מאפיינים ביופילמים, היווצרות, סוגים ודוגמאות

ה biofilms o biofilms הם קהילות של מיקרואורגניזמים מחוברת למשטח, החיים מטריצה ​​עצמית שנוצר של חומרים פולימריים תאיים. הם תוארו לראשונה על ידי אנטואן פון ליוונהוק, כאשר בחן את "האנימיות" (ובכך הוטבל על ידו), על לוח של חומר משיניו שלו במאה השבע עשרה.

התיאוריה המבינה biofilms ומתאר תהליך היווצרות שלהם לא פותחה עד 1978. התברר כי היכולת של מיקרואורגניזמים ליצור biofilms נראה אוניברסלי.

Biofilms יכול להתקיים בסביבות מגוונות כגון מערכות טבעיות, אמות מים, מכלי אחסון מים, מערכות תעשייתיות במגוון דרכים כמו מכשירים רפואיים ומכשירים בילו בחולים חולים (כפי צנתרים, למשל).

באמצעות שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק מיקרוסקופיה confocal סריקת לייזר, נמצא כי biofilms אינם פיקדונות הומוגנית, תא destructured וברפש שנצבר, אלא מבנים הטרוגנית המורכבת.

Biofilms הם קהילות מורכבות של תאים הקשורים על פני השטח, כלול מטריקס פולימר מאוד מים אשר זורמת דרך ערוצי הפתוח של המבנה.

אורגניזמים רבים אשר הצליחו בהישרדותם של מיליוני שנים בסביבה, למשל מינים של הגנרל פסודומונס ו לגיונלה, הם משתמשים באסטרטגיה biofilm בסביבות שונות מסביבות יליד הילידים שלהם.

אינדקס

• 1 מאפייני biofilms
  • 1.1 תכונות כימיות ופיסיקליות של מטריצת הביופילם
  • 1.2 תכונות אקופיזיולוגיות של biofilms
• 2 היווצרות ביופילם
  • 2.1 הידבקות ראשונית על פני השטח
  • 2.2 גיבוש של monolayer ו microcolonies ב multilayers
  • 2.3 ייצור של מטריצה ​​תאית פולימרית התבגרות של biofilm תלת מימדי
• 3 סוגי biofilms
  • 3.1 מספר המינים
  • 3.2 סביבת ההדרכה
  • 3.3 סוג הממשק שבו הם נוצרים
• 4 דוגמאות של biofilms
  • 4.1 - לוח השיניים
  • 4.2 - סרט ביו שחור
  • 4.3 - ביופילמים תת - אוויריים
  • 4.4 - ביופילמים של גורמים סיבתיים למחלות אנושיות
  • 4.5 - מגפה בובונית
  • 4.6 - קטטרים ורידיים בבתי חולים
  • 4.7 - בענף
• 5 התנגדות של biofilms לחומרי חיטוי, גרמיצידים ואנטיביוטיקה
• 6 הפניות

מאפייני biofilms

תכונות כימיות ופיזיות של מטריצת הביופילם

-חומרים פולימריים תאיים מופרש על ידי מיקרואורגניזמים ביופילם, מקרומולקולות של סוכרים, חלבונים, חומצות גרעין, שומנים biopolymers אחרים, מולקולות בעיקר מאוד הידרופילי, מצטלבים ליצור מבנה תלת ממדי שנקרא מטריקס ביופילם.

-המבנה של המטריצה ​​הוא מאוד viscoelastic, יש תכונות גומי, עמיד בפני מתיחה וקרע מכני.

-מטריצה ​​יש את היכולת לדבוק משטחי interfase, כולל רווחים פנימיים של התקשורת נקבובי, באמצעות סוכרים תאיים הפועלים כחניכיים דביקים.

-פולימר המטריצה ​​היא בעיקר anionic וכולל גם חומרים אנאורגניים כגון קטיונים מתכת.

-יש לו ערוצי מים שדרכו חמצן, חומרים מזינים וחומרים פסולת להסתובב כי ניתן למחזר.

-מטריצה ​​זו של biofilm, פועלת כאמצעי הגנה והישרדות בסביבות שליליות, מחסום נגד פולשים phagocytic ונגד כניסתם ופיזורם של חומרי חיטוי ואנטיביוטיקה.

מאפיינים אקופיזיולוגיים של biofilms

-היווצרות המטריצה ​​במעברי צבע לא-הומוגניים מייצרת מגוון של מיקרוא-בתים, המאפשרת למגוון הביולוגי להתקיים בתוך biofilm.

-בתוך המטריצה, אורח החיים הסלולרי שונה בתכלית מהחיים החופשיים, אינו קשור. מיקרואורגניזמים של biofilm משותקים, קרובים מאוד זה לזה, הקשורים המושבות; עובדה זו מאפשרת אינטראקציות אינטנסיביות להתרחש.

-אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים biofilm כוללים תקשורת באמצעות אותות כימיים בקוד שנקרא "קוורום חישה".

-ישנן אינטראקציות חשובות אחרות כגון העברת גנים והיווצרותם של סינרגיסטים.

-פנוטיפ biofilm ניתן לתאר במונחים של הגנים לידי ביטוי על ידי התאים הקשורים. פנוטיפ זה משתנה ביחס לשיעור הצמיחה ותעתיק גנטי.

-אורגניזמים בתוך biofilm יכול לתעתק גנים שאינם לתעתק flanktonic שלהם או צורות חיים חינם.

-תהליך היווצרות biofilm מוסדר על ידי גנים ספציפיים, transcribed במהלך הידבקות התא הראשונית.

-במרחב המצומצם של המטריצה ​​קיימים מנגנוני שיתוף פעולה ותחרות. התחרות יוצרת הסתגלות מתמדת באוכלוסיות הביולוגיות.

-מערכת עיכול חיצונית קולקטיבית, אשר שומרת על האנזימים החוץ תאיים ליד התאים.

-מערכת אנזימטית זו מאפשרת לסלק, לצבור ולמטבוליזם, חומרים מומסים, קולואידים ו / או מושהים.

-המטריצה ​​מתפקדת כאזור חיצוני משותף של מיחזור, אחסון של מרכיבי תאים lysed, המשמש גם כארכיון גנטי קולקטיבי.

-פונקציות Biofilm כמחסום מגן לשינויים סביבתיים מבניים כגון ייבוש, הפעולה של ביוצידים, אנטיביוטיקה, תגובות חיסוניות המארח, סוכני חמצון, קטיונים מתכת, והקרינה האולטרה סגולה היא גם הגנה מפני טורפים רבים כמו פרוטוזואה phagocytic וחרקים.

-מטריצה ​​של biofilm מהווה סביבה אקולוגית ייחודית עבור מיקרואורגניזמים, המאפשרת אורח חיים דינמי לקהילה הביולוגית. Biofilms הם מיקרו אקולוגית אמיתית.

היווצרות ביופילם

היווצרות biofilm היא תהליך שבו מיקרואורגניזמים לעבור למצב חד-תאית נוודים,-חיים חינם, תאי מדינה בישיבה שבה צמיחה נוספת מייצרת קהילות מובנהיות והתמיינות תאים.

פיתוח Biofilm מתרחשת בתגובה אותות סביבתיים תאיים אותות שנוצר עצמית.

חוקרים אשר למדו biofilms מסכימים כי ניתן לבנות מודל היפותטי כללי להסביר את היווצרותם.

מודל זה של היווצרות biofilm מורכב 5 שלבים:

1. הידבקות ראשונית על פני השטח.
2. גיבוש של monolayer.
3. הגירה כדי ליצור microcolonies ב multilayers.
4. ייצור מטריצה ​​תאית פולימרית.
5. התבגרות של biofilm תלת מימדי.

הידבקות ראשונית על פני השטח

היווצרות של biofilm מתחיל עם הידבקות ראשונית של מיקרואורגניזמים על משטח מוצק, שם הם משותקים. התגלה כי מיקרואורגניזמים יש חיישנים השטח וכי חלבונים פני השטח מעורבים היווצרות של המטריצה.

ב אורגניזמים שאינם ניידים, כאשר התנאים הסביבתיים הם נוחים, הייצור של דשנים על פני השטח החיצוניים שלהם הוא גדל. בדרך זו, קיבולת התא שלה ואת שטח התא הידבקות מגביר.

במקרה של מינים ניידים, מיקרואורגניזמים בודדים ממוקמים על משטח וזה נקודת המוצא לקראת שינוי קיצוני של החיים הניידים שלהם נוודים, בישיבה, כמעט נינוח.

היכולת של התנועה הוא איבד כי במבנה של המטריצה, המבנים השונים להשתתף כמו flagella, cilia, pilus ו fimbrias, מלבד חומרים דבק.

לאחר מכן, בשני המקרים (מיקרואורגניזמים ניידים ולא ניידים), אגרגטים קטנים או מיקרו-מושבות נוצרים ומגע תא אינטנסיבי יותר נוצר; שינויים פנוטיפיים מסתגלים להתרחש בסביבה החדשה, בתאים מקובצים.

גיבוש של monolayer ו microcolonies ב multilayers

הייצור של חומרים פולימריים תאיים מתחיל, היווצרות monolayer הראשונית מתרחשת התפתחות הבאים multilayers.

ייצור של מטריצה ​​תאית פולימרית התבגרות של biofilm תלת מימדי

לבסוף, ביופילם מגיע שלב בגרות, עם ארכיטקטורה תלת ממדי ונוכחות של ערוצים שדרכו להסתובב במים, חומרים מזינים, תקשורת הכימיקלים וחומצות גרעין.

המטריצה ​​של biofilm שומרת על התאים ושומרת אותם יחד, מקדמת רמה גבוהה של אינטראקציה עם תקשורת בין תאית ויצירת קונסורציום סינרגיסטי. התאים של biofilm אינם משותקים לחלוטין, הם יכולים לנוע בתוכו וגם לנתק את עצמם.

סוגי biofilms

מספר מינים

על פי מספר המינים המשתתפים biofilm, האחרון יכול להיות מסווגים לתוך:

• Biofilms של מין. לדוגמה, biofilms נוצר על ידי סטרפטוקוקוס מוטאנס o Vellionela parvula.
• Biofilms של שני מינים. לדוגמה, העמותה של סטרפטוקוקוס מוטאנס ו Vellionela parvula ב biofilms.
• ביופילמים פולימיקרוביאליים, המורכבים ממינים רבים. לדוגמה, רובד שיניים.

סביבת ההדרכה

גם לפי הסביבה שבה הם נוצרים, biofilms יכול להיות:

• טבעי
• תעשייה
• מקומי
• בתי חולים

סוג הממשק שבו הם נוצרים

מאידך, בהתאם לסוג הממשק שבו הם נוצרים, ניתן לסווג אותם ב:

• ביופילמים בינעירוניים מוצקים, כמו אלה שנוצרו באקוודוקטים ובטנקים, בצינורות ובמיכלי מים בכלל.
• גז ביופילמים של גז מוצק (SAB עבור קיצורים שלה באנגלית תת Biofilms); שהם קהילות מיקרוביאליות המתפתחות על גבי משטחים מינרליים מוצקים, שנחשפות ישירות לאוויר ולקרני השמש. הם נמצאים בבניינים, סלעים מדבריים עירומים, הרים, בין היתר.

דוגמאות של biofilms

-לוח השיניים

לוח השיניים נחקר, כדוגמה מעניינת של קהילה מורכבת המתגוררת בביופילמים. Biofilms של לוחות שיניים קשה ולא אלסטי, בשל נוכחותם של מלחים אנאורגניים, אשר נותנים קשיחות מטריצה ​​פולימרית.

מיקרואורגניזמים של לוחית שיניים הם מגוונים מאוד ויש בין 200 ל 300 מינים הקשורים biofilm.

בין מיקרואורגניזמים אלה, הם:

• המין סטרפטוקוקוס; שנוצרו על ידי חיידקים חומציים כי demineralize אמייל דנטין, וליזום עששת שיניים. לדוגמה, המין: מוטאנים, ס. סברינוס, סנגוויס, ס 'סאליביס, ס' מיטיס, ס 'אוראליס ו ס 'מילרי.
• המין לקטובצילוס, שנוצרו על ידי חיידקים denaturing acidophilic של חלבונים dentin. לדוגמה, המין: casei, L. פרמנטום, L. acidophillus.
• המין Actinomyces, אשר מיקרואורגניזמים aciduric ו proteolytic. בין אלה, המין: viscosus, א odontoliticus א ו א naeslundii.
• ועוד ז'אנרים, ליום you קנדידה אלביקנס, Bacteroides forsythus, פורפירומונס gingivalis ו אקטנובצילוס.

-ביופילמים במים שחורים

עוד שפכים ביתיים מעניין למשל, שם הם גרים biofilms דבקות צנרת, מחמצנים מיקרואורגניזמים ניטיריפיקציה ניטריט אמוניום וחיידקים ניטיריפיקציה אוטוטרופי.

בין חיידקים חמצון אמוניום של biofilms אלה, הם נמצאים כמין דומיננטי מינית, אלה של הסוג Nitrosomonas, מופץ ברחבי המטריצה ​​biofilm.

המרכיבים העיקריים בתוך הקבוצה של חמצון ניטריט הם אלה של הסוג ניטרוספירה, אשר ממוקמים רק בחלק הפנימי של biofilm.

-תת-ביו-פילם אווירית

ביופילמס subaerial מאופיינים על ידי גידול טלאים על משטחים מינרליים מוצקים כגון סלעים ומבנים עירוניים. ביו-פילמים אלה הם בעלי אסוציאציות דומיננטיות של פטריות, אצות, ציאנובקטריה, חיידקים הטרוטרופיים, פרוטוזואה, וחיות מיקרוסקופיות.

במיוחד, biofilms SAB להחזיק מיקרואורגניזמים chemolithotrophic, מסוגל להשתמש מינרלים חומרים כימיים מינרליים כמו מקורות אנרגיה.

מיקרואורגניזמים Chemolithotrophic יש את היכולת לחמצן תרכובות אנאורגניות כגון H₂, NH₃, לא₂, S, HS, אמונה²⁺ ולנצל את הפוטנציאל החשמלי של מוצר האנרגיה של חמצון בחילוף החומרים שלהם.

בין המינים החיידקים הקיימים ביו-פילמים תת-קרקעיים, הם:

• חיידקים של הסוג Geodermatophilus; cyanobacteria של הגנרל Cכרכום, coccoid ו מינים filamentous כמו Calothrix, Gloeocapsa, נוסטוק, Stigonema, Phormidium,
• אצות ירוקות של הגנרסה Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ו Stichococcus.
• חיידקים הטרוטרופיים (דומיננטיים בביופילמים תת-קרקעיים): ארתרובטקטר, באסילוס, מיקרוסקוקוס sp., Paenibacillus sp., פסודומונס sp. ורודוקוקוס sp.
• Chemogorganotrophic חיידקים ופטריות כמו Actynomycetales (streptomycetes ו Geodermatophilaceaeae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria ו- bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilms של סוכני סיבתי של מחלות אנושיות

רבים מהחיידקים הידועים כגורמים סיבתיים למחלות אנושיות חיים בביופילמים. בין אלה, הם: cholerae Vibrio, parahaemolyticus Vibrio, Vibrio fischeri, parvula Vellionela, mutans סטרפטוקוקוס ו לגיונלה פניאופיליה.

-מגפה בובונית

זה מעניין את העברת המגיפה bobonic על ידי נשיכת פרעוש, הסתגלות האחרונות יחסית של סוכן חיידקי סיבתי של המחלה, Yersinia pestis.

חיידק זה גדל כמו biofilm מחובר למערכת העיכול העליונה של וקטור (פרעוש). במהלך נגיסה, הפרעוש reurgitates biofilm המכיל Yersinia pestis בדרמיס וכך מתחיל הזיהום.

-צנתרים ורידיים של בית החולים

בין הבידודים של biofilms ב צנתרים מרכזיים ורידי explanted מצאו מגוון מדהים של גראם חיובי גראם שליליים חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים.

מספר מחקרים מדעיים מדווחים כחיידקים חיוביים בגראם של ביופילמים בצנתרים ורידיים: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., אנטוקוקוס פקאליס, אנטוקוקוס פאסיום, סטפילוקוקוס spp., סטפילוקוקוס אאורוס, סטפילוקוקוס אפידרמידיס, סטרפטוקוקוס spp. ו סטרפטוקוקוס דלקת ריאות.

בין החיידקים השליליים של גראם המבודדים מ biofilms אלה מדווחים: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, anitratus Acinetobacter, Enterobacter cloacae, aerogens Enterobacter, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, spp פרוטאוס., Providencia spp. ו Serratia marcescens.

אורגניזמים אחרים שנמצאו ביופילמים אלה הם: קנדידה spp., קנדידה אלביקנים, קנדידה טרופי ו Mycobacterium chelonei.

-בענף

באשר למבצע של התעשייה, biofilms שנוצר ממכשולי צנרת, ניזק לציוד, תהליכי התערבות כגון משטחי העברת חום לכסות מחליפים, או קורוזיה של חלקי מתכת.

תעשיית המזון

היווצרות סרטים בתעשיות של ענף אלמנטרי יכולה ליצור בעיות חשובות אופרטיביות ובריאות הציבור.

פתוגנים הקשורים ב biofilms יכול לזהם מוצרי מזון עם חיידקים פתוגניים ולגרום לבעיות חמורות בריאות הציבור הצרכנים.

בין biofilms של פתוגנים הקשורים לתעשיית המזון, יש:

ליסטריה מונוציטוגנים

פתוגן זה מעסיק בשלב הראשוני של היווצרות biofilm, חלבי flagella ו ממברנה. טופס biofilms על משטחי פלדה של מכונות חיתוך.

בתעשיית החלב, biofilms יכול להיות מיוצר ליסטריה מונוציטוגנים בחלב נוזלי ומוצרי חלב. שאריות חלב בצינורות, טנקים, מכולות והתקנים אחרים, לטובת הפיתוח של biofilms של הפתוגן זה שמשתמש בהם כמו חומרי הזנה זמינים.

פסודומונס spp.

Biofilms של חיידקים אלה ניתן למצוא מתקנים לתעשיית המזון, כגון רצפות, מנקז ומשטחים של מזון כגון בשר, ירקות ופירות, יחד עם חלב נגזרים חומצה נמוכה.

Pseudomonas aeruginosa סודי מספר חומרים תאיים אשר משמשים היווצרות של מטריצת פולימר של biofilm, היצמדות כמות גדולה של חומרים אנאורגניים כגון נירוסטה.

פסודומונס יכול להתקיים בתוך biofilm בשיתוף עם חיידקים פתוגניים אחרים כגון סלמונלה ו ליסטריה.

סלמונלה spp.

המינים של סלמונלה הם הסוכן הסיבתי הראשון של zoonoses של אטיולוגיה חיידקים התפרצויות של toxoinfection מזון.

מחקרים מדעיים הראו זאת סלמונלה יכול לדבוק בצורה של biofilms, על פני השטח של מלט, פלדה ופלסטיק, של מתקני מזון עיבוד צמחים.

המינים של סלמונלה יש להם מבנים פני השטח עם תכונות חסיד. בנוסף, הוא מייצר תאית כחומר תאיים, המהווה את המרכיב העיקרי של המטריצה ​​פולימר.

Escherichia coli

הוא משתמש חלבונים flagella ו ממברנה בשלב הראשוני של היווצרות biofilm. הוא גם מייצר תאית תאיים כדי ליצור את הסריג תלת מימדי של המטריצה ​​ב biofilm.

ההתנגדות של biofilms לחומרי חיטוי, גרמיצידים ואנטיביוטיקה

Biofilms מציעים הגנה על מיקרואורגניזמים שמרכיבים אותו, לפעולה של חיטוי, קוטלי חידקים ואנטיביוטיקה. המנגנונים המאפשרים תכונה זו הם:

• חדירה מאוחרת של החומר האנטי-מיקרוביאלי באמצעות המטריצה ​​התלת-ממדית של הביופילם, על ידי דיפוזיה איטית מאוד וקושי להגיע לריכוז יעיל.
• שינוי בקצב הצמיחה ומטבוליזם נמוך של מיקרואורגניזמים ב biofilm.
• שינויים בתגובות הפיזיולוגיות של מיקרואורגניזמים במהלך הצמיחה biofilm, עם ביטוי של גנים ההתנגדות השתנה.

הפניות

1. ביופילמים בקטריאליים. (2008). נושאים נוכחיים במיקרוביולוגיה ואימונולוגיה. עורך טוני רומיאו. כרך 322. ברלין, הנובר: ספרינגר ורלאג. pp301.
2. דונלן, ר. ו קוסטרטון, J.W. (2002). Biofilms: מנגנוני הישרדות של מיקרואורגניזמים קליניים רלוונטיים. סקירות מיקרוביולוגיה קלינית.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. פלמינג, H.C. ו- Wingender, F. (2010). מטריצת הביופילם. טבע ביקורות מיקרוביולוגיה. 8: 623-633.
4. גורבושינה, א. (2007). החיים על הסלעים. מיקרוביולוגיה סביבתית. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. ו קולטר, ר '(2000). יצירת ביופילם כהתפתחות מיקרוביאלית. סקירה שנתית של מיקרוביולוגיה 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. הול סטודלי, ל ', קוסטרטון, ג' יי. ו Stoodley, P. (2004). ביופילמים בקטריאליים: מהסביבה הטבעית למחלות זיהומיות. טבע ביקורות מיקרוביולוגיה. 2: 95-108.
7. וויצ'רץ ', ק', טולקר-נילסן, ט ', ראגאס, פ' ומאטיק, י '(2002). דנ"א תאיים נדרש ליצירת biofilm חיידקי. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487