BIOFILMY: CHARAKTERISTIKA, FORMACE, TYPY A PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Tyto biofilmy nebo biofilmy jsou společenství mikroorganismů připojených k povrchu, žijící v matrici z extracelulární polymerních látek samostatně - generován. Původně je popsal Antoine von Leeuwenhoek, když zkoumal „animalcules“ (takto pojmenované pro něj) na desce materiálu z jeho vlastních zubů v 17. století.

Teorie, která konceptualizuje biofilmy a popisuje jejich proces formování, nebyla vyvinuta až v roce 1978. Bylo zjištěno, že schopnost mikroorganismů vytvářet biofilmy se zdá být univerzální.

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

Biofilmy mohou existovat v tak rozmanitých prostředích, jako jsou přírodní systémy, akvadukty, nádrže na vodu, průmyslové systémy a také v široké škále médií, jako jsou lékařské přístroje a zařízení pro nemocniční pacienty (například katetry).

Pomocí skenovací elektronové mikroskopie a konfokální skenovací laserové mikroskopie bylo zjištěno, že biofilmy nejsou homogenní, nestrukturované depozity buněk a nahromaděné bahno, ale spíše komplexní heterogenní struktury.

Biofilmy jsou komplexní společenství asociovaných buněk na povrchu, uložené ve vysoce hydratované polymerní matrici, jejíž voda cirkuluje otevřenými kanály ve struktuře.

Mnoho organismů, které byly úspěšné v přežití po miliony let v životním prostředí, například druhy rodů Pseudomonas a Legionella, používají strategii biofilmu v jiných prostředích, než jsou jejich nativní nativní prostředí.

Charakteristika biofilmů

Chemické a fyzikální vlastnosti matrice biofilmu

- Polymerní extracelulární látky vylučované biofilmovými mikroorganismy, polysacharidovými makromolekulami, proteiny, nukleovými kyselinami, lipidy a dalšími biopolymery, většinou vysoce hydrofilními molekulami, se kříží a vytvoří trojrozměrnou strukturu nazývanou biofilmová matrice.

- Struktura matrice je vysoce viskoelastická, má pryžové vlastnosti, je odolná vůči tahu a mechanickému rozkladu.

- Matice má schopnost přilnout k povrchům 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 kovové kationty.

-Má vodní kanály, kterými cirkulují kyslík, živiny a odpadní látky, které mohou být recyklovány.

- Tato matrice biofilmu funguje jako prostředek ochrany a přežití proti nepříznivému prostředí, bariéra proti fagocytujícím útočníkům a proti vstupu a šíření dezinfekčních prostředků a antibiotik.

Ekofyziologické vlastnosti biofilmů

-Vytváření matrice v nehomogenních gradientech vytváří řadu mikrohabitatů, což umožňuje existenci biologické rozmanitosti v rámci biofilmu.

- S maticí je forma buněčného života radikálně odlišná od volného života, není spojena. Mikroorganismy biofilmu jsou imobilizovány, velmi blízko u sebe, sdružené v koloniích; tato skutečnost umožňuje intenzivní interakce.

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

- Existují další důležité interakce, jako je přenos genů a tvorba synergických mikro-konsorcií.

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

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

- Proces tvorby biofilmu je regulován specifickými geny, přepisovanými během počáteční adheze buněk.

- Ve stísněném prostoru matice existují mechanismy spolupráce a konkurence. Konkurence vede k neustálé adaptaci v biologických populacích.

-Vytvoří se kolektivní externí trávicí systém, který zadržuje extracelulární enzymy v blízkosti buněk.

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

- Matice funguje jako společná vnější recyklační oblast, skladování složek lyzovaných buněk, také slouží jako kolektivní genetický archiv.

- Biofilm funguje jako ochranná strukturální bariéra proti změnám prostředí, jako je vysychání, působení biocidů, antibiotika, imunitní reakce hostitele, oxidační činidla, kovové kationty, ultrafialové záření a je také obranou proti mnoha predátorům, jako je fagocytární prvok a hmyz.

- Biofilmová matrice představuje jedinečné ekologické prostředí pro mikroorganismy, které umožňuje dynamický způsob života biologické komunity. Biofilmy jsou skutečné mikroekosystémy.

Tvorba biofilmu

Tvorba biofilmu je proces, ve kterém mikroorganismy přecházejí z volně žijícího kočovného jednobuněčného stavu do mnohobuněčného sedavého stavu, kde následný růst vytváří strukturované komunity s buněčnou diferenciací.

K vývoji biofilmu dochází v reakci na extracelulární signály prostředí a vlastní signály.

Vědci, kteří studovali biofilmy, souhlasí s tím, že je možné vytvořit obecný hypotetický model pro vysvětlení jejich tvorby.

Tento model tvorby biofilmu se skládá z 5 fází:

1. Počáteční přilnavost k povrchu.
2. Vytvoření monovrstvy.
3. Migrace na vícevrstvé mikrokolonie.
4. Výroba polymerní extracelulární matrice.
5. Zrání trojrozměrného biofilmu.

Obrázek 2. Proces tvorby biofilmu. Zdroj: D. Davis, prostřednictvím Wikimedia Commons

Počáteční přilnavost k povrchu

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

U nemobilních organismů, když jsou podmínky prostředí příznivé, se zvyšuje produkce adhezinů na jejich vnějším povrchu. Tímto způsobem se zvyšuje jeho adhezní schopnost buněčných buněk a buněčného povrchu.

V případě mobilních druhů jsou jednotlivé mikroorganismy umístěny na povrchu a to je výchozí bod k radikální změně způsobu jejich života z kočovného, ​​sedavého, téměř přisedlého mobilního telefonu.

Schopnost pohybu se proto ztratí při tvorbě matrice, kromě adhezivních látek se účastní různé struktury, jako jsou bičíky, řasenky, pilus a fimbrie.

Poté se v obou případech (mobilní i nemobilní mikroorganismy) vytvoří malé agregáty nebo mikrokolonie a vytvoří se intenzivnější kontakt buňka-buňka; v seskupených buňkách dochází k adaptivním fenotypovým změnám v novém prostředí.

Tvorba monovrstvy a mikrokolonií ve vícevrstvách

Zahájí se výroba extracelulárních polymerních látek, dojde k počáteční tvorbě monovrstvy a následnému vývoji ve vícevrstvé vrstvě.

Produkce polymerní extracelulární matrice a zrání trojrozměrného biofilmu

Konečně biofilm dosáhne svého stadia zralosti, s trojrozměrnou architekturou a přítomností kanálů, kterými cirkulují voda, živiny, komunikační chemikálie a nukleové kyseliny.

Biofilmová matrice zadržuje buňky a drží je pohromadě, čímž podporuje vysoký stupeň interakce s mezibuněčnou komunikací a vytváření synergických konsorcií. Buňky biofilmu nejsou úplně imobilizovány, mohou se v něm pohybovat a také se oddělit.

Druhy biofilmů

Počet druhů

Podle počtu druhů účastnících se biofilmu lze biofilm klasifikovat do:

• Biofilmy druhu. Například biofilmy tvořené Streptococcus mutans nebo Vellionela parvula.
• Biofilmy dvou druhů. Například byla objevena asociace Streptococcus mutans a Vellionella parvula v biofilmech.
• Polymikrobiální biofilmy složené z mnoha druhů. Například zubní plak.

Školicí prostředí

Biofilmy mohou být také v závislosti na prostředí, ve kterém jsou vytvářeny:

• Přírodní
• Průmyslový
• Domácí
• Pohostinný

Obrázek 3. Biofilmy termofilních bakterií v Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Zdroj: Amateria1121, z Wikimedia Commons

Typ rozhraní, kde jsou generovány

Na druhou stranu je možné je podle typu rozhraní, kde jsou vytvořeny, klasifikovat do:

• Biofilmy rozhraní pevných látek a kapalin, jako jsou bioformy vytvořené v akvaduktech a nádržích, potrubí a vodních nádržích obecně.
• Biofilmy rozhraní pevných látek (SAB pro jeho zkratku v anglických sub aereal biofilmech); což jsou mikrobiální společenství, která se vyvíjejí na pevných minerálních površích, přímo vystavených atmosféře a slunečnímu záření. Nacházejí 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 díky přítomnosti anorganických solí, které dávají polymerní matrici tuhost.

Mikroorganismy zubního plaku jsou velmi rozmanité a v biofilmu existuje 200 až 300 souvisejících druhů.

Mezi tyto mikroorganismy patří:

• Rod Streptococcus; je tvořen kyselými bakteriemi, které demineralizují sklovinu a dentin a iniciují zubní kaz. Například druh: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis a S. milleri.
• Rod Lactobacillus, vytvořený z acidofilních bakterií denaturujících dentinové proteiny. Například druh: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Rod Actinomyces, což jsou kyselé a proteolytické mikroorganismy. Mezi nimi jsou druhy: viskózní, A. odontoliticus a A. naeslundii.
• A další rody, jako například: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis a Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy v černé vodě

Dalším zajímavým příkladem jsou domácí odpadní vody, kde nitrifikační mikroorganismy, které oxidují amonné, dusitanové a autotrofní nitrifikační bakterie, žijí v biofilmech připojených k trubkám.

Mezi bakteriemi oxidujícími amonium v ​​těchto biofilmech jsou numericky dominantní druhy rodu Nitrosomonas, distribuované v matrici biofilmu.

Většina složek ve skupině oxidantů dusitanu jsou ty z rodu Nitrospira, které jsou umístěny pouze ve vnitřní části biofilmu.

- Podřízené biofilmy

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

Biofilmy SAB mají zejména chemolytotropní mikroorganismy, které jsou schopné využívat jako zdroje energie anorganické minerální chemikálie.

Chemolithotrophic mikroorganismy mají schopnost oxidovat anorganické sloučeniny, jako je například H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ a využít elektrické potenciální energie produkované oxidací v jejich metabolismu.

Mezi mikrobiální druhy přítomné v subaeriálních biofilmech patří:

• Bakterie rodu Geodermatophilus; cyanobakterie rodu C hrococcoccidiopsis, kokosových a vláknitých druhů, jako je Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Zelené řasy rodů Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia a Stichococcus.
• Heterotropní bakterie (dominantní v subaeriálních biofilmech): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. a Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrofní bakterie a houby, jako jsou Actynomycetales (streptomycetes a Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria a Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmy původců lidských chorob

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

-Dýmějový mor

Zajímavý je přenos bubonického moru bleším kousnutím, relativně nedávná adaptace bakteriálního agens zodpovědného za toto onemocnění, Yersinia pestis.

Tato bakterie roste jako biofilm připojený k hornímu trávicímu systému vektoru (blecha). Během kousnutí blecha opakuje biofilm obsahující Yersinia pestis v dermis, čímž zahájí infekci.

-Hospitální žilní katétry

Mezi organismy izolované z biofilmu na vysvětlených centrálních žilních katétrech patří úžasná řada gram-pozitivních a gram-negativních bakterií, jakož i další mikroorganismy.

Několik vědeckých studií uvádí, že Gram-pozitivní bakterie z biofilmů ve žilních katétrech: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococus sp. a Streptococcus pneumoniae.

Mezi gram-negativními bakteriemi izolovanými z těchto biofilmů jsou uvedeny: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp.. a Serratia marcescens.

Další organismy nalezené v těchto biofilmech jsou: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis a Mycobacterium chelonei.

-V průmyslu

Pokud jde o fungování průmyslu, biofilmy vytvářejí překážky v potrubí, poškození zařízení, narušení procesů, jako je přenos tepla při zakrytí povrchů výměníku, nebo koroze kovových částí.

Potravinářský průmysl

Filmová tvorba v potravinářském průmyslu může způsobit závažné zdravotní a provozní problémy.

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

Mezi biofilmy patogenů spojených s potravinářským průmyslem patří:

Listeria monocytogenes

Tento patogen používá v počátečním stádiu tvorby biofilmu, bičíků a membránových proteinů. Vytváří biofilmy na ocelových plochách kráječů.

V mlékárenském průmyslu mohou být biofilmy Listeria monocytogenes vyráběny v tekutém mléce a mléčných výrobcích. Zbytky mléka v trubkách, nádržích, nádobách a dalších zařízeních podporují vývoj biofilmů tohoto patogenu, který je používá jako dostupné živiny.

Pseudomonas

Biofilmy těchto bakterií lze nalézt v potravinářských zařízeních, jako jsou podlahy, odtoky a na povrchu potravin, jako je maso, zelenina a ovoce, jakož i v nízko kyselých derivátech mléka.

Pseudomonas aeruginosa vylučuje několik extracelulárních látek, které se používají při tvorbě polymerní matrice biofilmu, adherují k velkému množství anorganických materiálů, jako je nerezová ocel.

Pseudomonas mohou koexistovat v biofilmu ve spojení s dalšími patogenními bakteriemi, jako je Salmonella a Listeria.

Salmonella

Druhy salmonel jsou prvním původcem zoonóz bakteriální etiologie a ohnisek otravy jídlem.

Vědecké studie prokázaly, že Salmonella se může v zařízeních na zpracování potravin držet jako biofilmy na betonových, ocelových a plastových povrchech.

Druhy salmonel mají povrchové struktury s adherentními vlastnostmi. Navíc produkuje celulózu jako extracelulární látku, která je hlavní složkou polymerní matrice.

Escherichia coli

Používá bičíkové a membránové proteiny v počátečním kroku tvorby biofilmu. Produkuje také extracelulární celulosu, aby se vytvořil trojrozměrný rámec matrice v biofilmu.

Odolnost biofilmů vůči dezinfekčním prostředkům, germicidům a antibiotikům

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

• Zpožděná penetrace antimikrobiálního činidla skrze trojrozměrnou matici biofilmu v důsledku velmi pomalé difúze a obtíží při dosažení účinné koncentrace.
• Změněná rychlost růstu a nízký metabolismus mikroorganismů v biofilmu.
• Změny fyziologických odpovědí mikroorganismů během růstu biofilmu se změněnou expresí genů rezistence.

Reference

1. Bakteriální biofilmy. (2008). Aktuální témata z mikrobiologie a imunologie. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlín, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM a Costerton, JW (2002). Biofilmy: mechanismy přežití klinicky relevantních mikroorganismů. Klinické mikrobiologické recenze. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC a Wingender, F. (2010). Matice biofilmu. Recenze přírody Mikrobiologie. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Život na skalách. Environmentální mikrobiologie. 9 (7): 1-24. doi: 10,1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB a Kolter, R. (2000). Tvorba biofilmu jako mikrobiální vývoj. Roční přehled mikrobiologie 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW a Stoodley, P. (2004). Bakteriální biofilmy: z přírodního prostředí do infekčních chorob. Recenze přírody Mikrobiologie. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. a Mattick, J. (2002). Extracelulární DNA potřebná pro tvorbu bakteriálních biofilmů 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487