Biofilmele sunt un colectiv al unuia sau mai multor tipuri de microorganisme care pot crește pe multe suprafețe diferite. Microorganismele care formează biofilme includ bacterii, ciuperci și protisti.
Un exemplu obișnuit de placă dentară cu biofilm, o acumulare subțire de bacterii care se formează pe suprafețele dinților. Scum Pond este un alt exemplu. S-au descoperit că biofilmul crește pe minerale și metale. Au fost găsite sub apă, subterane și deasupra solului. Ele pot crește pe țesuturile plantelor și țesuturile animale și pe dispozitivele medicale implantate, cum ar fi cateterele și stimulatoarele cardiace.
Fiecare dintre aceste suprafețe distincte are o caracteristică definitorie comună: sunt umede. Aceste medii sunt „consumate periodic sau continuu cu apă”, potrivit unui articol din 2007 publicat în Revista Microbe. Biofilmele se dezvoltă pe suprafețe umede sau umede.
Biofilmele s-au stabilit în astfel de medii de foarte mult timp. Dovezile fosile ale biofilmelor datează cu aproximativ 3,25 miliarde de ani în urmă, potrivit unui articol din 2004 publicat în revista Nature Review Microbiology. De exemplu, biofilmele s-au găsit în rocile hidrotermale din adâncimea de 3,2 miliarde de ani din Cratonul Pilbara din Australia. Biofilme similare se găsesc în medii hidrotermale, cum ar fi izvoarele calde și gurile de evacuare în adâncime.
Formarea biofilmului
Formarea biofilmului începe când microorganismele plutitoare libere, cum ar fi bacteriile vin în contact cu o suprafață adecvată și încep să pună rădăcinile, ca să zic așa. Acest prim pas al atașamentului are loc atunci când microorganismele produc o substanță gooey cunoscută sub numele de substanță polimerică extracelulară (EPS), potrivit Centrului pentru Ingineria Biofilmului de la Universitatea de Stat din Montana. Un EPS este o rețea de zaharuri, proteine și acizi nucleici (cum ar fi ADN-ul). Permite microorganismelor dintr-un biofilm să se lipească între ele.
Atașarea este urmată de o perioadă de creștere. Mai multe straturi de microorganisme și EPS se construiesc pe primele straturi. În cele din urmă, creează o structură 3D bulboasă și complexă, potrivit Centrului pentru Ingineria Biofilmului. Apele canalizează biofilmele crisscross și permit schimbul de substanțe nutritive și deșeuri, conform articolului din Microbe.
Condiții multiple de mediu ajută la determinarea gradului în care crește un biofilm. Acești factori determină, de asemenea, dacă este format doar din câteva straturi de celule sau mult mai mult. "Depinde într-adevăr de biofilm", a spus Robin Gerlach, profesor la departamentul de inginerie chimică și biologică din Montana State University-Bozeman. De exemplu, microorganismele care produc o cantitate mare de EPS pot crește în biofilme destul de groase, chiar dacă nu au acces la o mulțime de nutrienți, a spus el. Pe de altă parte, pentru microorganismele care depind de oxigen, cantitatea disponibilă poate limita cât pot crește. Un alt factor de mediu este conceptul de „efort de forfecare”. "Dacă aveți un flux foarte mare pe un biofilm, ca într-un pârâu, biofilmul este de obicei destul de subțire. Dacă aveți un biofilm în apă cu curgere lentă, ca într-un iaz, acesta poate deveni foarte gros", a explicat Gerlach.
În cele din urmă, celulele dintr-un biofilm pot părăsi pliul și se pot stabili pe o suprafață nouă. Fie un grup de celule se desparte, fie celulele individuale izbucnesc din biofilm și caută o nouă casă. Acest ultim proces este cunoscut sub numele de „dispersia semănătorilor”, conform Centrului pentru Ingineria Biofilmului.
De ce formați un biofilm?
Pentru microorganisme, trăirea ca parte a unui biofilm are anumite avantaje. "Comunitățile de microbi sunt de obicei mai rezistenți la stres", a spus Gerlach la Live Science. Stresorii potențiali includ lipsa apei, pH-ul ridicat sau scăzut sau prezența substanțelor toxice pentru microorganisme precum antibiotice, antimicrobiene sau metale grele.
Există multe explicații posibile pentru duritatea biofilmelor. De exemplu, acoperirea subțire a EPS poate acționa ca o barieră de protecție. Poate ajuta la prevenirea deshidratării sau poate acționa ca un scut împotriva luminii ultraviolete (UV). De asemenea, substanțele nocive, cum ar fi antimicrobiene, înălbitor sau metale sunt legate sau neutralizate atunci când intră în contact cu EPS. Astfel, acestea sunt diluate la concentrații care nu sunt letale bine înainte de a putea ajunge la diferite celule adânc în biofilm, potrivit unui articol din 2004, Nature Review Microbiology.
Cu toate acestea, este posibil ca anumite antibiotice să pătrundă în EPS și să-și croiască drum prin straturile unui biofilm. Aici, poate intra în joc un alt mecanism de protecție: prezența bacteriilor adormite fiziologic. Pentru a funcționa bine, toate antibioticele necesită un anumit nivel de activitate celulară. Așadar, dacă bacteriile sunt în stare fiziologică pentru a începe, nu există prea mult pentru ca un antibiotic să perturbe.
Un alt mod de protecție împotriva antibioticelor este prezența celulelor bacteriene speciale cunoscute sub denumirea de „persistente”. Astfel de bacterii nu se divid și sunt rezistente la multe antibiotice. Conform unui articol din 2010 publicat în revista „Spring Spring Harbor Perspectives in Biology”, „perseverenții” funcționează producând substanțe care blochează țintele antibioticelor.
În general, microorganismele care trăiesc împreună ca biofilm beneficiază de prezența diverșilor membri ai comunității lor. Gerlach a citat exemplul microorganismelor autotrofe și heterotrofe care trăiesc împreună în biofilme. Autotrofele, cum ar fi bacteriile fotosintetice sau algele, sunt capabile să producă propriile lor alimente sub formă de material organic (care conține carbon), în timp ce heterotrofele nu pot produce propriul aliment și necesită surse exterioare de carbon. „În aceste comunități multi-organismale, acestea adesea încrucișează furajele”, a spus el.
Biofilme și noi
Având în vedere gama largă de medii în care întâlnim biofilme, nu este de mirare că acestea afectează multe aspecte ale vieții umane. Mai jos sunt câteva exemple.
Sănătate și boli
Pe măsură ce cercetările au progresat de-a lungul anilor, biofilmele - bacteriene și fungice - au fost implicate într-o varietate de condiții de sănătate. Într-un apel din 2002 pentru cereri de finanțare, Institutele Naționale de Sănătate (NIH) au menționat că biofilmele reprezentau „peste 80 la sută din infecțiile microbiene din organism”.
Biofilmele pot crește pe dispozitive medicale implantate, cum ar fi valvele cardiace protetice, proteze articulare, catetere și stimulatoare cardiace. La rândul său, aceasta duce la infecții. Fenomenul a fost remarcat pentru prima dată în anii 1980 când biofilmele bacteriene au fost găsite pe catetere intravenoase și stimulatoare cardiace. De asemenea, se știe că biofilmele bacteriene cauzează endocardită infecțioasă și pneumonie la cei cu fibroză chistică, conform articolului din 2004 în Nature Review Microbiology, printre alte infecții.
"Motivul pentru care formarea biofilmului este o mare cauză de îngrijorare este faptul că, în cadrul unui biofilm, bacteriile sunt mai rezistente la antibiotice și la alte dezinfectante majore pe care le-ați putea utiliza pentru a le controla", a spus AC Matin, profesor de microbiologie și imunologie la Stanford Universitate. De fapt, în comparație cu bacteriile care plutesc liber, cele care cresc ca biofilm pot fi de până la 1.500 de ori mai rezistente la antibiotice și la alți agenți chimici și biologici, conform articolului din Microbe. Matin a descris rezistența la biofilm combinată cu creșterea generală a rezistenței la antibiotice în rândul bacteriilor ca fiind o „dublă bătaie” și o provocare majoră în tratarea infecțiilor.
Biofilmele fungice pot provoca, de asemenea, infecții prin creșterea pe dispozitivele implantate. Specii de drojdie, precum membrii genului Candida crește pe implanturi mamare, stimulatoare cardiace și supape cardiace protetice, conform unui articol din 2014 publicat în revista Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida speciile cresc și pe țesuturile corpului uman, ceea ce duce la boli precum vaginita (inflamația vaginului) și candidoza orofaringiană (o infecție cu drojdie care se dezvoltă la nivelul gurii sau gâtului). Cu toate acestea, autorii notează că rezistența la medicamente nu a fost arătată în aceste cazuri.
Bioremediere
Uneori, biofilmele sunt utile. "Bioremedierea, în general, este utilizarea organismelor vii, sau a produselor lor - de exemplu, enzime - pentru a trata sau a degrada compuși nocivi", a spus Gerlach. El a menționat că biofilmele sunt utilizate în tratarea apelor uzate, a contaminanților cu metale grele, cum ar fi cromatele, explozivilor precum TNT și a substanțelor radioactive, cum ar fi uraniul. „Microbii îi pot degrada, fie pot modifica mobilitatea sau starea lor toxică și, prin urmare, îi fac mai puțin nocivi pentru mediu și pentru oameni”, a spus el.
Nitrificarea folosind biofilme este o formă de tratare a apelor uzate. În timpul nitrificării, amoniacul este transformat în nitriți și nitrați prin oxidare. Acest lucru poate fi realizat de bacteriile autotrofe, care cresc ca biofilme pe suprafețele din plastic, potrivit unui articol din 2013 publicat în revista Water Research. Aceste suprafețe din plastic au doar câțiva centimetri și sunt distribuite prin apă.
TNT exploziv (2,4,6-Trinitrotoluen) este considerat un sol, ape de suprafață și ape subterane. Structura chimică a TNT este formată din benzen (un inel aromatic hexagonal format din șase atomi de carbon) atașat la trei grupe nitro (NU2) și o grupare metil (CH)3). Microorganismele degradează TNT prin reducere, conform unui articol din 2007 publicat în revista Applied and Environmental Microbiology. Majoritatea microorganismelor reduc cele trei grupe nitro, în timp ce unele atacă inelul aromatic. Cercetătorii - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach și colegii săi - au descoperit că tulpina de drojdie Yarrowia lipolytica a fost capabil să degradeze TNT prin ambele metode, deși în primul rând atacând inelul aromatic.
Pilule microbiene
Celulele combustibile microbiene folosesc bacteriile pentru a transforma deșeurile organice în electricitate. Microbii trăiesc pe suprafața unui electrod și transferă electroni pe el, creând în cele din urmă un curent, a spus Gerlach. Un articol din 2011 publicat în Illumin, o revistă online a Universității din California de Sud, notează că bacteriile care alimentează celule microbiene de combustie descompun alimente și deșeuri corporale. Aceasta oferă o sursă de energie cu costuri reduse și energie durabilă curată.
Cercetări în curs
Lumea noastră este plină de biofilme. De fapt, până la jumătatea secolului XX, pe suprafețele interioare ale containerelor care dețin culturi bacteriene au fost găsite mai multe bacterii decât plutind liber în cultura lichidă, potrivit articolului din 2004 în Nature Review Microbiology. Înțelegerea acestor structuri microbiene complexe este un domeniu activ de cercetare.
„Biofilmele sunt comunități uimitoare. Unii oameni le-au comparat cu organismele multicelulare, deoarece există o mulțime de interacțiuni între celule unice”, a spus Gerlach. „Continuăm să învățăm despre ei și continuăm să învățăm cum să le controlăm mai bine; întrebări interesante din zona respectivă. "
