BIOPLĒVES: RAKSTUROJUMS, VEIDOŠANĀS, VEIDI UN PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

The mikroorganismu bioplēves vai mikroorganismu bioplēves ir kopienām piestiprinātas pie virsmas mikroorganismiem, kas dzīvo matricā ekstracelulāro polimēri sevis - generated. Sākotnēji tos aprakstīja Antuāns fon Lēvenhoeks, kad 17. gadsimtā viņš pārbaudīja "dzīvnieku kauliņus" (tā viņš tika nosaukts) materiāla plāksnītē no paša zobiem.

Teorija, kas konceptualizē bioplēves un apraksta to veidošanās procesu, nebija izstrādāta līdz 1978.gadam. Tika atklāts, ka mikroorganismu spēja veidot bioplēves šķiet universāla.

Staphylococcus aureus ražota bioplēve katetrā. Avots: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. gads, izmantojot https://commons.wikimedia.org

Bioplēves var pastāvēt vidē, kas ir tikpat daudzveidīga kā dabiskās sistēmas, akvedukti, ūdens uzkrāšanas tvertnes, rūpnieciskās sistēmas, kā arī daudzos plašsaziņas līdzekļos, piemēram, medicīnas ierīcēs un slimnīcu pacientiem paredzētajās ierīcēs (piemēram, katetros).

Izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju un konfokālās skenēšanas lāzera mikroskopiju, tika atklāts, ka bioplēves nav viendabīgi, nestrukturēti šūnu un uzkrāto nogulumu nogulumi, bet gan sarežģītas heterogēnas struktūras.

Bioplēves ir sarežģītas saistītu šūnu kopas uz virsmas, kas iestrādātas augsti hidratētā polimēru matricā, kuras ūdens cirkulē caur konstrukcijas atvērtiem kanāliem.

Daudzi organismi, kuriem miljoniem gadu ir izdevies izdzīvot vidē, piemēram, Pseudomonas un Legionella ģints sugas, bioplēves stratēģiju izmanto vidē, kas nav viņu dzimtā vide.

Bioplēvju raksturojums

Bioplēves matricas ķīmiskās un fizikālās īpašības

-Polimēru ārpusšūnu vielas, ko izdala bioplēves mikroorganismi, polisaharīdu makromolekulas, olbaltumvielas, nukleīnskābes, lipīdi un citi biopolimēri, galvenokārt izteikti hidrofilās molekulas, krustojas, veidojot trīsdimensiju struktūru, ko sauc par biofilmas matricu.

-Matricas struktūra ir ļoti viskoelastīga, tai ir gumijas īpašības, tā ir izturīga pret vilkmi un mehānisku sabrukšanu.

-Matricai ir spēja pielīmēt saskarnes virsmas, ieskaitot porainu vides iekšējās telpas, caur ārpusšūnu polisaharīdiem, kas darbojas kā pielipušas smaganas.

-Polimēriskā matrica pārsvarā ir anjona, un tajā ietilpst arī neorganiskas vielas, piemēram, metāla katjoni.

-Tā ir ūdens kanāli, caur kuriem cirkulē skābeklis, barības vielas un atkritumu vielas, kuras var pārstrādāt.

-Šī bioplēves matrica darbojas kā aizsardzības un izdzīvošanas līdzeklis pret nelabvēlīgu vidi, šķērslis fagocītu iebrucējiem un dezinfekcijas līdzekļu un antibiotiku iekļūšanai un izplatībai.

Bioplēvju ekofizioloģiskās īpašības

- Matricas veidošanās nehomogēnos gradientos rada dažādus mikrobiotopus, kas ļauj bioloģiskajai daudzveidībai pastāvēt bioplēvē.

-Ar matricu šūnu dzīves forma radikāli atšķiras no brīvās dzīves, nav saistīta. Bioplēves mikroorganismi ir imobilizēti, ļoti tuvu viens otram, saistīti ar kolonijām; šis fakts ļauj notikt intensīvai mijiedarbībai.

- Bioplēves mikroorganismu mijiedarbība ietver komunikāciju ar ķīmisku signālu palīdzību kodā, ko sauc par “kvoruma noteikšanu”.

- Ir arī citas svarīgas mijiedarbības, piemēram, gēnu pārnešana un sinerģisku mikrokonsortiju veidošanās.

- Bioplēves fenotipu var aprakstīt ar gēniem, kurus pauž saistītās šūnas. Šis fenotips tiek mainīts attiecībā uz augšanas ātrumu un gēnu transkripciju.

Organismi, kas atrodas bioplēvē, var transkribēt gēnus, kas nepārraksta to planktoniskās vai brīvās dzīvības formas.

-Bioplēves veidošanās procesu regulē specifiski gēni, kas tiek transkribēti sākotnējās šūnu adhēzijas laikā.

-Matricas ierobežotajā telpā ir sadarbības un konkurences mehānismi. Konkurence rada pastāvīgu pielāgošanos bioloģiskajās populācijās.

- Tiek radīta kolektīva ārēja gremošanas sistēma, kas ārpusšūnu fermentus saglabā šūnu tuvumā.

-Šī fermentatīvā sistēma ļauj atdalīt, uzkrāt un metabolizēt izšķīdušās, koloidālās un / vai suspendētās barības vielas.

-Matrica darbojas kā kopēja ārējā pārstrādes zona, lizētu šūnu komponentu uzglabāšana, kas kalpo arī kā kolektīvs ģenētiskais arhīvs.

- Bioplēve darbojas kā aizsargājoša strukturāla barjera pret apkārtējās vides izmaiņām, piemēram, izžūšanu, biocīdu, antibiotiku, saimnieka imūno reakciju, oksidētāju, metāla katjonu, ultravioletā starojuma iedarbību, un tā ir arī aizsardzība pret daudziem plēsējiem, piemēram, fagocītiskajiem vienšūņiem un kukaiņiem.

- Bioplēves matrica veido unikālu mikroorganismu ekoloģisko vidi, kas bioloģiskajai sabiedrībai ļauj dinamiski dzīvot. Bioplēves ir īstas mikroekosistēmas.

Bioplēves veidošanās

Bioplēves veidošanās ir process, kurā mikroorganismi pāriet no brīvi dzīvojoša, vienšūnu, nomadu stāvokļa uz daudzšūnu mazkustīgu stāvokli, kurā turpmākā augšana rada strukturētas kopienas ar šūnu diferenciāciju.

Bioplēves attīstība notiek, reaģējot uz ārpusšūnu vides signāliem un pašu radītiem signāliem.

Pētnieki, kuri ir pētījuši bioplēves, ir vienisprātis, ka ir iespējams izveidot vispārinātu hipotētisku modeli, lai izskaidrotu to veidošanos.

Šis bioplēves veidošanās modelis sastāv no 5 posmiem:

1. Sākotnējā saķere ar virsmu.
2. Vienslāņa veidošanās.
3. Migrācija, veidojot daudzslāņu mikrokolonijas.
4. Ārpusšūnu polimēru matricas izgatavošana.
5. Trīsdimensiju bioplēves nogatavināšana.

2. attēls. Bioplēves veidošanās process. Avots: D. Deiviss, izmantojot Wikimedia Commons

Sākotnējā saķere ar virsmu

Bioplēves veidošanās sākas ar sākotnējo mikroorganismu adhēziju uz cietās virsmas, kur tie tiek imobilizēti. Atklāts, ka mikroorganismiem ir virsmas sensori un matricas veidošanā ir iesaistīti virsmas proteīni.

Nepārvietojamajos organismos, kad labvēlīgi vides apstākļi, palielinās adheīnu veidošanās uz to ārējās virsmas. Tādā veidā tas palielina savu šūnu-šūnu un šūnu-virsmas adhēzijas spēju.

Pārvietojamo sugu gadījumā atsevišķi mikroorganismi atrodas uz virsmas, un tas ir sākumpunkts, lai radikāli mainītu viņu dzīves veidu no nomadu brīvi pārvietojama uz mazkustīgu, gandrīz sēdošu.

Tāpēc matricas veidošanās laikā tiek zaudēta pārvietošanās spēja, papildus lipīgajām vielām piedalās arī dažādas struktūras, piemēram, flagella, cilia, pilus un fimbria.

Tad abos gadījumos (mobilie un nekustīgie mikroorganismi) veidojas nelieli agregāti vai mikrokolonijas un tiek radīts intensīvāks šūnu un šūnu kontakts; klasterizētās šūnās notiek adaptīvas fenotipiskas izmaiņas jaunajā vidē.

Vienslāņa un mikrokoloniju veidošanās daudzslāņos

Sākas ārpusšūnu polimēru vielu ražošana, sākotnējā veidošanās notiek vienslāņu slānī, bet pēc tam - daudzslāņu veidošanās.

Ārpusšūnu polimēru matricas izgatavošana un trīsdimensiju bioplēves nogatavināšana

Visbeidzot, bioplēve sasniedz brieduma pakāpi ar trīsdimensiju arhitektūru un kanālu klātbūtni, caur kuriem cirkulē ūdens, barības vielas, komunikācijas ķimikālijas un nukleīnskābes.

Bioplēves matrica saglabā šūnas un tur tās kopā, veicinot augstu mijiedarbības pakāpi ar starpšūnu komunikāciju un sinerģisku konsorciju veidošanos. Bioplēves šūnas nav pilnībā imobilizētas, tās var pārvietoties tās iekšpusē un arī atdalīties.

Bioplēvju veidi

Sugu skaits

Atbilstoši sugu skaitam, kas piedalās bioplēvē, pēdējo var klasificēt:

• Sugas bioplēves. Piemēram, bioplēves, ko veido Streptococcus mutans vai Vellionela parvula.
• Divu sugu bioplēves. Piemēram, ir atklāta arī Streptococcus mutans un Vellionella parvula asociācija bioplēvēs.
• Polimikrobu bioplēves, kas sastāv no daudzām sugām . Piemēram, zobu aplikums.

Apmācības vide

Atkarībā no vides, kurā tās veidojas, bioplēves var būt:

• Dabiski
• Rūpnieciskā
• Iekšzemes
• Viesmīlīgs

3. attēls. Termofilu baktēriju bioplēves Mickey Hot Springs, Oregona, ASV. Avots: Amateria1121, no Wikimedia Commons

Saskarnes veids, kurā tās tiek ģenerētas

No otras puses, atkarībā no saskarnes veida, kurā tie tiek izveidoti, tos ir iespējams klasificēt:

• Cietā un šķidruma interfeisa bioplēves , piemēram, tādas, kas veidojas akveduktos un tvertnēs, caurulēs un ūdens tvertnēs kopumā.
• Cietvielu un gāzu saskarnes bioplēves (SAB tās akronīmam angļu valodā Sub Aereal Biofilms); kas ir mikrobu kopienas, kas veidojas uz cietām minerālu virsmām, kuras ir tieši pakļautas atmosfērai un saules starojumam. Tie, cita starpā, atrodami ēkās, kailās tuksneša klintīs, kalnos.

Bioplēvju piemēri

-Zobu plāksne

Zobu aplikums ir pētīts kā interesants sarežģītas kopienas piemērs, kas dzīvo bioplēvēs. Zobu plākšņu bioplēves ir cietas un nav elastīgas neorganisko sāļu klātbūtnes dēļ, kas piešķir polimēra matricai stingrību.

Zobu aplikuma mikroorganismi ir ļoti dažādi, un bioplēvē ir no 200 līdz 300 saistītām sugām.

Starp šiem mikroorganismiem ir:

• Streptococcus ģints ; sastāv no skābās baktērijas, kas demineralizē emalju un dentīnu un ierosina zobu kariesu. Piemēram, sugas: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis un S. milleri.
• Lactobacillus ģints , kas sastāv no acidofilām baktērijām, kas denaturē dentīna olbaltumvielas. Piemēram, sugas: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Actinomyces ģints , kas ir skābi saturoši un proteolītiski mikroorganismi. Starp tām sugas: viskozes, A. odontoliticus un A. naeslundii.
• Un citas ģints , piemēram: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis un Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmas melnā ūdenī

Vēl viens interesants piemērs ir sadzīves notekūdeņi, kur nitrificējošie mikroorganismi, kas oksidē amoniju, nitrītu un autotrofiskas nitrificējošās baktērijas, dzīvo caurulēs pievienotajās bioplēvēs.

Starp amonija oksidējošām baktērijām šajās bioplēvēs skaitliski dominējošās sugas ir Nitrosomonas ģints sugas, kas ir sadalītas visā bioplēves matricā.

Galvenie nitrītu oksidētāju grupas komponenti ir Nitrospira ģints komponenti, kas atrodas tikai bioplēves iekšējā daļā.

- Zemūdens bioplēves

Zemūdens bioplēvēm raksturīga raibu augšana uz cietām minerālu virsmām, piemēram, klintīm un pilsētu ēkām. Šajās bioplēvēs dominē sēnītes, aļģes, zilaļģes, heterotrofās baktērijas, vienšūņi, kā arī mikroskopiski dzīvnieki.

Proti, SAB bioplēvēs ir ķīmiski citotrofiski mikroorganismi, kas kā enerģijas avotus spēj izmantot neorganiskas minerālu ķīmiskas vielas.

Kemolitotrofiem mikroorganismiem piemīt spēja oksidēt tādus neorganiskus savienojumus kā H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ un izmantot elektriskā potenciāla enerģiju, ko rada to oksidācijas to metabolismos.

Starp mikrobiālajām sugām, kas atrodas apakšbiržas bioplēvēs, ir:

• Geodermatophilus ģints baktērijas; C hrococccididiopsis ģints zilaļģes, kokosriekstu un pavedienu sugas, piemēram, Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia un Stichococcus ģinšu zaļās aļģes.
• Heterotrofās baktērijas (dominējošās apakšbiržas bioplēvēs): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. un Rhodococcus sp.
• Ķīmiskās organotrofiskās baktērijas un sēnītes, piemēram, Actynomycetales (streptomicīti un Geodermatophilaceae), proteobaktērijas, Actinobacteria, Acidobacteria un Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filmas par cilvēku slimību izraisītājiem

Daudzas baktērijas, kas pazīstamas kā cilvēku slimību izraisītāji, dzīvo bioplēvēs. Starp tiem ir: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans un Legionella pneumophyla.

-Buboņu mēris

Interesanti ir buboņu mēra pārnešana ar blusu kodumu, salīdzinoši neseno baktēriju ierosinātāja, kas ir atbildīgs par šo slimību, Yersinia pestis, adaptācija.

Šī baktērija aug kā bioplēve, kas piestiprināta pie vektora augšējās gremošanas sistēmas (blusas). Koduma laikā blusa atjaunojas no bioplēves, kas satur Yersinia pestis dermā, tādējādi ierosinot infekciju.

-Hospital venozie katetri

Organismos, kas izdalīti no bioplēves uz skaidriem centrālās venozās katetriem, ir pārsteidzošs grampozitīvo un gramnegatīvo baktēriju klāsts, kā arī citi mikroorganismi.

Vairāki zinātniskie pētījumi ziņo par bioplēvju grampozitīvām baktērijām venozās katetrēs: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus sppp. un Streptococcus pneumoniae.

Starp gramnegatīvajām baktērijām, kas izdalītas no šīm bioplēvēm, tiek ziņots par šādām vielām: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiellaxytoca, Pseudomonas. . un Serratia marcescens.

Citi organismi, kas atrodami šajās bioplēvēs, ir: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis un Mycobacterium chelonei.

-Rūpniecībā

Runājot par nozares darbību, bioplēves rada cauruļvadu aizsprostojumus, aprīkojuma bojājumus, traucējumus procesos, piemēram, siltuma pārnesē, apsekojot siltummaiņa virsmas, vai metāla detaļu korozijā.

Pārtikas rūpniecība

Filmu veidošanās pārtikas rūpniecībā var radīt ievērojamas sabiedrības veselības un darbības problēmas.

Saistītie patogēni bioplēvēs var piesārņot pārtikas produktus ar patogēnām baktērijām un radīt nopietnas sabiedrības veselības problēmas patērētājiem.

Ar patogēniem saistīto patogēnu bioplēves ir:

Listeria monocytogenes

Šis patogēns sākotnējā bioplēves veidošanās posmā izmanto flagellas un membrānas olbaltumvielas. Veido bioplēves uz griešanas mašīnu tērauda virsmām.

Piena nozarē Listeria monocytogenes bioplēves var ražot šķidrā pienā un piena produktos. Piena atliekas caurulēs, tvertnēs, konteineros un citās ierīcēs veicina šī patogēna bioplēvju attīstību, kas tās izmanto kā pieejamās barības vielas.

Pseidomonas

Šo baktēriju bioplēves var atrast pārtikas rūpniecības objektos, piemēram, grīdās, kanalizācijā, kā arī uz pārtikas virsmām, piemēram, gaļas, dārzeņiem un augļiem, kā arī zemu skābju atvasinājumiem no piena.

Pseudomonas aeruginosa izdala vairākas ārpusšūnu vielas, kuras izmanto bioplēves polimēru matricas veidošanā, ievērojot lielu daudzumu neorganisko materiālu, piemēram, nerūsējošā tērauda.

Pseidomonas var vienlaikus pastāvēt bioplēvē kopā ar citām patogēnām baktērijām, piemēram, Salmonella un Listeria.

Salmonella

Salmonellas sugas ir pirmais baktēriju etioloģijas zoonožu un pārtikas saindēšanās uzliesmojumu izraisītājs.

Zinātniskie pētījumi ir parādījuši, ka Salmonella kā bioplēves var pielipt pie betona, tērauda un plastmasas virsmām pārtikas pārstrādes rūpnīcas telpās.

Salmonellas sugām piemīt virsmas struktūras ar pielipušām īpašībām. Turklāt tas ražo celulozi kā ārpusšūnu vielu, kas ir galvenā polimēru matricas sastāvdaļa.

Escherichia coli

Sākotnējā bioplēves veidošanās posmā tiek izmantoti flagella un membrānas proteīni. Tas arī ražo ārpusšūnu celulozi, lai ģenerētu matricas trīsdimensiju karkasu bioplēvē.

Bioplēvju izturība pret dezinfekcijas līdzekļiem, germicīdiem un antibiotikām

Bioplēves piedāvā aizsardzību mikroorganismiem, kas tos veido, kā arī dezinfekcijas līdzekļu, germicīdu un antibiotiku iedarbībai. Mehānismi, kas atļauj šo funkciju, ir šādi:

• Antimikrobiālā līdzekļa aizkavēta iekļūšana caur bioplēves trīsdimensiju matricu ļoti lēnas difūzijas un efektīvās koncentrācijas sasniegšanas grūtību dēļ.
• Izmainīts augšanas ātrums un zems mikroorganismu metabolisms bioplēvē.
• Izmaiņas mikroorganismu fizioloģiskajās atbildēs bioplēves augšanas laikā ar mainītu rezistences gēna ekspresiju.

Atsauces

1. Baktēriju bioplēves. (2008). Aktuālās tēmas mikrobioloģijā un imunoloģijā. Tonijs Romeo redaktors. 322. sējums. Berlīne, Hannovere: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM un Costerton, JW (2002). Bioplēves: klīniski nozīmīgu mikroorganismu izdzīvošanas mehānismi. Klīniskās mikrobioloģijas atsauksmes. 15 (2): 167–193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Flemings, HC un Vingenders, F. (2010). Bioplēves matrica. Daba Atsauksmes Mikrobioloģija. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Dzīve uz klintīm. Vides mikrobioloģija. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB un Kolter, R. (2000). Bioplēves veidošanās kā mikrobu attīstība. Ikgadējais mikrobioloģijas pārskats 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW un Stoodley, P. (2004). Baktēriju bioplēves: no dabiskās vides līdz infekcijas slimībām. Daba Atsauksmes Mikrobioloģija. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. un Mattick, J. (2002). Āršūnu DNS, kas nepieciešama baktēriju bioplēves veidošanai. 259 (5559): 1487–1499. doi: 10.1126 / zinātne.295.5559.1487