Biofilms kenmerken, formatie, types en voorbeelden

de biofilms of biofilms het zijn gemeenschappen van micro-organismen verbonden aan een oppervlak, levend in een zelf-gegenereerde matrix van extracellulaire polymere stoffen. Ze werden aanvankelijk beschreven door Antoine von Leeuwenhoek, toen hij de "animas" (aldus door hem gedoopt) op een tandplak met materiaal van zijn eigen tanden in de zeventiende eeuw onderzocht.

De theorie die biofilms conceptualiseert en hun vormingsproces beschrijft, was pas in 1978 ontwikkeld. Men ontdekte dat het vermogen van micro-organismen om biofilms te vormen universeel lijkt..

Biofilms kunnen bestaan ​​in zulke uiteenlopende omgevingen zoals natuurlijke systemen, aquaducten, water opslagtanks, industriële systemen en in verschillende manieren zoals medische hulpmiddelen en apparatuur doorgebracht in het ziekenhuis patiënten (zoals katheters, bijvoorbeeld).

Door het gebruik van scanning elektronenmicroscopie en laser scanning confocale microscopie bleek dat biofilms niet homogeen afzettingen, gedestructureerd cel en geaccumuleerde slijm, maar complexe heterogene structuren.

Biofilms zijn complexe gemeenschappen van geassocieerde cellen op een oppervlak, opgenomen in een sterk gehydrateerde polymeermatrix waarvan het water door open kanalen van de structuur circuleert.

Veel organismen die succesvol zijn geweest in hun overleving van miljoenen jaren in het milieu, bijvoorbeeld soorten van de geslachten Pseudomonas en Legionella, ze gebruiken de biofilm-strategie in omgevingen die verschillen van hun native native-omgeving.

index

• 1 Kenmerken van biofilms
  • 1.1 Chemische en fysische kenmerken van de biofilmmatrix
  • 1.2 Ecofysiologische kenmerken van biofilms
• 2 Biofilmvorming
  • 2.1 Eerste hechting op het oppervlak
  • 2.2 Vorming van een monolaag en microkolonies in multilagen
  • 2.3 Productie van de polymere extracellulaire matrix en rijping van de driedimensionale biofilm
• 3 soorten biofilms
  • 3.1 Aantal soorten
  • 3.2 Trainingsomgeving
  • 3.3 Type interface waar ze worden gegenereerd
• 4 Voorbeelden van biofilms
  • 4.1 -De tandplak
  • 4.2 -Bio film in zwart water
  • 4.3 - Sub-luchtbiofilms
  • 4.4 - Biofilms van causale agentia van menselijke ziekten
  • 4.5 - builenpest
  • 4.6 - Ziekenhuis veneuze katheters
  • 4.7 - In de industrie
• 5 Weerstand van biofilms tegen ontsmettingsmiddelen, germiciden en antibiotica
• 6 Referenties

Kenmerken van biofilms

Chemische en fysieke kenmerken van de biofilmmatrix

-Extracellulaire polymere substanties uitgescheiden door micro-organismen in de biofilm, macromoleculen polysachariden, eiwitten, nucleïnezuren, lipiden en andere biopolymeren, moleculen meestal zeer hydrofiel, snijden tot een driedimensionale structuur zogenaamde biofilm matrix.

-De structuur van de matrix is ​​sterk visco-elastisch, heeft rubberen eigenschappen, is bestand tegen tractie en mechanische breuk.

-De matrix heeft het vermogen zich te hechten aan interfaseoppervlakken, inclusief interne ruimten van poreuze media, door extracellulaire polysacchariden die werken als adherent tandvlees.

-De polymeermatrix is ​​overwegend anionisch en omvat ook anorganische stoffen zoals metaalkationen.

-Het heeft waterkanalen waardoor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen circuleren die gerecycled kunnen worden.

-Deze matrix van de biofilm, werkt als een middel voor bescherming en overleving in ongunstige omgevingen, barrière tegen fagocytische indringers en tegen de binnenkomst en verspreiding van desinfectantia en antibiotica.

Ecofysiologische kenmerken van biofilms

-De vorming van de matrix in inhomogene gradiënten produceert een verscheidenheid aan microhabitats, waardoor biodiversiteit in de biofilm kan bestaan.

-Binnen de matrix is ​​de cellulaire manier van leven radicaal anders dan het vrije leven, niet geassocieerd. De micro-organismen van de biofilm zijn geïmmobiliseerd, zeer dicht bij elkaar, geassocieerd in kolonies; dit feit laat intense interacties toe.

-Interacties tussen biofilm micro-organismen omvatten communicatie door middel van chemische signalen in een code genaamd "quorum sensing".

-Er zijn andere belangrijke interacties zoals genoverdracht en de vorming van synergetische microcontributors.

-Het biofilm-fenotype kan worden beschreven in termen van de genen die tot expressie worden gebracht door de geassocieerde cellen. Dit fenotype is veranderd met betrekking tot de snelheid van groei en genetische transcriptie.

-Organismen in de biofilm kunnen genen transcriberen die hun planktonische of vrije levensvormen niet transcriberen.

-Het biofilmvormingsproces wordt gereguleerd door specifieke genen, getranscribeerd tijdens initiële celhechting.

-In de besloten ruimte van de matrix zijn er samenwerkingsmechanismen en concurrentiemechanismen. De concurrentie genereert een constante aanpassing in de biologische populaties.

-Een collectief extern spijsverteringsstelsel wordt gegenereerd, dat de extracellulaire enzymen nabij de cellen behoudt.

-Dit enzymsysteem maakt het mogelijk om sekwestrerende, opgehoopte en gemetaboliseerde, opgeloste, colloïdale en / of gesuspendeerde voedingsstoffen af ​​te scheiden.

-De matrix functioneert als een gemeenschappelijke externe zone voor recycling, opslag van de componenten van gelyseerde cellen, en dient ook als een collectief genetisch archief.

-Biofilm functioneert als een beschermende barrière structurele omgevingsveranderingen zoals drogen, de werking van biociden, antibiotica, immuunreacties van de gastheer, oxidatiemiddelen, metaalkationen, en ultraviolette straling is afweer tegen vele roofdieren fagocytische protozoa en insecten.

-De matrix van de biofilm vormt een unieke ecologische omgeving voor micro-organismen, die een dynamische manier van leven mogelijk maakt voor de biologische gemeenschap. Biofilms zijn echte micro-ecosystemen.

Biofilmvorming

Biofilmvorming is een proces waarbij microorganismen langs een nomadische eencellige toestand vrijlevende, meercellige een sedentaire toestand waarin verdere groei produceert gestructureerde gemeenschappen en celdifferentiatie.

Biofilmontwikkeling vindt plaats als reactie op extracellulaire omgevingssignalen en zelf gegenereerde signalen.

Onderzoekers die biofilms hebben bestudeerd zijn het erover eens dat het mogelijk is om een ​​gegeneraliseerd hypothetisch model te construeren om hun vorming te verklaren.

Dit model van biofilmvorming bestaat uit 5 fasen:

1. Eerste hechting aan het oppervlak.
2. Vorming van een monolaag.
3. Migratie om microkolonies te vormen in multilayers.
4. Productie van de polymere extracellulaire matrix.
5. Rijping van de driedimensionale biofilm.

Eerste hechting aan het oppervlak

De vorming van de biofilm begint met de initiële hechting van micro-organismen aan het vaste oppervlak, waar ze worden geïmmobiliseerd. Er is ontdekt dat micro-organismen oppervlaktesensoren hebben en dat oppervlakte-eiwitten zijn betrokken bij de vorming van de matrix.

In niet-mobiele organismen, wanneer de omgevingsomstandigheden gunstig zijn, wordt de productie van adhesinen op hun uitwendig oppervlak verhoogd. Op deze manier neemt de cel-cel- en celoppervlakte-adhesiecapaciteit toe.

In het geval van mobiele soorten bevinden de individuele micro-organismen zich op een oppervlak en dit is het startpunt voor een radicale verandering in hun nomadische mobiele levensstijl, zittend, bijna zittend.

Het bewegingsvermogen gaat verloren omdat bij de vorming van de matrix de verschillende structuren deelnemen, zoals flagella, cilia, pilus en fimbrias, naast de kleefstoffen.

Vervolgens worden in beide gevallen (mobiele en niet-mobiele micro-organismen) kleine aggregaten of microkolonies gevormd en wordt een intenser cel-celcontact gegenereerd; Adaptieve fenotypische veranderingen komen voor in de nieuwe omgeving, in de gegroepeerde cellen.

Vorming van een monolaag en microkolonies in multilagen

De productie van extracellulaire polymere stoffen begint, de eerste monolaagvorming vindt plaats en de daaropvolgende ontwikkeling in multilagen.

Productie van de polymere extracellulaire matrix en rijping van de driedimensionale biofilm

Ten slotte bereikt de biofilm zijn stadium van volwassenheid, met een driedimensionale architectuur en de aanwezigheid van kanalen waardoor water, voedingsstoffen, communicatiestoffen en nucleïnezuren circuleren..

De matrix van de biofilm behoudt de cellen en houdt ze bij elkaar, waardoor een hoge mate van interactie met intercellulaire communicatie en de vorming van synergetische consortia wordt bevorderd. De cellen van de biofilm zijn niet volledig geïmmobiliseerd, ze kunnen erin bewegen en zich ook losmaken.

Typen biofilms

Aantal soorten

Afhankelijk van het aantal soorten dat deelneemt aan de biofilm, kan de laatste worden ingedeeld in:

• Biofilms van een soort. Bijvoorbeeld biofilms gevormd door Streptococcus mutans of Vellionela parvula.
• Biofilms van twee soorten. Bijvoorbeeld de associatie van Streptococcus mutans en Vellionela parvula in biofilms.
• Polymicrobiële biofilms, samengesteld uit vele soorten. Bijvoorbeeld tandplak.

Trainingsomgeving

Ook volgens de omgeving waarin ze worden gevormd, kunnen biofilms zijn:

• natuurlijk
• industrieel
• huishouden
• Hospitalarias

Type interface waar ze worden gegenereerd

Aan de andere kant is het, afhankelijk van het type interface waar ze worden gevormd, mogelijk om ze in te delen in:

• Solid-liquid interfase biofilms, zoals die gevormd worden in aquaducten en tanks, pijpen en watertanks in het algemeen.
• Interfase biofilms met vast gas (SAB voor zijn afkortingen in Engelse Sub Aereal Biofilms); Dit zijn microbiële gemeenschappen die zich ontwikkelen op vaste minerale oppervlakken, direct worden blootgesteld aan de atmosfeer en zonnestraling. Ze worden gevonden in gebouwen, naakte woestijnrotsen, bergen, onder anderen.

Voorbeelden van biofilms

-De tandplak

De tandplak is bestudeerd als een interessant voorbeeld van een complexe gemeenschap die leeft in biofilms. De biofilms van de tandplaten zijn hard en niet elastisch, vanwege de aanwezigheid van anorganische zouten, die de polymere matrix stijfheid geven.

De micro-organismen van tandplak zijn zeer gevarieerd en er zijn tussen de 200 en 300 soorten geassocieerd met biofilm.

Onder deze micro-organismen zijn:

• Het geslacht Streptococcus; bestaande uit zure bacteriën die het glazuur en dentine demineraliseren en tandcariës veroorzaken. Bijvoorbeeld, de soort: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis en S. milleri.
• Het geslacht Lactobacillus, gevormd door acidofiele denaturerende bacteriën van de dentine-eiwitten. Bijvoorbeeld, de soort: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Het geslacht Actinomyces, die zure en proteolytische micro-organismen zijn. Onder deze soorten: viscosus, A. odontoliticus en A. naeslundii.
• En andere genres, zoals: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis en Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilms in zwart water

Een ander interessant voorbeeld huishoudelijk afvalwater, waar ze wonen in biofilms het naleven van piping, oxiderende micro-organismen nitrificerende ammonium nitriet en autotrofe nitrificerende bacteriën.

Onder de ammonium-oxiderende bacteriën van deze biofilms worden ze gevonden als numeriek dominante soorten, die van het geslacht Nitrosomonas, verdeeld over de biofilmmatrix.

De belangrijkste componenten binnen de groep van nitrietoxidanten zijn die van het geslacht Nitrospira, die zich alleen in het binnenste deel van de biofilm bevinden.

-Sub-lucht biofilm

De subaeriële biofilms worden gekenmerkt door een groei in vlekken op vaste minerale oppervlakken zoals rotsen en stedelijke constructies. Deze biofilms hebben dominante associaties van schimmels, algen, cyanobacteriën, heterotrofe bacteriën, protozoa, evenals microscopische dieren.

In het bijzonder bezitten SAB-biofilms chemolithotrofe micro-organismen, die minerale anorganische chemische stoffen als energiebronnen kunnen gebruiken.

Chemolithotrofe micro-organismen hebben het vermogen om anorganische verbindingen zoals H te oxideren₂, NH₃, NO₂, S, HS, geloof²⁺ en profiteer van het elektrische potentiële energieproduct van oxidaties in hun metabolisme.

Onder de microbiële soorten die aanwezig zijn in de subaeriële biofilms, zijn:

• Bacteriën van het geslacht Geodermatophilus; cyanobacteriën van de geslachten Chrococcoccidiopsis, coccoïde en filamenteuze soorten zoals Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Groene algen van de geslachten Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia en Stichococcus.
• Heterotrofe bacteriën (dominant in subaeriële biofilms): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. en Rhodococcus sp.
• Chemogorganotrofische bacteriën en schimmels als Actynomycetales (streptomycetes en Geodermatophilaceae), Proteobacteriën, Actinobacteriën, Acidobacteria en bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilms van veroorzakers van ziekten bij de mens

Veel van de bacteriën die bekend staan ​​als veroorzakers van ziekten bij de mens leven in biofilms. Onder deze zijn: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans en Legionella pneumophyla.

-Builenpest

Het is interessant de overdracht van builenpest door vlooienbeet, een relatief recente aanpassing van het veroorzakende bacteriële agens van deze ziekte, Yersinia pestis.

Deze bacterie groeit als een biofilm gehecht aan het bovenste spijsverteringsstelsel van de vector (de vlo). Tijdens een beet, vloeit de vlo de biofilm bevattende uit Yersinia pestis in de dermis en dus begint de infectie.

-Ziekenhuis veneuze katheters

Onder de isolaten van biofilms in centraal veneuze katheters geëxplanteerde vonden zij een verbazingwekkende verscheidenheid van Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën en andere micro-organismen.

Verschillende wetenschappelijke studies rapporteren als Gram-positieve bacteriën van biofilms in veneuze katheters: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. en Streptococcus pneumoniae.

Onder de Gram-negatieve bacteriën geïsoleerd uit deze biofilms worden gerapporteerd: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. en Serratia marcescens.

Andere organismen in deze biofilms zijn: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis en Mycobacterium chelonei.

-In de industrie

Wat betreft de werking van de industrie, biofilms geproduceerd leidingen obstructies, schade aan uitrusting, storingen processen zoals warmteoverdracht oppervlakken wisselaars of corrosie van metaaldelen dekken.

Voedingsindustrie

De vorming van films in industrieën van de voedingstak kan belangrijke problemen veroorzaken en de volksgezondheid.

Geassocieerde pathogenen in biofilms kunnen voedselproducten besmetten met pathogene bacteriën en ernstige volksgezondheidsproblemen bij consumenten veroorzaken.

Onder de biofilms van pathogenen geassocieerd met de voedingsindustrie, zijn er:

Listeria monocytogenes

Dit pathogeen werkt in de beginfase van biofilmvorming, flagella en membraaneiwitten. Vorm biofilms op de stalen oppervlakken van snijmachines.

In de zuivelindustrie kunnen biofilms worden geproduceerd Listeria monocytogenes in vloeibare melk en zuivelproducten. De residuen van zuivelproducten in leidingen, tanks, containers en andere apparaten, bevorderen de ontwikkeling van biofilms van deze ziekteverwekker die ze gebruikt als beschikbare voedingsstoffen.

Pseudomonas spp.

Biofilms van deze bacteriën zijn te vinden in de voedselindustrie faciliteiten, zoals vloeren, afvoeren en oppervlakken van voedsel zoals vlees, groente en fruit, samen met lage zuurderivaten melk.

Pseudomonas aeruginosa geheim verschillende extracellulaire stoffen die worden gebruikt bij de vorming van de polymeermatrix van de biofilm, vastzittend op een grote hoeveelheid anorganische materialen zoals roestvrij staal.

Pseudomonas kunnen naast elkaar bestaan ​​in de biofilm in combinatie met andere pathogene bacteriën zoals Salmonella en Listeria.

Salmonella spp.

De soort Salmonella zijn de eerste causale agent van zoönosen van bacteriële etiologie en uitbraken van voedseltoxo-infectie.

Wetenschappelijke studies hebben dat aangetoond Salmonella kan hechten in de vorm van biofilms, op de oppervlakken van cement, staal en kunststof, van de faciliteiten van voedselverwerkende bedrijven.

De soort Salmonella Ze hebben oppervlaktestructuren met hechtende eigenschappen. Bovendien produceert het cellulose als een extracellulaire stof, die de hoofdcomponent van de polymeermatrix is.

Escherichia coli

Het maakt gebruik van flagellen en membraaneiwitten in de beginfase van biofilmvorming. Het produceert ook extracellulaire cellulose om het driedimensionale rooster van de matrix in de biofilm te genereren.

Weerstand van biofilms tegen ontsmettingsmiddelen, germiciden en antibiotica

Biofilms bieden bescherming voor de micro-organismen die het maken, voor de werking van desinfecterende middelen, germiciden en antibiotica. De mechanismen die deze functie toestaan, zijn de volgende:

• Vertraagde penetratie van het antimicrobiële middel door de driedimensionale matrix van de biofilm, door zeer langzame diffusie en moeite om de effectieve concentratie te bereiken.
• Veranderde groeisnelheid en laag metabolisme van micro-organismen in de biofilm.
• Veranderingen in de fysiologische reacties van micro-organismen tijdens biofilmgroei, met expressie van veranderde resistentiegenen.

referenties

1. Bacteriële biofilms. (2008). Huidige onderwerpen in Microbiologie en Immunologie. Tony Romeo Editor. Vol 322. Berlijn, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. en Costerton, J.W. (2002). Biofilms: overlevingsmechanismen van klinisch relevante micro-organismen. Clinical Microbiology Reviews.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. en Wingender, F. (2010). De biofilmmatrix. Nature Reviews Microbiologie. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Het leven op de rotsen. Environmental Microbiology. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. en Kolter, R. (2000). Biofilmvorming als microbiële ontwikkeling. Jaaroverzicht van Microbiology.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. en Stoodley, P. (2004). Bacteriële biofilms: van de natuurlijke omgeving tot infectieziekten. Nature Reviews Microbiologie. 2: 95-108.
7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. en Mattick, J. (2002). Extracellulair DNA vereist voor bacteriële biofilmvorming. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487