Τα βιοφίλμ είναι μια συλλογή ενός ή περισσότερων τύπων μικροοργανισμών που μπορούν να αναπτυχθούν σε πολλές διαφορετικές επιφάνειες. Οι μικροοργανισμοί που σχηματίζουν βιοφίλμ περιλαμβάνουν τα βακτήρια, τους μύκητες και τους εντόμους.
Ένα κοινό παράδειγμα μιας οδοντικής πλάκας με βιοφίλμ, μια γλοιώδη συσσώρευση βακτηρίων που σχηματίζεται στις επιφάνειες των δοντιών. Απαλλαγή λιμνών είναι ένα άλλο παράδειγμα. Τα βιοφίλμ έχουν βρεθεί να αναπτύσσονται σε μέταλλα και μέταλλα. Έχουν βρεθεί υποβρύχια, υπόγεια και πάνω από το έδαφος. Μπορούν να αναπτυχθούν σε φυτικούς ιστούς και ζωικούς ιστούς και σε εμφυτευμένες ιατρικές συσκευές όπως καθετήρες και βηματοδότες.
Κάθε μία από αυτές τις ξεχωριστές επιφάνειες έχει ένα κοινό χαρακτηριστικό γνώρισμα: είναι υγρό. Αυτά τα περιβάλλοντα είναι «περιοδικά ή συνεχώς πλημμυρισμένα με νερό», σύμφωνα με άρθρο του 2007 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Microbe. Τα βιοφίλμ ευδοκιμούν σε υγρές ή υγρές επιφάνειες.
Τα βιοφίλμ έχουν εδραιωθεί σε τέτοια περιβάλλοντα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα απολιθωμένα στοιχεία των βιοφίλμ χρονολογούνται περίπου 3,25 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, σύμφωνα με ένα άρθρο του 2004 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Reviews Microbiology. Για παράδειγμα, έχουν βρεθεί βιοφίλμ στα υδροθερμικά πετρώματα βαθιάς θαλάσσης 3,2 δισεκατομμυρίων ετών του Pilbara Craton στην Αυστραλία. Παρόμοιες βιολογικές ταινίες βρίσκονται σε υδροθερμικά περιβάλλοντα όπως θερμές πηγές και αεραγωγοί βαθιάς θάλασσας.
Ο σχηματισμός βιοφίλμ
Ο σχηματισμός βιοφίλμ ξεκινά όταν οι ελευθέρως επιπλέουσες μικροοργανισμοί, όπως τα βακτήρια, έρχονται σε επαφή με μια κατάλληλη επιφάνεια και αρχίζουν να καταστρέφουν τις ρίζες τους. Αυτό το πρώτο βήμα της προσάρτησης συμβαίνει όταν οι μικροοργανισμοί παράγουν μια gooey ουσία που είναι γνωστή ως μια εξωκυτταρική πολυμερική ουσία (EPS), σύμφωνα με το Κέντρο Μηχανικής Βιοφίλμ στο Πανεπιστήμιο του Montana. Ένα EPS είναι ένα δίκτυο σακχάρων, πρωτεϊνών και νουκλεϊνικών οξέων (όπως DNA). Επιτρέπει στους μικροοργανισμούς σε ένα βιοφίλμ να κολλήσουν μαζί.
Η προσάρτηση ακολουθείται από μια περίοδο ανάπτυξης. Περαιτέρω στρώματα μικροοργανισμών και EPS βασίζονται στα πρώτα στρώματα. Τελικά, δημιουργούν μια βολβοειδή και σύνθετη δομή 3D, σύμφωνα με το Κέντρο Βιοφιλικών Μηχανικών. Τα κανάλια νερού διασταυρώνουν τις βιολογικές ταινίες και επιτρέπουν την ανταλλαγή θρεπτικών ουσιών και αποβλήτων, σύμφωνα με το άρθρο στο Microbe.
Πολλαπλές περιβαλλοντικές συνθήκες συμβάλλουν στον προσδιορισμό του βαθμού στον οποίο αναπτύσσεται ένα βιοφίλμ. Αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν επίσης εάν είναι κατασκευασμένα από λίγα μόνο στρώματα κυττάρων ή σημαντικά περισσότερα. "Εξαρτάται πραγματικά από το βιοφίλμ", δήλωσε ο Robin Gerlach, καθηγητής στο τμήμα χημικών και βιολογικών μηχανικών στο Montana State University-Bozeman. Για παράδειγμα, οι μικροοργανισμοί που παράγουν μια μεγάλη ποσότητα EPS μπορούν να αναπτυχθούν σε αρκετά πυκνά βιοφίλμ ακόμα κι αν δεν έχουν πρόσβαση σε πολλά θρεπτικά συστατικά, είπε. Από την άλλη πλευρά, για τους μικροοργανισμούς που εξαρτώνται από το οξυγόνο, η διαθέσιμη ποσότητα μπορεί να περιορίσει πόσο μπορούν να αναπτυχθούν. Ένας άλλος περιβαλλοντικός παράγοντας είναι η έννοια του "stress stress". "Εάν έχετε μια πολύ υψηλή ροή σε ένα βιοφίλμ, όπως σε έναν κολπίσκο, το βιοφίλμ είναι συνήθως αρκετά λεπτό. Εάν έχετε ένα βιοφίλμ σε αργά ρέοντα ύδατα, όπως σε μια λίμνη, μπορεί να γίνει πολύ παχύ", εξήγησε ο Gerlach.
Τέλος, τα κύτταρα εντός ενός βιοφίλμ μπορούν να αφήσουν την πτυχή και να εγκατασταθούν σε μια νέα επιφάνεια. Είτε ένα συσσωμάτωμα κυττάρων σπάει μακριά, ή μεμονωμένα κύτταρα ξεσπάσουν από το βιοφίλμ και αναζητούν ένα νέο σπίτι. Αυτή η τελευταία διαδικασία είναι γνωστή ως "διασπορά σποράς", σύμφωνα με το Κέντρο Μηχανικής Βιοφίλμ.
Γιατί να σχηματίσουμε ένα βιοφίλμ;
Για τους μικροοργανισμούς, που ζουν ως μέρος ενός βιοφίλμ έρχεται με ορισμένα πλεονεκτήματα. "Οι κοινότητες μικροβίων είναι συνήθως πιο ανθεκτικές στο στρες", ανέφερε ο Gerlach στην Live Science. Οι πιθανοί παράγοντες άγχους περιλαμβάνουν την έλλειψη νερού, υψηλό ή χαμηλό pH ή την παρουσία ουσιών τοξικών για μικροοργανισμούς όπως τα αντιβιοτικά, τα αντιμικροβιακά ή τα βαρέα μέταλλα.
Υπάρχουν πολλές πιθανές εξηγήσεις για την ανθεκτικότητα των βιοφίλμ. Για παράδειγμα, το γυαλιστερό κάλυμμα EPS μπορεί να λειτουργήσει ως προστατευτικό φράγμα. Μπορεί να βοηθήσει στην αποφυγή της αφυδάτωσης ή να λειτουργήσει ως ασπίδα κατά του υπεριώδους (UV) φωτός. Επίσης, βλαβερές ουσίες όπως αντιμικροβιακές ουσίες, λευκαντικά ή μέταλλα είτε δεσμεύονται είτε εξουδετερώνονται όταν έρχονται σε επαφή με το EPS. Έτσι, αραιώνονται σε συγκεντρώσεις που δεν είναι θανατηφόρες πολύ πριν φτάσουν σε διάφορα κύτταρα βαθιά στο βιοφίλμ, σύμφωνα με ένα άρθρο του 2004 στο Nature Reviews Microbiology.
Ακόμα, είναι πιθανό ορισμένα αντιβιοτικά να διεισδύσουν στο EPS και να κάνουν το δρόμο τους μέσα από τα στρώματα βιοφίλμ. Εδώ μπορεί να τεθεί σε λειτουργία ένας άλλος προστατευτικός μηχανισμός: η παρουσία βακτηρίων που είναι φυσιολογικά αδρανή. Για να λειτουργήσει καλά, όλα τα αντιβιοτικά απαιτούν κάποιο επίπεδο κυτταρικής δραστηριότητας. Έτσι, εάν τα βακτηρίδια είναι φυσιολογικά αδρανή για να ξεκινήσουν, δεν υπάρχει τίποτα για να διαταράξουν ένα αντιβιοτικό.
Ένας άλλος τρόπος προστασίας έναντι των αντιβιοτικών είναι η παρουσία ειδικών βακτηριακών κυττάρων γνωστών ως "persisters". Αυτά τα βακτήρια δεν διαιρούνται και είναι ανθεκτικά σε πολλά αντιβιοτικά. Σύμφωνα με ένα άρθρο του 2010 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, η "επιθετική" λειτουργία παράγει ουσίες που εμποδίζουν τους στόχους των αντιβιοτικών.
Γενικά, οι μικροοργανισμοί που ζουν μαζί ως βιοφίλμ επωφελούνται από την παρουσία των διαφόρων μελών της κοινότητας τους. Ο Gerlach ανέφερε το παράδειγμα αυτοτροφικών και ετεροτροφικών μικροοργανισμών που ζουν μαζί σε βιοφίλμ. Τα αυτοτροφοί, όπως τα φωτοσυνθετικά βακτήρια ή τα φύκια, είναι σε θέση να παράγουν τα δικά τους τρόφιμα με τη μορφή οργανικών (περιέχοντος άνθρακα) υλικών, ενώ τα ετερότροπα δεν μπορούν να παράγουν τα δικά τους τρόφιμα και απαιτούν εξωτερικές πηγές άνθρακα. «Σε αυτές τις πολυ-οργανικές κοινότητες, συχνά διασχίζουν τις ζωοτροφές», είπε.
Biofilms και εμάς
Δεδομένου του ευρέος φάσματος των περιβαλλόντων με τα οποία συναντούμε βιοφίλμ, δεν αποτελεί έκπληξη ότι επηρεάζουν πολλές πτυχές της ανθρώπινης ζωής. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα.
Υγεία και ασθένειες
Καθώς οι έρευνες έχουν προχωρήσει με την πάροδο των ετών, τα βιοφίλμ - βακτηριακά και μυκητιακά - έχουν εμπλακεί σε ποικίλες συνθήκες υγείας. Σε μια πρόσκληση για υποβολή αιτήσεων επιχορήγησης το 2002, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (NIH) σημείωσαν ότι τα βιοφίλμ αντιπροσώπευαν «πάνω από το 80% των μικροβιακών λοιμώξεων στο σώμα».
Τα βιοφίλμ μπορούν να αναπτυχθούν σε εμφυτευμένες ιατρικές συσκευές όπως προσθετικές βαλβίδες καρδιάς, προσθετικές ενώσεις, καθετήρες και βηματοδότες. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε λοιμώξεις. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1980 όταν εντοπίστηκαν βακτηριακά βιοφίλμ σε ενδοφλέβιους καθετήρες και βηματοδότες. Τα βακτηριακά βιοφίλμ είναι επίσης γνωστό ότι προκαλούν μολυσματική ενδοκαρδίτιδα και πνευμονία σε άτομα με κυστική ίνωση, σύμφωνα με το άρθρο του 2004 στο Nature Reviews Microbiology, μεταξύ άλλων λοιμώξεων.
"Ο λόγος για τον οποίο ο σχηματισμός βιοφίλμ είναι μια μεγάλη αιτία ανησυχίας είναι ότι, μέσα σε ένα βιοφίλμ, τα βακτήρια είναι πιο ανθεκτικά σε αντιβιοτικά και άλλα σημαντικά απολυμαντικά που θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε για να τα ελέγξετε", δήλωσε ο AC Matin, καθηγητής μικροβιολογίας και ανοσολογίας στο Stanford Πανεπιστήμιο. Στην πραγματικότητα, σε σύγκριση με τα ελεύθερα επιπλέουσες βακτήρια, αυτά που αναπτύσσονται ως βιοφίλμ μπορούν να φτάσουν έως και 1.500 φορές πιο ανθεκτικά σε αντιβιοτικά και άλλους βιολογικούς και χημικούς παράγοντες, σύμφωνα με το άρθρο στο Microbe. Ο Matin περιέγραψε την αντοχή του βιοφίλμ σε συνδυασμό με τη γενική αύξηση της αντοχής στα αντιβιοτικά μεταξύ των βακτηριδίων ως «διπλή ουλή» και σημαντική πρόκληση για τη θεραπεία λοιμώξεων.
Οι μυκητιακές βιολογικές ταινίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν λοιμώξεις αυξάνοντας τις εμφυτευμένες συσκευές. Είδη ζυμομυκήτων όπως τα μέλη του γένους Candida αυξάνεται σε εμφυτεύματα στήθους, βηματοδότες και προσθετικές καρδιακές βαλβίδες σύμφωνα με άρθρο του άρθρου 2014 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida τα είδη αναπτύσσονται επίσης σε ιστούς του ανθρώπινου σώματος, οδηγώντας σε ασθένειες όπως κολπίτιδα (φλεγμονή του κόλπου) και οροφαρυγγική καντιντίαση (λοίμωξη ζύμης που αναπτύσσεται στο στόμα ή στο λαιμό). Ωστόσο, οι συγγραφείς σημειώνουν ότι η αντοχή στα φάρμακα δεν παρουσιάστηκε σε αυτές τις περιπτώσεις.
Βιορευστοποίηση
Μερικές φορές, τα βιοφίλμ είναι χρήσιμα. "Η βιοανάδωση, γενικά, είναι η χρήση ζωντανών οργανισμών ή προϊόντων τους - για παράδειγμα, ένζυμα - για τη θεραπεία ή την αποικοδόμηση βλαβερών ουσιών", ανέφερε ο Gerlach. Σημείωσε ότι τα βιοφίλμ χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων, ρύπων βαρέων μετάλλων όπως χρωμικών, εκρηκτικών όπως TNT και ραδιενεργών ουσιών όπως το ουράνιο. "Τα μικρόβια μπορούν είτε να τα υποβαθμίσουν είτε να αλλάξουν την κινητικότητά τους ή την τοξική τους κατάσταση και επομένως να τα καταστήσουν λιγότερο επιβλαβή για το περιβάλλον και για τους ανθρώπους", ανέφερε.
Η νιτροποίηση με τη χρήση βιοφίλμ είναι μια μορφή επεξεργασίας λυμάτων. Κατά τη διάρκεια της νιτροποίησης, η αμμωνία μετατρέπεται σε νιτρώδη και νιτρικά μέσω οξείδωσης. Αυτό μπορεί να γίνει με αυτοτροφικά βακτήρια, τα οποία αναπτύσσονται ως βιοφίλμ σε πλαστικές επιφάνειες, σύμφωνα με το άρθρο του 2013 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Water Research. Αυτές οι πλαστικές επιφάνειες έχουν μέγεθος λίγων μόνο εκατοστών και διανέμονται σε όλο το νερό.
Το εκρηκτικό TNT (2,4,6-Τρινιτροτολουόλιο) θεωρείται ρύπος εδάφους, επιφανειακών και υπόγειων υδάτων. Η χημική δομή της ΤΝΤ αποτελείται από βενζόλιο (εξαγωνικό αρωματικό δακτύλιο από έξι άτομα άνθρακα) συνδεδεμένο σε τρεις νιτροομάδες (ΝΟ2) και μια μεθυλομάδα (CH3). Οι μικροοργανισμοί υποβαθμίζουν το TNT με μείωση, σύμφωνα με άρθρο του 2007 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Applied and Environmental Microbiology. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί μειώνουν τις τρεις νιτροομάδες, ενώ κάποιοι επιτίθενται στον αρωματικό δακτύλιο. Οι ερευνητές - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach και συνεργάτες - διαπίστωσαν ότι το στέλεχος της ζύμης Yarrowia lipolytica ήταν σε θέση να αποικοδομήσει TNT και με τις δύο μεθόδους, αν και πρωτίστως με επίθεση στον αρωματικό δακτύλιο.
Μικροβιακά στοιχεία καυσίμου
Τα μικροβιακά στοιχεία καυσίμου χρησιμοποιούν βακτήρια για τη μετατροπή των οργανικών αποβλήτων σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα μικρόβια ζουν στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου και μεταφέρουν ηλεκτρόνια επάνω του, δημιουργώντας τελικά ένα ρεύμα, είπε ο Gerlach. Ένα άρθρο του 2011 που δημοσιεύθηκε στο Illumin, ένα ηλεκτρονικό περιοδικό του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας, επισημαίνει ότι τα βακτήρια που τροφοδοτούν τα μικροβιακά κύτταρα καυσίμου διασπώνται τα τρόφιμα και τα σωματικά απόβλητα. Αυτό παρέχει μια χαμηλού κόστους πηγή ενέργειας και καθαρή βιώσιμη ενέργεια.
Συνεχιζόμενη έρευνα
Ο κόσμος μας γεμίζει με βιοφίλμ. Στην πραγματικότητα, μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, βρέθηκαν περισσότερα βακτήρια στις εσωτερικές επιφάνειες των δοχείων που διατηρούν βακτηριακές καλλιέργειες, από ότι επιπλέουν ελεύθερα στην ίδια την υγρή καλλιέργεια, σύμφωνα με το άρθρο του 2004 στο Nature Reviews Microbiology. Η κατανόηση αυτών των σύνθετων μικροβιακών δομών είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας.
"Τα Biofilms είναι εκπληκτικές κοινότητες, μερικοί άνθρωποι τις έχουν συγκρίνει με πολυκύτταρους οργανισμούς επειδή υπάρχει μεγάλη αλληλεπίδραση μεταξύ των μεμονωμένων κυττάρων", ανέφερε ο Gerlach. «Συνεχίζουμε να μαθαίνουμε γι 'αυτά και συνεχίζουμε να μαθαίνουμε πώς μπορούμε να τους ελέγξουμε καλύτερα τόσο για μειωμένη βλάβη όσο και για τον τομέα της ιατρικής ή για αυξημένα οφέλη όπως στην βιοανάδραση. ενδιαφέρουσες ερωτήσεις στον τομέα αυτό. "
