Biofilmy sú súborom jedného alebo viacerých typov mikroorganizmov, ktoré môžu rásť na mnohých rôznych povrchoch. Mikroorganizmy, ktoré tvoria biofilmy, zahŕňajú baktérie, huby a protisty.
Jeden z bežných príkladov zubného povlaku z biofilmu, tenký nános baktérií, ktoré sa tvoria na povrchoch zubov. Rybník spodina je ďalší príklad. Zistilo sa, že biofilmy rastú na mineráloch a kovoch. Boli nájdené pod vodou, pod zemou a nad zemou. Môžu rásť v rastlinných tkanivách a živočíšnych tkanivách a na implantovaných zdravotníckych pomôckach, ako sú katétre a kardiostimulátory.
Každý z týchto odlišných povrchov má spoločný definujúci znak: sú mokré. Podľa článku z roku 2007 publikovaného v časopise Microbe Magazine sú tieto prostredia „pravidelne alebo nepretržite naplnené vodou“. Biofilmy prosperujú na vlhkých alebo mokrých povrchoch.
Biofilmy sa v takýchto prostrediach etablovali už veľmi dlho. Podľa článku z roku 2004 uverejneného v časopise Nature Reviews Microbiology sa fosílne dôkazy biofilmov datujú približne pred 3,25 miliárd rokov. Napríklad biofilmy sa našli v 3,2 miliárd rokov starých hlbokomorských hydrotermálnych horninách Pilbara Craton v Austrálii. Podobné biofilmy sa nachádzajú v hydrotermálnych prostrediach, ako sú horúce pramene a hlbokomorské prieduchy.
Tvorba biofilmu
Tvorba biofilmu sa začína vtedy, keď voľne sa vznášajúce mikroorganizmy, ako sú baktérie, prídu do styku s vhodným povrchom a začnú tým pádom ukladať korene. Tento prvý krok prichytenia nastáva, keď mikroorganizmy produkujú gooey látku známu ako extracelulárna polymérna látka (EPS), podľa Centra pre biofilmové inžinierstvo na Montana State University. EPS je sieť cukrov, proteínov a nukleových kyselín (ako je DNA). Umožňuje mikroorganizmom v biofilme držať sa spolu.
Za prílohou nasleduje obdobie rastu. Ďalšie vrstvy mikroorganizmov a EPS vytvárajú prvé vrstvy. Podľa Centra pre biofilmové inžinierstvo nakoniec vytvárajú cibuľu a komplexnú 3D štruktúru. Vodné kanály krížia biofilmy a umožňujú výmenu živín a odpadových produktov podľa článku v Microbe.
Viaceré podmienky prostredia pomáhajú určiť, do akej miery biofilm rastie. Tieto faktory tiež určujú, či je vyrobený iba z niekoľkých vrstiev buniek alebo podstatne viac. „Naozaj záleží na biofilme,“ povedal Robin Gerlach, profesor oddelenia chemického a biologického inžinierstva na Montanskej štátnej univerzite v Bozemane. Napríklad, mikroorganizmy, ktoré produkujú veľké množstvo EPS, môžu rásť do pomerne hustých biofilmov, aj keď nemajú prístup k množstvu živín, uviedol. Na druhej strane, v prípade mikroorganizmov, ktoré závisia od kyslíka, môže dostupné množstvo obmedziť to, ako môžu rásť. Ďalším faktorom životného prostredia je pojem „šmykové napätie“. „Ak máte veľmi vysoký prietok cez biofilm, napríklad v zátoke, biofilm je zvyčajne dosť tenký. Ak máte biofilm v pomaly tečúcej vode, napríklad v rybníku, môže byť veľmi hustý,“ vysvetlil Gerlach.
Nakoniec môžu bunky v biofilme opustiť záhyb a usadiť sa na novom povrchu. Buď sa zhluk buniek zhlukuje, alebo jednotlivé bunky prepukli z biofilmu a hľadali nový domov. Podľa Centra pre biofilmové inžinierstvo je tento proces známy ako „očkovací disperzný“.
Prečo tvoriť biofilm?
Pre mikroorganizmy má život ako súčasť biofilmu určité výhody. „Spoločenstvá mikróbov sú zvyčajne odolnejšie voči stresu,“ povedal Gerlach pre Live Science. Medzi potenciálne stresory patrí nedostatok vody, vysoké alebo nízke pH alebo prítomnosť látok toxických pre mikroorganizmy, ako sú antibiotiká, antimikrobiálne látky alebo ťažké kovy.
Existuje mnoho možných vysvetlení otužilosti biofilmov. Napríklad, tenký obal z EPS môže pôsobiť ako ochranná bariéra. Môže pomôcť zabrániť dehydratácii alebo pôsobiť ako štít proti ultrafialovému (UV) žiareniu. Tiež škodlivé látky, ako sú antimikrobiálne látky, bielidlá alebo kovy, sú pri kontakte s EPS buď viazané alebo neutralizované. Podľa článku z roku 2004 v publikácii Nature Reviews Microbiology sú teda zriedené na koncentrácie, ktoré nie sú smrtiace, skôr ako môžu dosiahnuť rôzne bunky hlboko v biofilme.
Napriek tomu je možné, aby určité antibiotiká prenikli do EPS a dostali sa cez vrstvy biofilmu. Tu sa môže objaviť ďalší ochranný mechanizmus: prítomnosť baktérií, ktoré sú fyziologicky spiace. Aby fungovali dobre, všetky antibiotiká vyžadujú určitú úroveň bunkovej aktivity. Ak teda baktérie začínajú fyziologicky nečinne, antibiotikum nie je čo narušiť.
Ďalším spôsobom ochrany proti antibiotikám je prítomnosť špeciálnych bakteriálnych buniek známych ako „perzistuje“. Takéto baktérie sa nerozdeľujú a sú rezistentné voči mnohým antibiotikám. Podľa článku z roku 2010 uverejneného v časopise Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, „perzistentné“ fungujú tak, že vyrábajú látky, ktoré blokujú ciele antibiotík.
Mikroorganizmy, ktoré spolu žijú ako biofilm, majú vo všeobecnosti prospech z prítomnosti rôznych členov komunity. Gerlach uviedol príklad autotrofných a heterotrofných mikroorganizmov, ktoré spolu žijú v biofilmoch. Autotrofy, ako sú fotosyntetické baktérie alebo riasy, sú schopné vyrábať vlastné potraviny vo forme organických materiálov (obsahujúcich uhlík), zatiaľ čo heterotrofy nemôžu produkovať vlastné potraviny a vyžadujú vonkajšie zdroje uhlíka. „V týchto komunitách s mnohými organizmami sa často krížovo živia,“ povedal.
Biofilmy a nás
Vzhľadom na veľké množstvo prostredí, v ktorých sa stretávame s biofilmami, nie je žiadnym prekvapením, že ovplyvňujú mnoho aspektov ľudského života. Ďalej uvádzame niekoľko príkladov.
Zdravie a choroba
Ako výskum v priebehu rokov napredoval, biofilmy - bakteriálne a plesňové - boli zapojené do rôznych zdravotných stavov. Vo výzve na predkladanie žiadostí o grant z roku 2002 národné zdravotné ústavy (NIH) uviedli, že biofilmy predstavujú „viac ako 80 percent mikrobiálnych infekcií v tele“.
Biofilmy môžu rásť na implantovaných zdravotníckych pomôckach, ako sú protetické srdcové chlopne, kĺbové protézy, katétre a kardiostimulátory. To zasa vedie k infekciám. Tento jav sa prvýkrát zaznamenal v 80. rokoch, keď sa našli bakteriálne biofilmy na intravenóznych katétroch a kardiostimulátoroch. O bakteriálnych biofilmoch je známe, že okrem iných infekcií spôsobujú infekčnú endokarditídu a zápal pľúc u osôb s cystickou fibrózou podľa článku z roku 2004 v publikácii Nature Reviews Microbiology.
„Dôvodom, prečo je tvorba biofilmu veľkým dôvodom na obavy, je skutočnosť, že v rámci biofilmu sú baktérie odolnejšie voči antibiotikám a iným hlavným dezinfekčným prostriedkom, ktoré by ste mohli použiť na ich kontrolu,“ uviedol AC Matin, profesor mikrobiológie a imunológie v Stanforde. University. V skutočnosti, v porovnaní s voľne sa pohybujúcimi baktériami, môžu byť tie, ktoré rastú ako biofilm, až 1 500krát odolnejšie voči antibiotikám a iným biologickým a chemickým látkam, podľa článku v Microbe. Matín opísal rezistenciu na biofilm kombinovanú so všeobecným zvýšením rezistencie na antibiotiká medzi baktériami ako „dvojitú whammy“ a hlavnú výzvu pri liečbe infekcií.
Plesňové biofilmy môžu tiež spôsobiť infekcie rastom na implantovaných zariadeniach. Druhy kvasiniek, ako sú členovia rodu candida rastú na prsných implantátoch, kardiostimulátoroch a protetických srdcových chlopniach podľa článku z roku 2014 uverejneného v časopise Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. candida druhy rastú aj v tkanivách ľudského tela, čo vedie k chorobám, ako je vaginitída (zápal vagíny) a orofaryngálna kandidóza (kvasinková infekcia, ktorá sa vyvíja v ústach alebo krku). Autori však poznamenávajú, že rezistencia na lieky sa v týchto prípadoch nepreukázala.
Bioremediation
Biofilmy sú niekedy užitočné. „Bioremediácia je vo všeobecnosti použitie živých organizmov alebo ich produktov - napríklad enzýmov - na liečenie alebo degradáciu škodlivých látok,“ uviedol Gerlach. Poznamenal, že biofilmy sa používajú na čistenie odpadových vôd, kontaminantov ťažkých kovov, ako je chromát, výbušnín, ako je TNT, a rádioaktívnych látok, ako je urán. „Mikróby ich môžu degradovať alebo zmeniť ich mobilitu alebo toxický stav, a tým ich znížiť na škodlivé pre životné prostredie a ľudí,“ uviedol.
Nitrifikácia pomocou biofilmov je jednou z foriem čistenia odpadových vôd. Počas nitrifikácie sa amoniak oxidáciou premieňa na dusitany a dusičnany. Podľa článku z roku 2013 uverejneného v časopise Water Research to môžu urobiť autotrofné baktérie, ktoré rastú ako biofilmy na plastových povrchoch. Tieto plastové povrchy majú veľkosť len niekoľko centimetrov a sú rozmiestnené po celej vode.
Výbušný TNT (2,4,6-trinitrotoluén) sa považuje za znečisťujúcu látku v pôde, povrchovej vode a podzemnej vode. Chemická štruktúra TNT pozostáva z benzénu (hexagonálneho aromatického kruhu zo šiestich atómov uhlíka) naviazaného na tri nitroskupiny (NO)2) a jedna metylová skupina (CH3). Mikroorganizmy degradujú TNT redukciou podľa článku z roku 2007 publikovaného v časopise Applied and Environmental Microbiology. Väčšina mikroorganizmov redukuje tri nitroskupiny, zatiaľ čo niektoré atakujú aromatický kruh. Vedci - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach a ich kolegovia - zistili, že kvasinkové kmene Yarrowia lipolytica bol schopný degradovať TNT oboma metódami, ale primárne útokom na aromatický kruh.
Mikrobiálne palivové články
Mikrobiálne palivové články využívajú baktérie na premenu organického odpadu na elektrinu. Mikróby žijú na povrchu elektródy a prenášajú na ňu elektróny, čím nakoniec vytvárajú prúd, povedal Gerlach. V článku z roku 2011 uverejnenom v internetovom časopise Illumin, University of Southern California, sa uvádza, že baktérie poháňajúce mikrobiálne palivové bunky rozkladajú jedlo a telesný odpad. Toto poskytuje lacný zdroj energie a čistú udržateľnú energiu.
Prebiehajúci výskum
Náš svet sa hemží biofilmami. Podľa článku z roku 2004 v Nature Reviews Microbiology bolo v polovici 20. storočia na vnútorných povrchoch nádob obsahujúcich bakteriálne kultúry nájdených viac baktérií, ako voľne plávajúce v tekutej kultúre. Pochopenie týchto komplexných mikrobiálnych štruktúr je aktívnou oblasťou výskumu.
"Biofilmy sú úžasné komunity. Niektorí ľudia ich porovnali s mnohobunkovými organizmami, pretože medzi jednotlivými bunkami existuje veľa interakcií," uviedol Gerlach. „Stále sa o nich učíme a stále sa učíme o tom, ako ich lepšie kontrolovať; obaja kvôli zníženej ujme, napríklad v oblasti medicíny, alebo pre väčší úžitok ako pri bioremediácii. zaujímavé otázky v tejto oblasti. ““
