Biofilmek jellemzői, kialakítása, típusai és példái

az a biofilm vagy a biofilm ezek egy mikroorganizmusok közösségei, amelyek a felülethez kötődnek, az extracelluláris polimer anyagok önmagában létrehozott mátrixában élnek. Az eredetileg Antoine von Leeuwenhoek írta le, amikor a tizenhetedik században saját fogai anyagplakkjára nézve vizsgálta meg az általa megkeresztelt "animas" -t..

Az elméletet, amely a biofilmeket fogalmazza meg és leírja a kialakulási folyamatukat, 1978-ig nem dolgozták ki. Megállapították, hogy a mikroorganizmusok biofilmek kialakulásának képessége univerzálisnak tűnik..

A biofilmek olyan változatos környezetben létezhetnek, mint a természetes rendszerek, vízvezetékek, víztárolók, ipari rendszerek, valamint a különböző kórházi anyagok, mint például az orvosi eszközök és a kórházi betegek tartósságára szolgáló eszközök (például katéterek)..

A pásztázó elektronmikroszkópia és a konfokális szkenner lézer mikroszkópia segítségével kiderült, hogy a biofilmek nem homogének, a strukturálatlan sejtek lerakódása és a felhalmozott iszap, de összetett heterogén struktúrák.

A biofilmek a társított sejtek összetett közösségei a felületen, amely egy nagyon hidratált polimer mátrixban van, amelynek víze a szerkezet nyitott csatornáin kering..

Sok olyan szervezet, amely a környezetben, például a nemzetségek fajaiban több millió évig fennmaradt Pseudomonas és Legionella, a biofilm stratégiát a natív környezetüktől eltérő környezetben használják.

index

• 1 A biofilmek jellemzői
  • 1.1 A biofilm mátrix kémiai és fizikai jellemzői
  • 1.2 A biofilmek ökofiziológiai jellemzői
• 2 Biofilm képződése
  • 2.1 A felülethez való kezdeti tapadás
  • 2.2 Egyrétegű és mikrokolonkok kialakítása többrétegű rétegekben
  • 2.3 A polimer extracelluláris mátrix előállítása és a háromdimenziós biofilm érése
• 3 A biofilmek típusai
  • 3.1 A fajok száma
  • 3.2 Képzési környezet
  • 3.3 Az interfész típusa, ahol létrehozott
• 4 Példák biofilmekre
  • 4.1 - A fogtábla
  • 4.2 -Bio film fekete vízben
  • 4.3 - Sub-aerial biofilmek
  • 4.4 - Az emberi betegségek okozati ágenseinek biofilmek
  • 4.5 - Bubikus pestis
  • 4.6 - Kórházi vénás katéterek
  • 4.7 - Az iparágban
• 5 A biofilmek rezisztenciája a fertőtlenítőszerekkel, a germicidekkel és az antibiotikumokkal szemben
• 6 Referenciák

A biofilmek jellemzői

A biofilm mátrix kémiai és fizikai jellemzői

-A biofilm mikroorganizmusok által kiváltott extracelluláris polimer anyagok, poliszacharidok makromolekulái, fehérjék, nukleinsavak, lipidek és más biopolimerek, amelyek többsége nagyon hidrofil, keresztmetszet, amely egy háromdimenziós struktúrát alkot, amelyet biofilm mátrixnak neveznek..

-A mátrix szerkezete erősen viszkoelasztikus, gumi tulajdonságokkal rendelkezik, ellenáll a tapadásnak és a mechanikai törésnek.

-A mátrix képes arra, hogy az extracelluláris poliszacharidok révén tapadjon az átfázisú felületekhez, beleértve a porózus közeg belső terét is..

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

-Vízcsatornái vannak, amelyeken keresztül oxigén, tápanyagok és hulladékanyagok keringenek, amelyek újrahasznosíthatók.

-A biofilm mátrixa védelmet és túlélést jelent a hátrányos környezetben, a fagocitás behatolókkal szembeni gát, valamint a fertőtlenítőszerek és az antibiotikumok bejutása és diffúziója ellen..

A biofilmek ökofiziológiai jellemzői

-A mátrix kialakulása az inhomogén gradiensekben számos mikro-élőhelyet hoz létre, amely lehetővé teszi a biológiai sokféleség létezését a biofilmben..

-A mátrixon belül a sejtes életmód radikálisan különbözik a szabad élettől, nem társult. A biofilm mikroorganizmusai immobilizálódnak, nagyon közel állnak egymáshoz, a telepekben; ez a tény intenzív kölcsönhatásokat tesz lehetővé.

-A biofilm mikroorganizmusok közötti kölcsönhatások közé tartozik a kémiai jelek útján történő kommunikáció egy "kvórumérzékelés" kódban..

-Vannak más fontos kölcsönhatások, mint például a génátvitel és a szinergikus mikrokomponensek kialakulása.

-A biofilm fenotípust a kapcsolódó sejtek által expresszált gének alapján lehet leírni. Ezt a fenotípust a növekedési sebesség és a genetikai transzkripció tekintetében módosítják.

-A biofilmben lévő organizmusok átírhatják azokat a géneket, amelyek nem transzponálják planktoni vagy szabad életformájukat.

-A biofilm képződését specifikus gének szabályozzák, amelyeket a kezdeti sejtadhézió során átírtak.

-A mátrix zárt térében vannak együttműködési és versenymechanizmusok. A verseny állandó alkalmazkodást eredményez a biológiai populációkban.

-Kollektív külső emésztőrendszer keletkezik, amely megtartja az extracelluláris enzimeket a sejtek közelében.

-Ez az enzimatikus rendszer lehetővé teszi a szétválasztást, felhalmozódást és metabolizálást, oldott, kolloid és / vagy szuszpendált tápanyagokat.

-A mátrix közös újrahasznosítási zóna, a lizált sejtek összetevőinek tárolása, valamint kollektív genetikai archívumként működik..

-A biofilm védő szerkezeti akadályként működik a környezeti változásokkal szemben, mint például a szárítás, a biocidok, az antibiotikumok, a gazdaszervezet immunválaszai, az oxidálószerek, a fém kationok, az ultraibolya sugárzás és a védekezés számos ragadozó ellen, mint például a fagocita protozoa és a rovar..

-A biofilm mátrixa egyedülálló ökológiai környezetet teremt a mikroorganizmusok számára, amely dinamikus életmódot biztosít a biológiai közösség számára. A biofilmek igazi mikro-ökoszisztémák.

Biofilm képződése

A biofilmek képződése olyan folyamat, amelyben a mikroorganizmusok a nomád egysejtű, szabadon élő állapotból egy többsejtű ülőállapotba lépnek, ahol az ezt követő növekedés strukturált közösségeket hoz létre, amelyek celluláris differenciálódással rendelkeznek.

A biofilm kialakulása az extracelluláris környezeti jelek és az önmaguk által generált jelek hatására történik.

A biofilmeket tanulmányozó kutatók egyetértenek abban, hogy lehetséges egy általánosított hipotetikus modell megalkotása annak megmagyarázására.

Ez a biofilmképzés modellje 5 szakaszból áll:

1. Kezdeti tapadás a felülethez.
2. Egyrétegű réteg kialakulása.
3. Migráció, hogy mikrokonfigurákat alkosson többrétegű rétegekben.
4. A polimer extracelluláris mátrix előállítása.
5. A háromdimenziós biofilm érése.

Kezdeti tapadás a felülethez

A biofilm kialakulása a mikroorganizmusok kezdeti tapadásával kezdődik, ahol immobilizáltak. Felismertük, hogy a mikroorganizmusoknak felületi érzékelők vannak, és a felületi fehérjék részt vesznek a mátrix kialakulásában.

A nem mobil szervezetekben, ha a környezeti feltételek kedvezőek, a külső felületen tapadó ragasztók termelése megnő. Ily módon a sejt-sejt és a sejtfelszíni tapadás kapacitása nő.

A mozgó fajok esetében az egyes mikroorganizmusok a felszínen helyezkednek el, és ez a kiindulópont a nomád mobil életmódja radikális változása felé, az ülő, szinte csendes.

A mozgás képessége elveszett, mert a mátrix kialakulásakor a különböző szerkezetek a ragasztóanyagok mellett részt vesznek, mint a flagella, a szilia, a pilus és a fimbrias..

Ezután mindkét esetben (mobil és nem mobil mikroorganizmusok) kis aggregátumok vagy mikro-kolóniák képződnek, és intenzívebb sejt-sejt kapcsolat jön létre; Adaptív fenotípusos változások következnek be az új környezetben, a csoportosított sejtekben.

Egyrétegű és mikrokolloniumok kialakítása többrétegű rétegekben

Elkezdődik az extracelluláris polimer anyagok előállítása, a kezdeti egyrétegű képződés és a későbbi fejlesztés többrétegű anyagokban.

A polimer extracelluláris mátrix előállítása és a háromdimenziós biofilm érése

Végül a biofilm eléri az érettségi fokát, háromdimenziós architektúrával és olyan csatornák jelenlétével, amelyeken keresztül a víz, tápanyagok, kommunikációs kémiai vegyületek és nukleinsavak keringenek..

A biofilm mátrixa megtartja a sejteket és együtt tartja őket, elősegítve az intercelluláris kommunikáció és a szinergikus konzorcium kialakulásának magas fokát. A biofilm sejtjei nincsenek teljesen rögzítve, belsejében mozoghatnak és maguk is leválaszthatók.

A biofilmek típusai

Fajok száma

A biofilmben résztvevő fajok számának megfelelően az utóbbit a következőképpen lehet besorolni:

• Egy faj biofilmjei. Például a Streptococcus mutans vagy Vellionela parvula.
• Két faj biofilmjei. Például a Streptococcus mutans és Vellionela parvula biofilmekben.
• Sok fajból álló polimikrobiális biofilmek. Például a fogpiszkáló.

Képzési környezet

Szintén a kialakuló környezetnek megfelelően a biofilmek lehetnek:

• természetes
• ipari
• háztartás
• Hospitalarias

Az interfész típusa, ahol létrehozott

Másrészről, attól függően, hogy milyen típusú interfészről van kialakítva, lehetséges, hogy azokat a következő kategóriákba sorolhatjuk:

• Szilárd-folyadék interfázisú biofilmek, a vízvezetékekben és tartályokban, csövekben és víztartályokban általában képzettek.
• Szilárd-gáz interfázisú biofilmek (SAB a rövidítések angol Sub Aereal Biofilms-ben); olyan mikrobiális közösségek, amelyek szilárd ásványi felületeken alakulnak ki, közvetlenül a légkör és a napsugárzás hatására. Ezek többek között az épületekben, meztelen sivatagi sziklákban, hegyekben találhatók.

Példák biofilmekre

-A fogpiszkáló

A fogtérképet tanulmányozták, mint egy érdekes példát a biofilmekben élő komplex közösségre. A fogászati ​​lemezek biofilmei kemények és nem rugalmasak, mivel szervetlen sók vannak jelen, amelyek merevséget adnak a polimer mátrixnak..

A fogtábla mikroorganizmusai nagyon változatosak, és a biofilmben 200-300 faj van.

Ezen mikroorganizmusok közül:

• A nem Streptococcus; a zománcot és a dentint demineralizáló savanyú baktériumok alkotják, és fogszuvasodást kezdeményeznek. Például a faj: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis és S. milleri.
• A nem Lactobacillus, a dentin fehérjék acidofil denaturáló baktériumaiból képződik. Például a faj: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• A nem Actinomyces, amelyek savas és proteolitikus mikroorganizmusok. Ezek közül a faj: Viscosus, A. odontoliticus és A. naeslundii.
• És más műfajok, például: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis és Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmek fekete vízben

Egy másik érdekes példa a háztartási szennyvizek, ahol a csövekhez csatolt biofilmekben élnek, az ammóniumot, a nitritet és az autotrofikus nitrifikáló baktériumokat oxidáló mikroorganizmusok..

Ezeknek a biofilmeknek az ammónium oxidáló baktériumai közül számszerűen domináns fajok, a nemzetségek Nitrosomonas, a biofilm mátrixban elosztva.

A nitrit-oxidánsok csoportjában a főbb komponensek a nemzetség Nitrospira, amelyek csak a biofilm belső részén találhatók.

-Sub-aerial biofilmek

A subaerialis biofilmekre jellemző, hogy a szilárd ásványi felületeken, mint például a sziklákon és a városi szerkezeteken tapasztaltak a tapaszok. Ezek a biofilmek dominálják a gombák, algák, cianobaktériumok, heterotróf baktériumok, protozoonok, valamint mikroszkópos állatok.

Különösen az SAB biofilmek kemolitotróf mikroorganizmusokkal rendelkeznek, amelyek energiaforrásként ásványi szervetlen vegyi anyagokat használhatnak.

A kemolitotróf mikroorganizmusok képesek szervetlen vegyületek, például H oxidálására₂, NH₃, NO₂, S, HS, hit²⁺ és használják ki az anyagcseréjükben lévő oxidációk elektromos potenciális energiatermékét.

A subaerialis biofilmekben jelenlévő mikrobiális fajok közül:

• A nemzetség baktériumai Geodermatophilus; a C nemzetség cianobaktériumaihrococcoccidiopsis, coccoid és fonalas fajok Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• A nemzetségek zöld alga Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia és Stichococcus.
• Heterotróf baktériumok (a szubaerális biofilmekben dominálnak): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. és Rhodococcus sp.
• Chemogorganotrophic baktériumok és gombák, mint Actynomycetales (streptomycetes és Geodermatophilaceae), Proteobaktériumok, Actinobaktériumok, Acidobaktériumok és baktériumok-cytophaga-Flavobacterium.

-Az emberi betegségek okozta ágensek biofilmei

Az emberi betegségek okozójaként ismert baktériumok közül sok biofilmekben él. Ezek közül a következők: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans és Legionella pneumophyla.

-Bubikus pestis

Érdekes, hogy a buborékcsípés a bolha harapással, a betegség okozta bakteriális ágens viszonylag nemrégiben történő adaptációja, Yersinia pestis.

Ez a baktérium a vektor felső emésztőrendszeréhez (a bolhához) csatlakoztatott biofilmként nő. A harapás során a bolha regenerálja a biofilmet Yersinia pestis a bőrben, és így a fertőzés megkezdődik.

-Kórházi vénás katéterek

A felfedezett központi vénás katéterekben a biofilmekből izolált organizmusok között meglepő a Gram-pozitív és a Gram-negatív baktériumok, valamint más mikroorganizmusok..

Számos tudományos tanulmány szerint a vénás katéterekben a biofilmek Gram-pozitív baktériumai: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. és Streptococcus pneumoniae.

Az ilyen biofilmekből izolált Gram-negatív baktériumok közül az alábbiakat jelentették: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. és Serratia marcescens.

Az ilyen biofilmekben található egyéb szervezetek: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis és Mycobacterium chelonei.

-Az iparágban

Ami az iparág működését illeti, a biofilmek cső akadályokat, berendezéseket károsítanak, interferenciákat okoznak az olyan folyamatokban, mint a hőcserélő, ha a hőcserélő felületeket fedik, vagy a fém alkatrészek korróziója.

Élelmiszeripar

A filmek kialakulása a táplálkozási ágak iparágaiban jelentős problémákat okozhat az operatív és a közegészségügy területén.

A társult kórokozók a biofilmekben szennyezhetik az élelmiszereket patogén baktériumokkal, és súlyos közegészségügyi problémákat okozhatnak a fogyasztókban.

Az élelmiszeriparhoz kapcsolódó kórokozók biofilmei közül:

Listeria monocytogenes

Ezt a kórokozót alkalmazzák a biofilm képződésének kezdeti szakaszában, a flagella és a membránfehérjékben. Formázzon biofilmet a szeletelő gépek acélfelületein.

A tejiparban biofilmek állíthatók elő Listeria monocytogenes folyékony tejben és tejtermékekben. A csövekben, tartályokban, tartályokban és egyéb eszközökben lévő tejmaradékok elősegítik a kórokozó biofilmek kifejlesztését, amelyek rendelkezésre álló tápanyagként használják őket.

Pseudomonas spp.

E baktériumok biofilmei megtalálhatók az élelmiszeriparban, mint például a padló, a csatornák és az élelmiszerfelületek, mint a hús, zöldség és gyümölcs, valamint az alacsony tejsavtartalmú származékok..

Pseudomonas aeruginosa titkosítson több extracelluláris anyagot, amelyeket a biofilm polimer mátrixának kialakításában használnak, nagy mennyiségű szervetlen anyaghoz, például rozsdamentes acélhoz ragasztva.

Pseudomonas a biofilmben együtt létezhetnek más patogén baktériumokkal, mint például a Salmonella és Listeria.

Salmonella spp.

A fajok Salmonella a bakteriális etiológia zoonózisainak és az élelmiszer-toxoinfekció kitörésének első okozója.

A tudományos vizsgálatok azt mutatják, hogy Salmonella biofilmek formájában a cement, az acél és a műanyag felületére, az élelmiszer-feldolgozó üzemek létesítményeire képes ragaszkodni.

A fajok Salmonella Felszíni szerkezeteik tapadó tulajdonságokkal rendelkeznek. Emellett cellulóz keletkezik extracelluláris anyagként, amely a polimer mátrix fő összetevője.

Escherichia coli

A biofilm kialakulásának kezdeti lépésében flagella és membránfehérjéket használ. Szintén extracelluláris cellulóz termel, hogy a mátrix háromdimenziós rácsát hozza létre a biofilmben.

A biofilmek rezisztenciája a fertőtlenítőszerekkel, a germicidekkel és az antibiotikumokkal szemben

A biofilmek védelmet nyújtanak a felépülő mikroorganizmusok, fertőtlenítőszerek, germicidek és antibiotikumok hatására. A funkciót lehetővé tevő mechanizmusok a következők:

• Az antimikrobiális szer késleltetett behatolása a biofilm háromdimenziós mátrixán keresztül, nagyon lassú diffúzió és a tényleges koncentráció elérésének nehézsége miatt.
• A mikroorganizmusok megváltozott növekedési sebessége és alacsony metabolizmusa a biofilmben.
• A mikroorganizmusok fiziológiai válaszaiban bekövetkező változások a biofilm növekedése során, megváltozott rezisztencia gének expressziójával.

referenciák

1. Bakteriális biofilmek. (2008). A mikrobiológia és az immunológia aktuális témái. Tony Romeo szerkesztő. 322. kötet. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. és Costerton, J.W. (2002). Biofilmek: klinikailag releváns mikroorganizmusok túlélési mechanizmusai. Klinikai mikrobiológiai vélemények.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. és Wingender, F. (2010). A biofilm mátrix. Nature Reviews Mikrobiológia. 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, H.B. és Kolter, R. (2000). Biofilm kialakulása mikrobás fejlődésként. A mikrobiológia éves felülvizsgálata.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. és Stoodley, P. (2004). Bakteriális biofilmek: a természetes környezetektől a fertőző betegségekig. Nature Reviews Mikrobiológia. 2: 95-108.
7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. és Mattick, J. (2002). A bakteriális biofilm kialakulásához szükséges extracelluláris DNS. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487