BIOPLĖVELĖS: CHARAKTERISTIKOS, FORMAVIMAS, TIPAI IR PAVYZDŽIAI - BIOLOGIJA - 2025

Kad biofilms arba biofilms yra bendruomenių mikroorganizmų, prijungtas prie paviršiaus, gyvenantys ekstraląstelinės matricos Polimerinės medžiagos savarankiškai - generuoja. Iš pradžių juos aprašė Antoine'as von Leeuwenhoekas, kai XVII amžiuje jis ištyrė „gyvulėlius“ (taip jis buvo pavadintas) ant plokštelės, pagamintos iš savo pačių dantų.

Biofilmų koncepcija ir jų formavimo procesą apibūdinanti teorija nebuvo sukurta iki 1978 m. Buvo išsiaiškinta, kad mikroorganizmų galimybė formuoti bioplėveles atrodo universali.

Stafilokoko aureus pagaminta bioplėvelė kateteryje. 1 pav. Šaltinis: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. per https://commons.wikimedia.org

Bioplėvelės gali egzistuoti įvairiose aplinkose, tokiose kaip natūralios sistemos, akvedukai, vandens kaupimo rezervuarai, pramoninės sistemos, taip pat įvairiose terpėse, tokiose kaip medicinos prietaisai ir ligoninių pacientų prietaisai (pavyzdžiui, kateteriai).

Taikant nuskaitymo elektronų mikroskopiją ir konfokalinę skenavimo lazerio mikroskopiją, buvo nustatyta, kad bioplėvelės nėra vienalytės, nestruktūruotos ląstelių sankaupos ir susikaupęs dumblas, o gana sudėtingos nevienalytės struktūros.

Bioplėvelės yra sudėtingos ląstelių, esančių paviršiuje, bendruomenės, įterptos į labai hidratuotą polimerinę matricą, kurios vanduo cirkuliuoja per atvirus struktūros kanalus.

Daugelis organizmų, kuriems pavyko išgyventi milijonus metų aplinkoje, pavyzdžiui, Pseudomonas ir Legionella genčių rūšys, naudoja bioplėvelės strategiją kitoje, nei jų gimtoji, aplinkoje.

Bioplėvelių charakteristikos

Biofilmo matricos cheminės ir fizinės savybės

-Polimerinės tarpląstelinės medžiagos, kurias išskiria biofilmų mikroorganizmai, polisacharidinės makromolekulės, baltymai, nukleorūgštys, lipidai ir kiti biopolimerai, dažniausiai labai hidrofilinės molekulės, kerta, sudarydamos trimatę struktūrą, vadinamą bioplėvelės matrica.

- Matricos struktūra yra labai viskoelastinga, pasižymi gumos savybėmis, yra atspari sukibimui ir mechaniniam skilimui.

-Matrica turi savybę prilipti prie sąsajos paviršių, įskaitant vidinius porėtos terpės tarpus, per tarpląstelinius polisacharidus, kurie veikia kaip lipnios dantenos.

-Polimerinė matrica yra daugiausia anijoninė ir joje taip pat yra neorganinių medžiagų, tokių kaip metalų katijonai.

-Jis turi vandens kanalus, per kuriuos cirkuliuoja deguonis, maistinės ir atliekos, kurias galima perdirbti.

Ši biofilmo matrica veikia kaip apsaugos ir išgyvenimo nuo nepalankios aplinkos priemonė, kliūtis fagocitiniams įsibrovėliams ir dezinfekavimo priemonių bei antibiotikų patekimui ir pasklidimui.

Biofilmų ekofiziologinės savybės

- Formavus matricą nevienarūšiuose gradientuose, susidaro įvairios mikro buveinės, kurios leidžia biologinei įvairovei egzistuoti bioplėvele.

-Matriklyje ląstelės gyvybės forma kardinaliai skiriasi nuo laisvo gyvenimo, nesusijusi. Biofilmo mikroorganizmai yra imobilizuoti, labai arti vienas kito, susieti kolonijose; šis faktas leidžia užmegzti intensyvią sąveiką.

- Biofilmo mikroorganizmų sąveika apima ryšį cheminiais signalais kodu, vadinamu „kvorumo jutimu“.

- Yra ir kitų svarbių sąveikų, tokių kaip genų perdavimas ir sinergetinių mikro konsorciumų formavimas.

- Biofilmo fenotipą galima apibūdinti pagal genus, kuriuos ekspresuoja susijusios ląstelės. Šis fenotipas pakito atsižvelgiant į augimo greitį ir genų transkripciją.

- Biofilme esantys organizmai gali perrašyti genus, kurie neperkopuoja jų planktoninių ar laisvųjų gyvybės formų.

- Biofilmo formavimo procesą reguliuoja specifiniai genai, perrašomi pradinio ląstelių adhezijos metu.

- Uždaroje matricos erdvėje yra bendradarbiavimo ir konkurencijos mechanizmai. Konkurencija skatina nuolatinę adaptaciją biologinėse populiacijose.

- Sukuriama kolektyvinė išorinė virškinimo sistema, kuri sulaiko tarpląstelinius fermentus šalia ląstelių.

Ši fermentinė sistema leidžia atskirti, kaupti ir metabolizuoti ištirpintas, koloidines ir (arba) suspenduotas maisto medžiagas.

Matrica veikia kaip bendra išorinė perdirbimo sritis, lizuotų ląstelių komponentų saugojimas, taip pat tarnauja kaip bendras genetinis archyvas.

- Biofilmas veikia kaip apsauginė struktūrinė kliūtis nuo aplinkos pokyčių, tokių kaip sausinimas, biocidų, antibiotikų, šeimininko imuninių reakcijų, oksidatorių, metalų katijonų, ultravioletinės spinduliuotės, apsauga, taip pat yra apsauga nuo daugelio plėšrūnų, tokių kaip fagocitiniai pirmuonys ir vabzdžiai.

- Biofilmo matrica sudaro unikalią ekologinę aplinką mikroorganizmams, leidžiančią dinamišką biologinės bendruomenės gyvenimo būdą. Bioplėvelės yra tikros mikroekosistemos.

Biofilmo formavimas

Biofilmo formavimasis yra procesas, kurio metu mikroorganizmai pereina iš laisvai gyvenančio vienaląsčio klajoklių būsenos į daugialąstelę sėdimąją būseną, kur vėlesnis augimas sukuria struktūrizuotas bendruomenes, išskiriančias ląsteles.

Biofilmo plėtra atsiranda reaguojant į tarpląstelinius aplinkos signalus ir savaime generuojamus signalus.

Bioplėveles tyrę tyrėjai sutinka, kad galima sudaryti bendrą hipotetinį modelį, paaiškinantį jų susidarymą.

Šis bioplėvelės formavimo modelis susideda iš 5 etapų:

1. Pradinis sukibimas su paviršiumi.
2. Vieno sluoksnio formavimas.
3. Migracija į daugiasluoksnes mikrokolonijas.
4. Polimerinės tarpląstelinės matricos gamyba.
5. Trimatės bio plėvelės brandinimas.

2 pav. Biofilmo formavimo procesas. Šaltinis: D. Davisas, per „Wikimedia Commons“

Pradinis sukibimas su paviršiumi

Bioplėvelės formavimas prasideda pradiniu mikroorganizmų sukibimu su kietu paviršiumi, kur jie imobilizuojami. Išsiaiškinta, kad mikroorganizmai turi paviršiaus jutiklius, o paviršiaus baltymai dalyvauja formuojant matricą.

Ne mobiliesiems organizmams, kai palankios aplinkos sąlygos, padidėja adhesinų gamyba jų išoriniame paviršiuje. Tokiu būdu padidėja jo sukibimas su ląstelėmis ir ląstelių paviršiumi.

Kilnojamųjų rūšių atveju atskiri mikroorganizmai yra paviršiuje, ir tai yra atskaitos taškas radikaliam jų gyvenimo būdo pokyčiui iš judriojo klajoklių į sėslų, beveik sėslų.

Dėl to formuojant matricą prarandamas gebėjimas judėti, be lipnių medžiagų, dalyvauja ir kitos struktūros, tokios kaip flagella, cilia, pilus ir fimbria.

Tuomet abiem atvejais (mobilūs ir nejudantys mikroorganizmai) susidaro maži agregatai arba mikrokolonijos ir susidaro intensyvesnis ląstelės-ląstelės kontaktas; grupuotose ląstelėse atsiranda adaptaciniai fenotipiniai pokyčiai naujoje aplinkoje.

Vieno sluoksnio ir mikrokolonijų formavimas daugiasluoksniuose sluoksniuose

Pradedama tarpląstelinių polimerinių medžiagų gamyba, pradinis formavimasis yra monosluoksnis, o vėliau vystosi daugiasluoksnis.

Polimerinės tarpląstelinės matricos pagaminimas ir trimatės bioplėvelės brendimas

Galiausiai bioplēva pasiekia brandos stadiją, turėdama trimatę struktūrą ir kanalus, per kuriuos cirkuliuoja vanduo, maistinės medžiagos, ryšių chemikalai ir nukleorūgštys.

Biofilmo matrica sulaiko ląsteles ir laiko jas kartu, skatindama aukštą sąveiką su tarpląsteline komunikacija ir sinergetinių konsorciumų formavimąsi. Biofilmo ląstelės nėra visiškai imobilizuotos, jos gali judėti jos viduje ir taip pat atsiriboti.

Bioplėvelių tipai

Rūšių skaičius

Pagal biofilme dalyvaujančių rūšių skaičių pastaruosius galima suskirstyti į:

• Rūšies bioplėvelės. Pavyzdžiui, Streptococcus mutans arba Vellionela parvula suformuotos bioplėvelės.
• Dviejų rūšių bioplėvelės. Pavyzdžiui, taip pat buvo aptiktas Streptococcus mutans ir Vellionella parvula ryšys bioplėvėse.
• Polimikrobinės bioplėvelės, sudarytos iš daugelio rūšių . Pavyzdžiui, dantų apnašos.

Treniruočių aplinka

Bioplėvelės, priklausomai nuo aplinkos, kurioje jos susidaro, gali būti:

• Natūralus
• Pramoninis
• Buitiniai
• Svetingas

3 pav. Termofilinių bakterijų biofilmai Mickey Hot Springs, Oregonas, JAV. Šaltinis: „Amateria1121“, iš „Wikimedia Commons“

Sąsajos tipas, kur jos sukuriamos

Kita vertus, pagal sąsajos, kurioje jie yra suformuoti, tipus galima suskirstyti į:

• Kietojo ir skysčio sąsajos bioplokštės , tokios kaip tokios, kurios susidaro akvedukuose ir rezervuaruose, vamzdžiuose ir vandens rezervuaruose apskritai.
• Kietųjų dujų sąsajos biofilmai (SAB, kurio santrumpa yra angliškai „Sub Aereal“ biofilmai); kurios yra mikrobų bendruomenės, besivystančios ant kietų mineralinių paviršių, tiesiogiai veikiamos atmosferos ir saulės spindulių. Jie randami pastatuose, plikose dykumos uolienose, kalnuose.

Biofilmų pavyzdžiai

-Dantų apnašos

Dantų apnašos buvo tiriamos kaip įdomus kompleksinės bendruomenės, gyvenančios bioplėvelėse, pavyzdys. Dantų plokštelių biofilmai yra kieti ir neelastingi dėl neorganinių druskų, kurios suteikia polimerinės matricos tvirtumą.

Dantų apnašų mikroorganizmai yra labai įvairūs ir bioplėvelyje yra nuo 200 iki 300 susijusių rūšių.

Tarp šių mikroorganizmų yra:

• Streptococcus gentis ; sudarytas iš rūgščių rūgščių bakterijų, kurios demineralizuoja emalį ir dentiną bei inicijuoja dantų ėduonį. Pavyzdžiui, rūšys: mutanai, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ir S. milleri.
• Lactobacillus gentis , sudaryta iš acidofilinių bakterijų, denatūruojančių dentino baltymus. Pavyzdžiui, rūšys: kazei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Actinomyces gentis , kurie yra rūgštiniai ir proteolitiniai mikroorganizmai. Tarp jų rūšys: viskozė, A. odontoliticus ir A. naeslundii.
• Ir kitos gentys , tokios kaip: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ir Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmai juodame vandenyje

Kitas įdomus pavyzdys yra buitinės nuotekos, kur nitrifikuojantys mikroorganizmai, oksiduojantys amonį, nitritus ir autotrofines nitrifikuojančias bakterijas, gyvena prie vamzdžių pritvirtintose bioplėvelėse.

Tarp šių bioplėvelių amonį oksiduojančių bakterijų skaičiumi dominuojančios rūšys yra Nitrosomonas genties rūšys, pasiskirsčiusios visame bioplėvelės matricoje.

Dauguma nitritų oksidantų grupės komponentų yra Nitrospira genties komponentai, esantys tik vidinėje bioplėvelės dalyje.

- Subaerie bioplėvelės

Besiūliams bioplėvelėms būdingas nevienalytis augimas ant kietų mineralinių paviršių, tokių kaip uolienos ir miesto pastatai. Šiose bioplėvėse vyrauja grybelių, dumblių, melsvadumblių, heterotrofinių bakterijų, pirmuonių, taip pat mikroskopinių gyvūnų asociacijos.

Visų pirma, SAB biofilmai turi chemolitotrofinius mikroorganizmus, gebančius panaudoti neorganines mineralines chemines medžiagas kaip energijos šaltinius.

Chemolitotrofiniai mikroorganizmai turi galimybę oksiduoti neorganinius junginius, tokius kaip H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ^2+, ir panaudoti elektrinio potencialo energiją, kurią sukelia jų metabolizme vykstantys oksidacijos procesai.

Tarp mikrobinių rūšių, esančių subbaerialiniuose bioplėviuose, yra:

• Geodermatophilus genties bakterijos; C hrococccidiopsis genčių bakterijos, kokosų ir gijinių rūšių, tokių kaip Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ir Stichococcus genčių žali dumbliai.
• Heterotrofinės bakterijos (dominuojančios subbaerialinėse plėvelėse): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. ir Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrofinės bakterijos ir grybeliai, tokie kaip Actynomycetales (streptomicetai ir Geodermatophilaceae), proteobakterijos, Actinobacteria, Acidobacteria ir Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmai apie žmonių ligų sukėlėjus

Daugybė bakterijų, žinomų kaip žmonių ligų sukėlėjai, gyvena bioplėvelėse. Tarp jų yra: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ir Legionella pneumophyla.

-Buboninis maras

Susidomėjimas yra buboninio maro pernešimas blusų įkandimu, palyginti neseniai pritaikytas bakterinis sukėlėjas, atsakingas už šią ligą - Yersinia pestis.

Ši bakterija auga kaip bioplėvelė, pritvirtinta prie vektoriaus viršutinės virškinimo sistemos (blusos). Kramtymo metu blusa regurgituoja dermoje esančią Yersinia pestis turinčią bioplėvelę ir taip inicijuoja infekciją.

-Hospitalo veniniai kateteriai

Organizmai, išskirti iš bioplėvelės ant išaiškintų centrinių venų kateterių, apima nuostabų gramneigiamų ir gramneigiamų bakterijų, taip pat kitų mikroorganizmų kiekį.

Keli moksliniai tyrimai teigia, kad venų kateteriuose yra gramteigiamos bioplėvelių bakterijos: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. ir Streptococcus pneumoniae.

Tarp gramneigiamų bakterijų, išskirtų iš šių bioplėvelių, yra šie: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogenai, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas. . ir Serratia marcescens.

Kiti organizmai, randami šiuose bioplėviuose, yra: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ir Mycobacterium chelonei.

-Pramonėje

Kalbant apie pramonės veiklą, biofilmai sukelia vamzdžių kliūtis, įrangos pažeidimus, trukdžius tokiuose procesuose, kaip šilumos perdavimas dengiant šilumokaičio paviršius arba metalinių dalių korozija.

Maisto pramone

Filmų formavimas maisto pramonėje gali sukelti didelių visuomenės sveikatos ir veiklos problemų.

Susieti patogenai bioplėvelėse gali užteršti maisto produktus patogeninėmis bakterijomis ir sukelti rimtų visuomenės sveikatos problemų vartotojams.

Tarp patogenų, susijusių su maisto pramone, biofilmų yra:

Listeria monocytogenes

Šis patogenas naudoja pradiniame biofilmų formavimosi etape, žvynelių ir membranų baltymuose. Formuoja bio plėveles ant pjaustymo mašinų plieninių paviršių.

Pieno pramonėje Listeria monocytogenes bioplėvės gali būti gaminamos skystame piene ir pieno produktuose. Pieno likučiai vamzdynuose, rezervuaruose, induose ir kituose prietaisuose skatina šio patogeno bioplėvelių, kurios jas naudoja kaip turimas maistines medžiagas, vystymąsi.

Pseudomonas

Šių bakterijų bioplėveles galima rasti maisto pramonės įrenginiuose, tokiuose kaip grindys, kanalizacijos įrenginiai, ir ant maisto paviršių, pavyzdžiui, mėsos, daržovių ir vaisių, taip pat mažai rūgščių pieno darinių.

Pseudomonas aeruginosa išskiria kelias tarpląstelines medžiagas, kurios naudojamos bioplokštės polimerinei matricai formuoti, prilipdamos prie didelio kiekio neorganinių medžiagų, tokių kaip nerūdijantis plienas.

Pseudomonas gali egzistuoti bioplėvele kartu su kitomis patogeninėmis bakterijomis, tokiomis kaip Salmonella ir Listeria.

Salmonelės

Salmonelių rūšys yra pirmasis priežastinis veiksnys, sukeliantis bakterinę etiologiją ir apsinuodijimo maistu protrūkius.

Moksliniai tyrimai parodė, kad salmonelės gali lipti kaip bioplėvelės ant betoninių, plieninių ir plastikinių paviršių maisto perdirbimo įmonių patalpose.

Salmonelių rūšys turi lipnias savybes turinčias paviršiaus struktūras. Be to, ji gamina celiuliozę kaip tarpląstelinę medžiagą, kuri yra pagrindinis polimerinės matricos komponentas.

Escherichia coli

Pradiniame biologinio plėvelės formavimo etape naudojami žvyneliai ir membraniniai baltymai. Ji taip pat gamina tarpląstelinę celiuliozę, kad susidarytų matricos trimatis karkasas bioplēvoje.

Biofilmų atsparumas dezinfekavimo priemonėms, germicidams ir antibiotikams

Biofilmai apsaugo juos sudarančius mikroorganizmus, dezinfekavimo, germicidų ir antibiotikų veikimą. Šią funkciją leidžiantys mechanizmai yra šie:

• Dėl labai lėtos difuzijos ir sunkumų pasiekti efektyvią koncentraciją antimikrobinio agento įsiskverbimas per trimatę bioplėvelės matricą.
• Pasikeitė augimo greitis ir mažas mikroorganizmų metabolizmas bioplėvele.
• Mikroorganizmų fiziologinių reakcijų pokyčiai bioplėvelės augimo metu, pakitus atsparumo geno raiškai.

Nuorodos

1. Bakterijų bioplėvelės. (2008). Aktualios mikrobiologijos ir imunologijos temos. Tony Romeo redaktorius. 322 tomas. Berlynas, Hanoveris: „Springer Verlag“. pp301.
2. Donlan, RM ir Costerton, JW (2002). Bioplėvelės: kliniškai reikšmingų mikroorganizmų išgyvenimo mechanizmai. Klinikinės mikrobiologijos apžvalgos. 15 (2): 167–193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Flemingas, HC ir Wingenderis, F. (2010). Biofilmo matrica. Gamta Apžvalga Mikrobiologija. 8: 623-633.
4. Gorbušina, A. (2007). Gyvenimas ant uolų. Aplinkos mikrobiologija. 9 (7): 1–24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB ir Kolter, R. (2000). Biofilmo formavimasis kaip mikrobų vystymasis. Metinė mikrobiologijos apžvalga 54: 49–79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW ir Stoodley, P. (2004). Bakterijų bioplėvelės: nuo natūralios aplinkos iki infekcinių ligų. Gamta Apžvalga Mikrobiologija. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ir Mattick, J. (2002). Tarpląstelinė DNR, reikalinga bakterijų bioplėvelei formuoti. 259 (5559): 1487–1499. doi: 10.1126 / mokslas.295.5559.1487