthatók folyékony tejben és tejtermékekben. A csövekben, tartályokban, tartályokban és más eszközökben található tejmaradványok elősegítik ennek a kórokozónak a biofilmek kialakulását, amelyek rendelkezésre álló tápanyagként használják őket.

Pseudomonas

Ezen baktériumok biofilmei megtalálhatók az élelmiszeriparban, például padlón, csatornákban, valamint az élelmiszerfelületeken, például húsok, zöldségek és gyümölcsök, valamint a tej alacsony savas származékai.

A Pseudomonas aeruginosa számos extracelluláris anyagot választ ki, amelyeket felhasználnak a biofilm polimer mátrixának kialakításában, nagy mennyiségű szervetlen anyaghoz, például rozsdamentes acélhoz tapadva.

A pszeudomonasok együtt élhetnek a biofilmben más patogén baktériumokkal, például Salmonella és Listeria együtt.

Salmonella

A szalmonellafajok a bakteriális etiológia zoonózisának és az ételmérgezés kitörésének első okozói.

A tudományos kutatások kimutatták, hogy a szalmonella biofilmek formájában tapadhat az élelmiszer-feldolgozó üzemek beton-, acél- és műanyag felületeire.

A szalmonella fajok tapadó tulajdonságokkal rendelkező felületi struktúrákkal rendelkeznek. Ezenkívül cellulózt állít elő extracelluláris anyagként, amely a polimer mátrix fő alkotóeleme.

Escherichia coli

Flagellákat és membránfehérjéket használ a biofilmek kialakításának kezdeti lépéseiben. Ezenkívül extracelluláris cellulózt állít elő a mátrix háromdimenziós keretének előállításához a biofilmben.

A biofilmek ellenállása fertőtlenítőszerekkel, baktériumokkal és antibiotikumokkal szemben

A biofilmek védelmet nyújtanak az azokat felépítő mikroorganizmusoknak, valamint a fertőtlenítőszerek, a baktériumölők és az antibiotikumok hatásának. Ezt a funkciót lehetővé teszik a következő mechanizmusok:

• Az antimikrobiális szer késleltetett behatolása a biofilm háromdimenziós mátrixán keresztül a nagyon lassú diffúzió és a hatékony koncentráció elérésének nehézsége miatt.
• Megváltozott növekedési ütem és a mikroorganizmusok alacsony metabolizmusa a biofilmben.
• A mikroorganizmusok fiziológiás reakcióinak változásai a biofilm növekedés során, megváltozott rezisztenciagén expresszióval.

Irodalom

1. Bakteriális biofilmek. (2008). A mikrobiológia és immunológia aktuális témái. Tony Romeo szerkesztő. 322. évfolyam. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM és Costerton, JW (2002). Biofilmek: a klinikai szempontból releváns mikroorganizmusok túlélési mechanizmusai. Klinikai mikrobiológiai vélemények. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC és Wingender, F. (2010). A biofilm mátrix. A természet véleménye a mikrobiológiáról. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Élet a sziklákon. Környezeti mikrobiológia. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB és Kolter, R. (2000). A biofilm képződése mikrobiális fejlődésként. Éves áttekintés a mikrobiológiáról: 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW és Stoodley, P. (2004). Bakteriális biofilmek: a természetes környezettől a fertőző betegségekig. A természet véleménye a mikrobiológiáról. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. és Mattick, J. (2002). Extracelluláris DNS szükséges a baktérium biofilm kialakulásához. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487