BIYOFILMLER: ÖZELLIKLERI, OLUŞUMU, TÜRLERI VE ÖRNEKLERI - BIYOLOJI - 2025

Biyofilmler ve biyofilm hücre dışı polimerik maddeler öz bir matrisi içinde yaşayan bir yüzeye bağlı mikroorganizmaların toplulukları olan - oluşturulan. Başlangıçta Antoine von Leeuwenhoek, 17. yüzyılda kendi dişlerinden elde edilen bir tabakta "hayvancılık" ı (böylece onun adına adlandırılmıştır) incelerken tanımlamışlardır.

Biyofilmleri kavramsallaştıran ve oluşum sürecini tanımlayan teori, 1978 yılına kadar geliştirilmemişti. Mikroorganizmaların biyofilm oluşturma yeteneklerinin evrensel olduğu keşfedildi.

Şekil 1. Staphylococcus aureus tarafından bir kateterde üretilen biyofilm. Kaynak: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. https://commons.wikimedia.org aracılığıyla

Biyofilmler, doğal sistemler, su kemerleri, su depolama tankları, endüstriyel sistemler gibi çeşitli ortamlarda ve ayrıca tıbbi cihazlar ve hastane hastalarına yönelik cihazlar (örneğin kateterler gibi) gibi çok çeşitli ortamlarda bulunabilir.

Taramalı elektron mikroskobu ve konfokal taramalı lazer mikroskobu kullanılarak, biyofilmlerin homojen, yapılandırılmamış hücre birikintileri ve birikmiş silt olmadığı, aksine karmaşık heterojen yapılar olduğu keşfedildi.

Biyofilmler, su yapıdaki açık kanallar boyunca dolaşan yüksek derecede hidratlanmış polimerik bir matris içine gömülü bir yüzey üzerindeki ilişkili hücrelerin karmaşık topluluklarıdır.

Çevrede milyonlarca yıldır hayatta kalmada başarılı olan birçok organizma, örneğin Pseudomonas ve Legionella cinsleri, doğal doğal ortamları dışındaki ortamlarda biyofilm stratejisini kullanır.

Biyofilmlerin özellikleri

Biyofilm matrisinin kimyasal ve fiziksel özellikleri

-Biyofilm mikroorganizmaları tarafından salgılanan polimerik hücre dışı maddeler, polisakkarit makromoleküller, proteinler, nükleik asitler, lipitler ve diğer biyopolimerler, çoğunlukla yüksek hidrofilik moleküller, kesişerek biyofilm matrisi adı verilen üç boyutlu bir yapı oluşturur.

-Matrisin yapısı yüksek viskoelastik, kauçuk özelliğe sahip, çekiş ve mekanik bozulmaya karşı dayanıklıdır.

-Matris, yapışık diş etleri olarak işlev gören hücre dışı polisakkaritler yoluyla gözenekli ortamın iç boşlukları dahil olmak üzere arayüz yüzeylerine yapışma yeteneğine sahiptir.

-Polimerik matris ağırlıklı olarak anyoniktir ve ayrıca metal katyonlar gibi inorganik maddeleri içerir.

-Oksijen, besin ve atık maddelerin dolaştığı, geri dönüştürülebilen su kanallarına sahiptir.

-Biyofilmin bu matrisi, olumsuz ortamlara karşı koruma ve hayatta kalma aracı, fagositik istilacılara ve dezenfektan ve antibiyotiklerin girişine ve yayılmasına karşı bir bariyer olarak çalışır.

Biyofilmlerin ekofizyolojik özellikleri

-Homojen olmayan gradyanlarda matris oluşumu, biyofilm içinde biyoçeşitliliğin var olmasına izin veren çeşitli mikrohabitatlar üretir.

-Matrix içinde, hücresel yaşam formu, ilişkili değil, özgür yaşamdan kökten farklıdır. Biyofilm mikroorganizmaları koloniler halinde birbirine çok yakın olarak hareketsiz hale getirilir; bu gerçek, yoğun etkileşimlerin oluşmasına izin verir.

-Biyofilmdeki mikroorganizmalar arasındaki etkileşimler, "çekirdek algılama" adı verilen bir koddaki kimyasal sinyaller aracılığıyla iletişimi içerir.

-Gen transferi ve sinerjik mikro konsorsiyum oluşumu gibi başka önemli etkileşimler de vardır.

-Biyofilmin fenotipi, ilişkili hücreler tarafından ifade edilen genler açısından tanımlanabilir. Bu fenotip, büyüme hızı ve gen transkripsiyonuna göre değiştirilir.

-Biyofilmin içindeki organizmalar, planktonik veya serbest yaşam formlarını kopyalamayan genleri kopyalayabilir.

-Biyofilm oluşum süreci, ilk hücre yapışması sırasında kopyalanan belirli genler tarafından düzenlenir.

-Matrisin sınırlı alanında, işbirliği ve rekabet mekanizmaları vardır. Rekabet, biyolojik popülasyonlarda sürekli uyum sağlar.

Hücrelerin yakınında hücre dışı enzimleri tutan kolektif bir dış sindirim sistemi oluşturulur.

-Bu enzimatik sistem, besinlerin çözünmüş, koloidal ve / veya askıda tutulması, biriktirilmesi ve metabolize edilmesine izin verir.

-Matris, ortak bir harici geri dönüşüm alanı, parçalanmış hücrelerin bileşenlerinin depolanması ve aynı zamanda kolektif bir genetik arşiv görevi görür.

-Biyofilm, kuruma, biyositlerin etkisi, antibiyotikler, konakçı bağışıklık tepkileri, oksitleyici maddeler, metal katyonlar, ultraviyole radyasyon gibi çevresel değişikliklere karşı koruyucu bir yapısal bariyer görevi görür ve ayrıca fagositik protozoa ve böcekler gibi birçok avcıya karşı bir savunmadır.

-Biyofilmin matrisi, mikroorganizmalar için benzersiz bir ekolojik ortam oluşturur ve biyolojik topluluk için dinamik bir yaşam biçimi sağlar. Biyofilmler gerçek mikro ekosistemlerdir.

Biyofilm oluşumu

Biyofilm oluşumu, mikroorganizmaların serbest yaşayan, tek hücreli göçebe bir durumdan çok hücreli bir hareketsiz duruma geçtiği, sonraki büyümenin hücresel farklılaşmaya sahip yapılandırılmış topluluklar ürettiği bir süreçtir.

Biyofilm gelişimi, hücre dışı çevresel sinyallere ve kendi kendine üretilen sinyallere yanıt olarak meydana gelir.

Biyofilmler üzerinde çalışan araştırmacılar, oluşumlarını açıklamak için genelleştirilmiş bir varsayımsal model oluşturmanın mümkün olduğu konusunda hemfikirdir.

Bu biyofilm oluşumu modeli 5 aşamadan oluşur:

1. Yüzeye ilk yapışma.
2. Tek tabakanın oluşumu.
3. Çok katmanlı mikro koloniler oluşturmak için göç.
4. Polimerik hücre dışı matrisin üretimi.
5. Üç boyutlu biyofilmin olgunlaşması.

Şekil 2. Bir biyofilm oluşum süreci. Kaynak: D. Davis, Wikimedia Commons aracılığıyla

Yüzeye ilk yapışma

Biyofilmin oluşumu, mikroorganizmaların hareketsizleştirildikleri katı yüzeye ilk yapışmasıyla başlar. Mikroorganizmaların yüzey sensörlerine sahip olduğu ve matrisin oluşumunda yüzey proteinlerinin rol oynadığı keşfedildi.

Hareketli olmayan organizmalarda, çevre koşulları uygun olduğunda, dış yüzeylerinde yapıştırıcı üretimi artar. Bu sayede hücre-hücre ve hücre-yüzey yapışma kapasitesini arttırır.

Hareketli türler söz konusu olduğunda, mikroorganizmalar bir yüzeyde bulunur ve bu, yaşam tarzlarında göçebe serbest mobilden, hareketsiz, neredeyse sabit olmaya doğru köklü bir değişime doğru başlangıç ​​noktasıdır.

Bu nedenle matrisin oluşumunda hareket etme yeteneği kaybolur, yapışkan maddelere ek olarak flagella, cilia, pilus ve fimbria gibi farklı yapılar da katılır.

Daha sonra her iki durumda da (mobil ve mobil olmayan mikroorganizmalar), küçük agregalar veya mikro koloniler oluşur ve daha yoğun bir hücre-hücre teması oluşturulur; yeni ortama adaptif fenotipik değişiklikler kümelenmiş hücrelerde meydana gelir.

Çok tabakalı bir tek tabakanın ve mikro kolonilerin oluşumu

Hücre dışı polimerik maddelerin üretimi başlar, tek tabakada ilk oluşum meydana gelir ve ardından çok tabakalı gelişme gerçekleşir.

Polimerik hücre dışı matrisin üretimi ve üç boyutlu biyofilmin olgunlaşması

Son olarak, biyofilm üç boyutlu bir mimari ve su, besin, iletişim kimyasalları ve nükleik asitlerin dolaştığı kanalların varlığıyla olgunluk aşamasına ulaşır.

Biyofilm matrisi hücreleri tutar ve bir arada tutar, hücreler arası iletişim ile yüksek derecede etkileşimi ve sinerjik konsorsiyum oluşumunu destekler. Biyofilmin hücreleri tam olarak hareketsiz değildir, içinde hareket edebilir ve ayrıca kopabilir.

Biyofilm türleri

Tür sayısı

Biyofilm katılan türlerin sayısına göre, ikincisi şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Bir türün biyofilmleri. Örneğin, Streptococcus mutans veya Vellionela parvula tarafından oluşturulan biyofilmler.
• İki türün biyofilmleri. Örneğin, Streptococcus mutans ve Vellionella parvula'nın biyofilmlerdeki ilişkisi de keşfedilmiştir.
• Pek çok türden oluşan polimikrobiyal biyofilmler . Örneğin diş plağı.

Eğitim ortamı

Ayrıca oluştukları ortama bağlı olarak biyofilmler şunlar olabilir:

• Doğal
• Sanayi
• yerli
• Misafirperver

Şekil 3. Mickey Hot Springs, Oregon, ABD'deki termofilik bakteri biyofilmleri. Kaynak: Amateria1121, Wikimedia Commons'tan

Oluşturuldukları arayüz türü

Öte yandan, oluşturuldukları arayüz türüne göre bunları şu şekilde sınıflandırmak mümkündür:

• Genel olarak su kemerleri ve tanklarda, borularda ve su tanklarında oluşanlar gibi katı-sıvı arayüz biyofilmleri .
• Katı gaz arayüz biyofilmleri (İngilizce Sub Aereal Biofilms'deki kısaltması için SAB); Katı mineral yüzeylerde gelişen, doğrudan atmosfere ve güneş radyasyonuna maruz kalan mikrobiyal topluluklardır. Binalarda, çıplak çöl kayalarında, dağlarda vb. Bulunurlar.

Biyofilm örnekleri

-Diş plağı

Diş plağı, biyofilmlerde yaşayan karmaşık bir topluluğun ilginç bir örneği olarak incelenmiştir. Polimerik matrise sertlik veren inorganik tuzların varlığından dolayı dental plakların biyofilmleri serttir ve elastik değildir.

Diş plağının mikroorganizmaları çok çeşitlidir ve biyofilmde 200 ila 300 ilişkili tür vardır.

Bu mikroorganizmalar arasında:

• Streptococcus cinsi ; mine ve dentini demineralize eden ve diş çürümesini başlatan asidürik bakterilerden oluşur. Örneğin türler: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ve S. milleri.
• Lactobacillus cinsi , dentin proteinlerini denatüre eden asidofilik bakterilerden oluşur. Örneğin, türler: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Asidürik ve proteolitik mikroorganizmalar olan Actinomyces cinsi . Bunlar arasında türler: viscosus, A. odontoliticus ve A. naeslundii.
• Ve Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ve Actinobacillus actinomycetecomitans gibi diğer cinsler .

-Kara sudaki biyofilmler

Bir başka ilginç örnek, amonyum, nitrit ve ototrofik nitrifikasyon bakterilerini oksitleyen nitrifikasyon mikroorganizmalarının borulara bağlı biyofilmlerde yaşadığı evsel atık sudur.

Bu biyofilmlerdeki amonyum oksitleyen bakteriler arasında sayısal olarak baskın türler, biyofilm matrisi boyunca dağılmış olan Nitrosomonas cinsinin türleridir.

Nitrit oksidan grubu içindeki çoğunluk bileşenleri, sadece biyofilmin iç kısmında bulunan Nitrospira cinsindendir.

- Subaerie biyofilmleri

Subaerie biyofilmleri, kayalar ve kentsel binalar gibi katı mineral yüzeylerde parçalı büyüme ile karakterize edilir. Bu biyofilmler, mantarlar, algler, siyanobakteriler, heterotrofik bakteriler, protozoa ve ayrıca mikroskobik hayvanların baskın birlikteliklerini sunar.

Özellikle, SAB biyofilmleri, enerji kaynağı olarak inorganik mineral kimyasalları kullanabilen kemolitotrofik mikroorganizmalara sahiptir.

Kemolitotrofik mikroorganizmalar, örneğin H gibi inorganik bileşikleri oksitleyen yeteneğine sahip ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ ve metabolizmalar oksidasyon tarafından üretilen elektrik potansiyel enerji yararlanmak.

Hava altı biyofilmlerde bulunan mikrobiyal türler şunlardır:

• Geodermatophilus cinsinin bakterileri; C hrococcoccidiopsis cinsinin siyanobakterileri, kokoid ve Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium gibi filamentli türler,
• Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ve Stichococcus cinslerinin yeşil algleri.
• Heterotrofik bakteriler (hava altı biyofilmlerde baskın): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. ve Rhodococcus sp.
• Actynomycetales (streptomycetes ve Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria ve Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium gibi kemoorganotrofik bakteriler ve mantarlar.

-İnsan hastalıklarına neden olan ajanların biyo filmleri

İnsan hastalığına neden olan ajanlar olarak bilinen bakterilerin çoğu biyofilmlerde yaşar. Bunlar arasında Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ve Legionella pneumophyla bulunmaktadır.

-Hıyarcıklı veba

Hıyarcıklı vebanın, bu hastalıktan sorumlu olan bakteriyel ajanın, Yersinia pestis'in nispeten yeni bir uyarlaması olan pire ısırığı ile bulaşması ilgi çekicidir.

Bu bakteri, vektörün üst sindirim sistemine (pire) bağlı bir biyofilm olarak büyür. Bir ısırık sırasında pire, dermiste Yersinia pestis içeren biyofilmi kusarak enfeksiyonu başlatır.

-Hastane venöz kateterleri

Eksplante edilmiş santral venöz kateterlerde biyofilmden izole edilen organizmalar arasında şaşırtıcı bir Gram-pozitif ve Gram-negatif bakteri dizisi ve diğer mikroorganizmalar bulunur.

Birkaç bilimsel çalışma, venöz kateterlerde Gram-pozitif biyofilm bakterileri olarak rapor etmektedir: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidus, Stppprep. ve Streptococcus pneumoniae.

Bu biyofilmlerden izole edilen Gram-negatif bakteriler arasında şunlar rapor edilmiştir: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. . ve Serratia marcescens.

Bu biyofilmlerde bulunan diğer organizmalar şunlardır: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ve Mycobacterium chelonei.

-Endüstride

Endüstrinin işleyişi ile ilgili olarak, biyofilmler boru tıkanmalarına, ekipman hasarına, eşanjör yüzeylerini kaplarken ısı transferleri gibi işlemlerde engellere veya metal parçalarda korozyona neden olur.

Gıda endüstrisi

Gıda endüstrisinde film oluşumu önemli halk sağlığı ve operasyonel sorunlar yaratabilir.

Biyofilmlerdeki ilişkili patojenler, gıda ürünlerini patojenik bakterilerle kontamine edebilir ve tüketiciler için ciddi halk sağlığı sorunlarına neden olabilir.

Gıda endüstrisi ile ilişkili patojenlerin biyofilmleri arasında şunlar yer alır:

Listeria monocytogenes

Bu patojen, biyofilm oluşumunun ilk aşamasında, flagella ve membran proteinlerini kullanır. Dilimleme makinelerinin çelik yüzeylerinde biyofilm oluşturur.

Süt endüstrisinde, Listeria monocytogenes'in biyofilmleri sıvı süt ve süt ürünlerinde üretilebilir. Borulardaki, tanklardaki, kaplardaki ve diğer cihazlardaki süt artıkları, bunları mevcut besinler olarak kullanan bu patojenin biyofilmlerinin gelişmesine yardımcı olur.

Pseudomonas

Bu bakterilerin biyofilmleri, zeminler, kanalizasyonlar gibi gıda endüstrisi tesislerinde ve et, sebze ve meyve gibi gıda yüzeylerinde ve ayrıca düşük asitli süt türevlerinde bulunabilir.

Pseudomonas aeruginosa, paslanmaz çelik gibi büyük miktarda inorganik malzemeye yapışarak biyofilmin polimerik matrisinin oluşumunda kullanılan birkaç hücre dışı maddeyi salgılar.

Pseudomonas, Salmonella ve Listeria gibi diğer patojenik bakterilerle birlikte biyofilm içinde bir arada bulunabilir.

zehirlenmeye neden olan mikrop

Salmonella türleri, bakteriyel etiyolojideki zoonozların ve gıda zehirlenmesi salgınlarının ilk nedensel ajanıdır.

Bilimsel araştırmalar Salmonella'nın gıda işleme tesisi tesislerinde beton, çelik ve plastik yüzeylere biyofilmler şeklinde yapışabildiğini göstermiştir.

Salmonella türleri, yapışkan özelliklere sahip yüzey yapılarına sahiptir. Ek olarak, polimerik matrisin ana bileşeni olan hücre dışı bir madde olarak selüloz üretir.

Escherichia coli

Biyofilm oluşumunun ilk aşamasında flagella ve membran proteinlerini kullanır. Aynı zamanda biyofilmdeki matrisin üç boyutlu çerçevesini oluşturmak için hücre dışı selüloz üretir.

Biyofilmlerin dezenfektanlara, mikrop öldürücülere ve antibiyotiklere direnci

Biyofilmler, onları oluşturan mikroorganizmalara, dezenfektanların, mikrop öldürücülerin ve antibiyotiklerin etkisine karşı koruma sağlar. Bu özelliğe izin veren mekanizmalar şunlardır:

• Çok yavaş difüzyon ve etkili konsantrasyona ulaşmanın zorluğu nedeniyle, antimikrobiyal ajanın biyofilmin üç boyutlu matriksinden geç nüfuz etmesi.
• Biyofilmdeki mikroorganizmaların değişen büyüme hızı ve düşük metabolizması.
• Biyofilm büyümesi sırasında mikroorganizmaların fizyolojik tepkilerinde, değişmiş direnç gen ekspresyonu ile değişiklikler.

Referanslar

1. Bakteriyel Biyofilmler. (2008). Mikrobiyoloji ve İmmünolojide Güncel Konular. Tony Romeo Editör. Cilt 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM ve Costerton, JW (2002). Biyofilmler: klinik olarak ilgili mikroorganizmaların hayatta kalma mekanizmaları. Klinik Mikrobiyoloji İncelemeleri. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC ve Wingender, F. (2010). Biyofilm matrisi. Doğa İncelemeleri Mikrobiyoloji. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Buzlu hayat. Çevresel Mikrobiyoloji. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB ve Kolter, R. (2000). Mikrobiyal gelişim olarak biyofilm oluşumu. Mikrobiyolojinin Yıllık İncelemesi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW ve Stoodley, P. (2004). Bakteriyel biyofilmler: doğal ortamdan bulaşıcı hastalıklara. Doğa İncelemeleri Mikrobiyoloji. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ve Mattick, J. (2002). Bakteriyel biyofilm oluşumu için gerekli hücre dışı DNA. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487