Informace

Co je to bakteriální biofilm?


Bakterie produkují něco, čemu se říká biofilm.

Našel jsem několik definic; někteří říkají, že je to komplex živých a mrtvých bakterií a jiní říkají, že je to vrstva na buněčné stěně.

  1. Z čeho je to vyrobeno?
  2. Jaký je jeho účel?
  3. Jak bojujeme s biofilmy, když se s nimi setkáme?

Kromě samotných mikrobiálních buněk jsou biofilmy slizová matrice vyrobená z různých látek, včetně DNA, lipidů, proteinů a dalších signálních molekul, ale hlavní složkou je něco, co se nazývá extracelulární polymerní látka (EPS), také známá jako exopolysacharidy . Sukcinoglykan od Sinorhizobium meliloti

Jedná se o extracelulární extracelulární (exo) polymery (poly) cukrů (sacharidy) spojené dohromady do dlouhých lineárních nebo rozvětvených řetězců, které mohou být modifikovány skupinami, jako je fosfát, síran, acetát a sukcinát. Jak se tvoří biofilm (níže), mohou se v EPS vytvářet kanály, které usnadňují příjem a distribuci živin, hydrataci a mezibuněčnou signalizaci, jako je snímání kvora. Biofilmy se často skládají z více druhů mikroorganismů, od bakterií a archea po houby a řasy, přičemž sociální (a fyzická) struktura závisí na druhu, který ji tvoří.


Bakteriální biofilmy jsou spoustou bakterií, které se přichytily k povrchu nebo k sobě navzájem jako plovoucí rohož a vytvořily komunitu v pevné fázi. V laboratoři se tolik nevidí, ale jsou v přírodě běžné.

Bakterie nepřilnou pouze k povrchu, ale navzájem k sobě prostřednictvím matrice polymerů, které vylučují.

Bakterie v biofilmu jsou často odolné vůči chemikáliím, teplu, kyselinám a dalším změnám prostředí. Je to prakticky univerzální rys a obecně se předpokládá, že jakékoli bakterie mohou vytvořit biofilm. Zubní plak je biofilm.

Vymýtit biofilm může být hodně práce, protože bakterie jsou v matrici sekvestrovány a poněkud chráněny. Obvykle se používá drhnutí nebo chemikálie.


Co je to bakteriální biofilm? - Biologie

Obrázek 1. Biofilm na povrchu vody na okraji přístavu Saint-Goustan v Auray

Některé prokaryoty mohou být nekultivovatelné, protože vyžadují přítomnost jiných prokaryotických druhů. Ještě před několika desítkami let mikrobiologové považovali prokaryota za izolované entity žijící odděleně. Tento model však neodráží skutečnou ekologii prokaryot, z nichž většina dává přednost životu v komunitách, kde mohou interagovat. Jak jsme viděli, biofilm je mikrobiální komunita (obrázek 2) držená pohromadě v matrici s gumovou strukturou, která se skládá převážně z polysacharidů vylučovaných organizmy, společně s některými proteiny a nukleovými kyselinami. Biofilmy obvykle rostou přichycené k povrchům. Některé z nejlépe studovaných biofilmů jsou složeny z prokaryot, ačkoli byly popsány také houbové biofilmy, stejně jako některé složené ze směsi hub a bakterií.

Biofilmy jsou přítomny téměř všude: mohou způsobit ucpání potrubí a snadno kolonizovat povrchy v průmyslových podmínkách. V nedávné době rozsáhlá ohniska bakteriální kontaminace potravin hrály hlavní roli biofilmy. Kolonizují také povrchy domácností, jako jsou kuchyňské linky, prkénka, dřezy a toalety, a také místa na lidském těle, například povrchy našich zubů.

Interakce mezi organismy, které osídlují biofilm, spolu s jejich ochrannými exopolysacharidový (EPS) prostředí, učinte tyto komunity odolnějšími než volně žijící nebo planktonické prokaryoty. Lepivá látka, která drží bakterie pohromadě, také vylučuje většinu antibiotik a dezinfekčních prostředků, díky čemuž jsou biofilmové bakterie odolnější než jejich planktonické protějšky. Celkově lze biofilmy velmi obtížně zničit, protože jsou odolné vůči mnoha běžným formám sterilizace.

Cvičná otázka

Existuje pět fází vývoje biofilmu:

Obrázek 2. Je ukázáno pět fází vývoje biofilmu. Mikrofotografie a Pseudomonas aeruginosabiofilm v každé z fází vývoje jsou ukázány. (zápočet: D. Davis, Don Monroe, PLoS)

  • Během fáze 1, počátečního přichycení, bakterie ulpívají na pevném povrchu prostřednictvím slabých van der Waalsových interakcí.
  • Během fáze 2, nevratného připevnění, vlasové přívěsky nazývané pili trvale ukotví bakterie na povrchu.
  • Během fáze 3, zrání I, biofilm roste buněčným dělením a náborem dalších bakterií. Extracelulární matrice složená převážně z polysacharidů drží biofilm pohromadě.
  • Během fáze 4, zrání II, biofilm pokračuje v růstu a získává složitější tvar.
  • Během fáze 5, rozptylování, se matice biofilmu částečně rozpadne, což některým bakteriím umožní uniknout a kolonizovat jiný povrch.

Ve srovnání s volně plovoucími bakteriemi vykazují bakterie v biofilmech často zvýšenou odolnost vůči antibiotikům a detergentům. Proč si myslíte, že by to tak mohlo být?


Matematické modelování definuje vývoj bakteriálního biofilmu

Mnoho bakterií se může přichytit na pevné povrchy a rozdělit se, dokud jejich potomstvo nevytvoří strukturu nazývanou biofilm, jako je ta, která je znázorněna na tomto stylizovaném obrázku vytvořeném Drescherovou laboratoří Institutu Maxe Plancka pro pozemskou mikrobiologii.

Skupina Jörn Dunkel na katedře matematiky MIT se spojila s vědeckými pracovníky, aby pochopili, jak se bakterie vzájemně ovlivňují a v jejich prostředí.

Saima Sidik

Saima Sidik je výzkumná pracovnice v laboratoři Lourido v institutu Whitehead. Tento kus je součástí snahy resortů upozornit na biologicky relevantní výzkum prováděný mimo tradiční obory a oddělení biologie na MIT.

"Podstata problému." "Kořen problému." "Pravda o věci." Takže často chceme destilovat látky, systémy nebo život až do jediné podstaty: chemik izoluje klíčové sloučeniny od složitých směsí, spisovatel hledá jádro pravdy skryté v příběhu a jogín medituje, aby našel vnitřní smysl. Na katedře matematiky MIT se Jörn Dunkel obrací k matematice, aby odhalil základní složky fyzikálních procesů. Jeho skupina nedávno identifikovala klíčové rysy, které regulují růst bakterií, nálezy, které by nakonec mohly snížit četnost infekcí získaných v nemocnici, zefektivnit používání antibiotik a dokonce vytvořit samoopravné materiály.

Dunkelova skupina vytváří matematické modely fyzických systémů, které se mění v čase a prostoru. Studovali vzpěr elastických vláken, lámání těstovin a v poslední době rostoucí bakteriální komunity. Člověk by nečekal, že najde skupinu matematiků ponořených do biologie, a přesto skupina Dunkel učinila velké kroky k porozumění procesu, ve kterém se bakterie vzdávají své schopnosti plavat, přichytit se k pevnému povrchu (jako je trup lodi nebo výstelka trávicího traktu) a dělí se, dokud nevytvoří hromadu nazývanou „biofilm“. Biofilmy chrání buňky v nich, což jim umožňuje přežít imunitní tlak, antibiotika a stres v prostředí, což činí tvorbu biofilmu kritickou pro některé bakterie, aby přežily v drsných podmínkách. Pochopením faktorů, které pohání tyto patogenní struktury, mohou vědci najít způsoby, jak omezit tvorbu biofilmu.

Ve spolupráci s laboratoří Knuta Dreschera z Institutu Maxe Plancka pro pozemskou mikrobiologii vytváří skupina Dunkel matematické modely, které popisují vývoj biofilmů. Laboratoř Drescher pořizuje videa s vysokým rozlišením, kde biofilmy rostou v průběhu několika hodin, a poté je předávají do laboratoře Dunkel. Matematici procházejí videa a získávají všechny druhy informací, které mohou být biologicky relevantní: orientace buněk, pohyb, rychlost dělení, vzdálenost mezi buňkami a mnoho dalších funkcí.

Skupina Jörn Dunkel pracuje na řadě různých projektů se spolupracovníky Institutu Maxe Plancka pro pozemskou mikrobiologii, Stanfordské univerzity a laboratoře Adama Martina na MIT Biology. Kredit: Bryce Vickmark.

Je to jen nedávno, co pokroky v zobrazování biofilmu umožnily vědcům vidět jednotlivé bakterie v biofilmech a měřit funkce, které skupina Dunkel ve svých modelech používá. "Získáte tak bohaté datové soubory, že tradiční metody vytváření modelů se stanou neproveditelnými," říká Dunkel. "Před deseti lety by nemělo smysl přemýšlet o těchto otázkách, protože jsme neměli technologii, která by na ně odpověděla."

S tak rozsáhlými daty je výzvou, před kterou nyní matematici stojí, zjistit, jak popsat chování biofilmů z hlediska minimálního souboru jejich mnoha funkcí. A tak, s takovou efektivitou, na kterou by byla organizující guru Marie Kondo hrdá, seřadili všechna měření, která mohou provést, a poté odřízli všechna, která nevyjasňují systém, dokud nezjistí minimální počet funkce, které mohou vysvětlit chování bakterií. Jejich výsledky naznačují, že přitažlivé síly mezi bakteriemi, spolu s prostorovými omezeními, které zažívají při reprodukci, jsou zásadní pro formování vývoje biofilmu.

Skupina Dunkel doufá, že jejich práce pomůže omezit hospitalizací získané bakteriální infekce. Lékařské přístroje, jako jsou kardiostimulátory nebo katétry, se mohou stát domovem těchto bakteriálních akumulací, pokud se tato zařízení dostanou do kontaktu se špinavými rukavicemi nebo vodou. Odtamtud se infekce mohou šířit a kromě jiných problémů způsobit infekce krve, močových cest, kůže a plic. Vzhledem k tomu, že bakterie ve středech biofilmů jsou chráněny před antibiotiky, lze tyto infekce velmi obtížně léčit. Modely laboratoře Dunkel odhalují, že pouhá změna tvaru zdravotnického zařízení může snížit pravděpodobnost podpory tvorby biofilmu nebo zvýšit náchylnost biofilmů k antibiotické léčbě.

Phillip Pearce, instruktor aplikované matematiky, který pracuje s Dunkelem na MIT, vede pobočku výzkumu skupiny, který se zaměřuje na to, jak se vyvíjejí biofilmy, když se nad nimi pohybuje tekutina: situace, která je klíčová pro pochopení biofilmů ve zdravotnických zařízeních, kde kapaliny jako krev a moč často protékat. Vysvětlil, jak on a zbytek skupiny Dunkel začali seznamem vlastností biofilmu a odvozených modelů, které identifikovaly fyzikální procesy, které jsou nezbytné k vysvětlení těchto pozorovaných vlastností.

Když se bakterie rozdělí, nové bakterie potřebují někam jít. To představuje problém pro bakterie, když jsou ukotveny na místě, protože jsou ve středu biofilmů. Vzhledem k tomu, že se tyto bakterie nemohou vždy šířit vodorovně, prostorová omezení je nutí stát na místě, takže biofilm roste svisle. Výsledkem je velmi organizovaná struktura s tím, že vnitřní bakterie trčí nahoru, jako lamely v plotovém plotu. Po prozkoumání mnoha kombinací vlastností biofilmu v jejich modelech si skupina Dunkel uvědomila, že síly, které si bakterie na sebe navzájem kladou, když rostou, hrají hlavní roli při diktování tohoto uspořádání plotového plotu. Bakterie v přední části biofilmu jsou také nuceny do vertikální orientace, což zlepšuje pravidelnou organizaci biofilmu.

Přepracováním zdravotnických prostředků tak, aby zahrnovaly složité tvary, by mohli být vědci schopni omezit schopnost jakýchkoli bakterií, které je kolonizují, zobrazovat taková pravidelná uspořádání. To může způsobit, že jsou biofilmy náchylnější k léčbě antibiotiky, nebo to může v první řadě zabránit jejich tvorbě.

Phillip Pearce je instruktorem matematického oddělení MIT, který pracoval s Dunkelem, aby porozuměl tomu, jak bakterie v biofilmech interagují fyzicky navzájem a ve svém prostředí.

Zatímco někteří členové skupiny Dunkel se pokoušejí zmařit tvorbu biofilmu, Boya Song, postgraduální studentka, zkoumá situace, ve kterých mohou být biofilmy užitečné. Součástí toho, co drží tyto struktury pohromadě, je lepkavá matrice bílkovin, cukrů a tuků, které bakterie vylučují. Skupina Dunkel si myslí, že pokud mohou manipulovat s tvarem biofilmů, mohou také manipulovat s tvarem této matice.

"Biofilmy by mohly být použity k vytvoření nových biomateriálů na základě tvarů mřížek, které buňky produkují," říká Song. Tyto materiály by mohly tvořit ochranné obložení pro trupy lodí nebo pro ponořené kovy. Některé bakterie ukládají minerály a ty lze naprogramovat tak, aby opravovaly kosti nebo dokonce opravovaly prasklý cement.

Dunkel je z této možnosti nadšený. "Možná pokud porozumíme tvorbě biofilmu, můžeme je skutečně naprogramovat!" on říká.

Pochopení, jak programovat biofilmy, zahrnuje pochopení povrchových proteinů nazývaných „adheziny“, které fungují jako háčky, které drží bakterie pohromadě. Modely skupiny Dunkel ukazují, že když jsou bakterie v téměř stacionární kapalině, adhezní síly generované těmito povrchovými proteiny do značné míry určují velikost biofilmu a uspořádání buněk v něm.

Rachel Mok, další postgraduální student ve skupině Dunkel, vzal svůj model adheze na testovací jízdu tím, že jej aplikoval na bakterie, které exprimují různé hladiny adhezinu v reakci na různé koncentrace léčiva. Mok vyladila svůj model tak, aby odpovídal za tuto experimentální manipulaci atraktivní síly mezi bakteriemi, a zjistila, že dokáže předpovědět, jak se bakterie budou chovat.

"Je docela neuvěřitelné, že i když jsme zanedbali mnoho biologických vlastností, jako je dostupnost živin, můžeme stále zachytit dynamiku, kterou vidíme v počátečních fázích biofilmů," říká.

Kromě změny hladin adhezinu má skupina Dunkel spolupracovníky v laboratoři Riedel-Kruse na Stanfordské univerzitě, kteří mohou měnit způsob, jakým adheziny fungují. Typické adhezivní proteiny mohou buď chytit jiné proteiny, nebo je lze chytit. Díky udělení geneticky změněných adhezinů bakteriím se jim podařilo tyto dvě funkce rozdělit, což vedlo k tomu, že jedna skupina bakterií dokáže chytit pouze ostatní a ta, kterou lze pouze chytit. Smícháním těchto dvou skupin v různých poměrech mohou manipulovat s tvarem výsledných biofilmů.

Song plánuje spojit znalosti skupiny Dunkel týkající se adhezinů se zjištěními jejich spolupracovníků, aby získali ještě větší kontrolu nad tvarem biofilmu. Jednoho dne jim možná technologie, kterou společně vytvoří, umožní používat bakterie k „tisku“ materiálů v jakémkoli tvaru, který si vyberou. Protože bakterie v biofilmu mohou vylučovat další materiál, pokud je matrice poškozena, mělo by to za následek programovatelný, živý a samoopravný stavební materiál. Modely, které Song vyvíjí, jsou raným krokem v tomto ambiciózním projektu, který má potenciál změnit tvář vědy o materiálech.

Od mikroskopie s vysokým rozlišením přes bakteriální genetiku až po matematické modelování je zjištění biofilmů inherentně interdisciplinárním problémem. Skupina Dunkel identifikovala základní rysy, které definují vývoj biofilmu, a jejich modely předpovídají, jak se tyto struktury vyvíjejí, ať už na trupu lodi nebo v laboratoři. Spojením své mysli oni a jejich spolupracovníci přepisují pravidla pro přístup k biofilmům, ať už mají zabránit jejich růstu nebo je využít.

Boya Song (vlevo) a Rachel Mok (vpravo), oba postgraduální studenti skupiny Dunkel, určují, které funkce jsou pro vývoj biofilmu nejdůležitější. S těmito znalostmi doufají, že využijí biofilmy pro konstruktivní účely a zároveň jim zabrání v ovlivnění lidského zdraví.


Nanokrystaly, které eradikují bakteriální biofilmy

Uznání: Pohang University of Science & Technology (POSTECH)

Pandemie COVID-19 vyvolává obavy z nových patogenů, jako jsou viry nebo bakterie odolné vůči lékům. Na tuto poznámku korejský výzkumný tým nedávno upozornil na vývoj technologie pro odstraňování bakterií odolných vůči antibiotikům kontrolou povrchové struktury nanomateriálů.

Společný výzkumný tým z POSTECH a UNIST představil v mezinárodním časopise povrchově texturované nanostruktury (MTex) na bázi smíšených FeCo-oxidů jako vysoce efektivní magneto-katalytickou platformu Nano písmena. Tým tvořili profesoři In Su Lee a Amit Kumar s Dr. Nitee Kumari z chemického ústavu POSTECH a profesor Yoon-Kyung Cho a Dr. Sumit Kumar z katedry biomedicínského inženýrství UNIST.

Vědci nejprve syntetizovali nanokrystaly s hladkým povrchem, ve kterých byly různé kovové ionty zabaleny do skořepiny organického polymeru, a zahřály je na velmi vysokou teplotu. Při žíhání polymerního obalu vysokoteplotní chemická reakce v tuhém stavu vyvolala míchání dalších kovových iontů na povrchu nanokrystalu, což na něm vytvořilo několik větví a otvorů o velikosti několika nm. Bylo zjištěno, že tato jedinečná povrchová struktura katalyzuje chemickou reakci, která produkuje reaktivní druhy kyslíku (ROS), které zabíjí bakterie. Bylo také potvrzeno, že je vysoce magnetický a snadno se přitahuje směrem k vnějšímu magnetickému poli. Tým objevil syntetickou strategii pro přeměnu normálních nanokrystalů bez povrchových vlastností na vysoce funkční nanokrystaly ze smíšených kovových oxidů.

Transmisní elektronový mikroskop (TEM) snímek Mtex. Kredit: POSTECH

Výzkumný tým pojmenoval tuto topografii povrchu - s větvemi a otvory, které připomínají zorané pole - „MTT“. Tato jedinečná povrchová textura byla ověřena za účelem zvýšení pohyblivosti nanočástic a umožnění účinné penetrace do biofilmové matrice při současné vysoké aktivitě při generování reaktivních druhů kyslíku (ROS), které jsou pro bakterie smrtelné.

Tento systém produkuje ROS v širokém rozsahu pH a může účinně difundovat do biofilmu a zabíjet vložené bakterie odolné vůči antibiotikům. A protože jsou nanostruktury magnetické, lze zbytky biofilmu vyškrábat i z těžko dostupných mikrokanálů.

„Tento nově vyvinutý MTex vykazuje vysokou katalytickou aktivitu, odlišnou od stabilního hladkého povrchu konvenčních forem spinelu,“ vysvětlil Dr. Amit Kumar, jeden z odpovídajících autorů článku. "Tato vlastnost je velmi užitečná při infiltraci biofilmů i v malých prostorech a je účinná při zabíjení bakterií a odstraňování biofilmů."

„Tento výzkum umožňuje regulovat povrchovou nanotexturizaci, což otevírá možnosti pro posílení a kontrolu expozice aktivních míst,“ poznamenal profesor In Su Lee, který výzkum vedl. "Očekáváme, že povrchy s texturou v nanoúrovni významně přispějí k vývoji široké škály nových vlastností podobných enzymům na nano-bio rozhraní."


Mohlo by se vám líbit

Myslím, že je skvělé, jak lze biofilm použít k čištění ropných skvrn. Je to vlastně docela důmyslné. Myslím si však, že ne vždy to funguje.

Pamatuji si, že jsem o tom viděl několik novinek během úniku ropy BP v roce 2010. Pamatujete si ten? Únik ropy trval měsíce a měsíce a oni zkoušeli tolik různých věcí, aby únik zastavili a zbavili se oleje.

Nakonec to pomocí bakterií zkusili vyčistit. Mysleli si, že se bakterie zbavují oleje z ropné skvrny, ale později zjistili, že bakterie skutečně jedí zemní plyn.

Nejsem si jistý, ale zdá se, že biofilm bude možná muset být geneticky upraven, aby byl skutečně užitečný během úniku ropy. strawCake před 9 hodinami

@Azuza - Souhlasím, biofilm zní úhledně, pokud není v mých ústech nebo v dýmkách nebo mi nedává otravu jídlem. Před nějakou dobou jsem slyšel o biofilmu listerie a byl jsem úplně zděšen!

V zásadě, jak článek řekl, se film tvoří na pultech a pak se bakterie dostanou do vašeho jídla. Protože nemůžete vidět tento biofilm, nemáte tušení, že kontaminujete své jídlo. Poté, co budete jíst jídlo, vám bude opravdu otrava jídlem (a v případě listerie můžete zemřít).

Myslím, že je to jen další argument pro udržení vaší kuchyně extra čisté! Azuza před 23 hodinami

Biofilmy znějí hrubě a zajímavě zároveň. Je opravdu zajímavé, jak mohou členové biofilmu komunikovat a rozhodovat se ve skupině. Ve skutečnosti se zdá, že celý proces je zralý pro vědecké studium (i když se vsadím, že mě už někdo porazil!)

Jakkoli je to zajímavé, nejsem divoký v myšlence mít na zubech plakový biofilm. Plaketa je škodlivá jak pro vaše zuby, tak pro vaše celkové zdraví. Takže bych byl raději, kdyby se biofilm šel zajímavě podívat i jinam než do pusy! Kat919 včera

Mohou existovat místa, kde rozhodně nechcete, aby se vyvinul bakteriální biofilm. Co třeba vaše sprchová hlavice? Je teplo a vlhko a bakterie to milují. Pak. uhodli jste, koupete se v něm.

Naštěstí je snadné sprchovou hlavici vyčistit a vydezinfikovat. Stačí ji přes noc namočit do rovného bílého octa.

Můžete to udělat několika různými způsoby. Někteří lidé vezmou pytel octa a připevní ho ke sprchové hlavici gumičkou, ale nikdy jsem to nedostal do práce. Sprchovou hlavici můžete také odpojit od šachty, která trčí ze zdi. Nebo pokud máte sprchový masážní přístroj, může mít dostatečně dlouhou šňůru, že stačí spustit sprchovou hlavici a dát ji do misky nebo kbelíku s octem. Poté, co se namočí, vyčistěte zubním kartáčkem, abyste se zbavili všech těch šťavnatých růžových kousků.


Regulace genu připojenými buňkami

Narůstá důkaz, že v počátečních interakcích se substrátem dochází v navazujících buňkách k up-and down-regulaci řady genů. Davies a Geesey (34) předvedli algC up-regulace v jednotlivých bakteriálních buňkách během několika minut od připojení k povrchům v systému průtokových buněk. Tento jev není omezen na P. aeruginosa. Prigent-Combaret a kol. (35) zjistili, že 22% těchto genů bylo ve stavu biofilmu upregulováno a 16% bylo sníženo. Becker a kol. (36) ukázal, že biofilmy z Staphylococcus aureus byly up-regulovány na geny kódující enzymy zapojené do glykolýzy nebo fermentace (fosfoglycerátová mutáza, triosefosfát izomeráza a alkohol dehydrogenáza) a předpokládalo se, že up-regulace těchto genů může být způsobena omezením kyslíku ve vyvinutém biofilmu, což podporuje fermentaci. Ukázala to i nedávná studie Pulciniho (37) algD, algU, rpoS, a geny řídící syntézu polyfosfokinázy (PPK) byly up-regulovány při tvorbě biofilmu P. aeruginosa. Prigent-Combaret a kol. (35) se domníval, že exprese genů v biofilmech je evidentně modulována dynamickými fyzikálně -chemickými faktory mimo buňku a může zahrnovat složité regulační cesty.


Prospěšné biofilmy

V přirozeném prostředí

Jak jsme již zdůraznili, biofilmy jsou všude kolem nás, na nás a v nás. Je zřejmé, že ne všechny biofilmy jsou škodlivé. Mnohé hrají důležitou roli v ekologii Země a udržitelnosti života obecně. Zpráva „Globální změna prostředí: mikrobiální příspěvky, mikrobiální řešení“ uvádí: . .základní chemie zemského povrchu je dána biologickou aktivitou, zejména chemií mnoha bilionů mikrobů v půdě a vodě. Mikroby tvoří většinu živé biomasy na Zemi a jako takové mají hlavní roli v recyklaci životně důležitých prvků. & Quot; Představte si to! „Mikrobi tvoří většinu živé biomasy na Zemi“, a jak se učíme, tito mikrobi často žijí v koloniích biofilmů na povrchu.

Například je známo, že bakterie jsou časnými kolonizátory (v biofilmu) původně čistých povrchů ponořených ve vodě. Vědci dokázali zdokumentovat předvídatelný vzorec způsobu, jakým se biofilmy tvoří na čistém povrchu pod vodou. Ať už je dotyčným povrchem trup lodi vznášející se na hladině vody, nebo nový hlubinný průduch na dně oceánu, mikrobi jsou v těchto prostředích již přítomni a jsou schopni se na tyto povrchy rychle přichytit. Od těchto průkopníků rychle začíná vývoj jako biofilm.

Je důležité si uvědomit, že mikroorganismy, jako jsou bakterie, které kolonizují v biofilmech, se vyvinuly spolu s dalšími organismy, včetně lidí. Zatímco některé bakterie produkují účinky, které jsou špatné pro jiné organismy, většina bakterií je neškodná nebo dokonce prospěšná. Pokud jde o bakterie, vyšší organismy (jako my) jsou jen dalším prostředím ke kolonizaci. Tady je myšlenka: lidé, kteří jsou často považováni za kolonizátory světa, jsou sami terčem koloniálních mocností v podobě mnoha mikroorganismů, které se vplíží do našeho těla a obývají ho!

Čištění vody a odpadních vod

P. Dirckx, Centrum pro biofilmové inženýrství, Montana State University, Bozeman

Jedním z nejlepších příkladů úspěšné a prospěšné aplikace biofilmů k řešení obrovského problému je čištění odpadních vod. Přemýšlejte o tom takto. Víme, že mikroorganismy jsou hlavními činiteli, které způsobují rozpad mrtvých rostlin a živočichů. K rozpadu dochází (částečně), protože mikroorganismy se živí tkání mrtvého organismu. Jelikož je to pravda, možná by bylo možné navrhnout systém, který využívá správné mikroorganismy (ve formě biofilmu) ke zpracování odpadních vod a odpadních vod: pokud by kontaminovaná voda prošla takovým biofilmem, možná by mikroorganismy v biofilmu žraly ( a tím odstranit) škodlivý organický materiál z vody.

Dobrý nápad! Ve skutečnosti dokonce ještě předtím, než byly biofilmy uznány a staly se předmětem intenzivního výzkumu, využívali inženýři při vývoji systémů čištění vody výhody environmentální aktivity přírodního biofilmu (aniž by o biofilmech věděli). Biofilmy se úspěšně používají při čištění vody a odpadních vod již více než století. Angličtí inženýři vyvinuli první metody úpravy pískového filtru pro čištění vody i odpadních vod v 60. letech 19. století. V takových filtračních systémech představuje filtrační médium (tj. Písek) povrchy pro mikroby, které se mohou přichytit k organickému materiálu v upravované vodě a živit se jím. Výsledek? Vytvoření prospěšného biofilmu, který požírá „špatné“ látky ve vodě a účinně ji filtruje. Samozřejmě nechceme, aby se mikroorganismy v biofilmu dostaly do filtrované vody, nebo aby se kusy biofilmu oddělily z kolonie a prošly systémem. V ideálním případě zůstane biofilm připevněný k filtračnímu systému a lze jej vyčistit, když je systém propláchnut.

Zajímavé je, že vědci a inženýři pro úpravu vody zjistili, že pitná voda a odpadní voda, které byly zpracovány systémem biofilmu v čistírně, jsou „biologicky stabilnější“ než voda filtrovaná jinými typy čisticích systémů. To jen znamená, že ve vodě, která prošla filtrem na bázi biofilmu, bude pravděpodobně méně kontaminováno mikroorganismy než ve vodě, která prošla nějakým alternativním systémem čištění. To znamená, že voda upravená biofilmem má obvykle nižší potřebu dezinfekčních prostředků (např. Použití chloru) a dezinfekci produkty (např. Nechutnou chutí a vůní chloru) než vodou upravenou jinými způsoby, pokud je voda před úpravou vysoká po živinách touží biofilm (což je v tomto případě organické uhlík).

Lidé jsou vybíraví. Chceme, aby naše pitná voda byla křišťálově čistá, bez zvláštního zápachu a aby chutnala jako čistá voda. Voda, která je bezpečná k pití, protože je ošetřena chlórem, může mít stále zvláštní barvu, špatnou vůni a horší chuť. Nástroje pro pitnou vodu jdou do krajnosti, aby nám poskytly požadovaný druh pitné vody (jedním z přístupů, které používáme, je použití ozónu ve fázi primární úpravy). V každém takovém systému může být fáze zpracování biofilmu jedním z přístupů, které pomohou dosáhnout požadovaného výsledku.

Sanace kontaminované půdy a podzemních vod

P. Dirckx, Centrum pro biofilmové inženýrství, Montana State University, Bozeman

Jednou z méně zjevných výhodných aplikací biofilmů je čištění úniků ropy a benzínu. To je pravda, některé bakterie budou jíst olej a benzín. Pamatujte, že ropa byla produkována po mnoho let rozpadem vegetace, takže je to organická sloučenina. Nedoporučovali bychom vám vysávat rozlitý olej nebo benzín, ale skutečnost, že některé z přirozeně se vyskytujících bakterií v půdě milují věci, vede k nové myšlence: bioremediaci. Toto je termín, který odkazuje na konstrukci biofilmu, který lze zavést do oblasti úniku ropy nebo benzínu, aby pomohl uklidit nepořádek, a to vše přírodními, neškodnými prostředky.

Bioremediace využívající biofilmy se skutečně objevila jako technologie volby pro čištění podzemních vod a půdy na mnoha místech kontaminovaných nebezpečnými odpady. Výsledkem bioremediace je

  • snížení koncentrace a hmotnosti kontaminujících látek u mnoha podpovrchových kontaminantů (např. ropných uhlovodíků a chlorovaných organických látek) a/nebo
  • prospěšná změna speciace v bakteriích v biofilmu, která jim umožňuje vypořádat se s dalšími kontaminanty, jako jsou těžké kovy (např. rtuť)

Jinými slovy, bioremediace je skvělý nápad! Jak to vlastně zajistit, aby to fungovalo, vyžaduje porozumění procesům biofilmu a inženýrským systémům pro zavedení biofilmu do kontaminované půdy a zajištění nezbytného prostředí pod povrchem půdy, které by povzbudilo biofilm k tomu, aby vykonával svou práci (znázorněno na obrázku výše). Pro studenty, kteří se zajímají o toto téma, je studium biofilmů a inženýrství (např. Environmentální inženýrství nebo chemické inženýrství) tam, kde chcete být. Jen pokračujte v jízdě a dostanete se tam.

Mikrobiální loužení

Utahská měď, Salt Lake City, Utah

Foto s laskavým svolením Kennecott Utah Copper, Salt Lake City, Utah. Tento obrázek ukazuje rozsáhlý komplex loužicích polí, ve kterých se ruda s nízkým obsahem mědi stříká vodou. Bakterie jako např Thiobacillus, připojené k povrchu částic rudy, oxidují nerozpustné sloučeniny mědi na rozpustný síran měďnatý, ze kterého lze čistou měď snadno izolovat.

Jak pravděpodobně víte, těžba drahých kovů různých druhů (zlato, stříbro, měď atd.) Je špinavá práce. Požadovaný kov se obecně nenachází v pěkných, velkých, čistých kusech. Největší zlatý nuget, jaký kdy byl nalezen, byl údajně vážen asi 70 kilogramů. Ale většina zlata, stejně jako u všech ostatních drahých kovů, je obecně těžko viditelná pouhým okem, smíchaná v zemi s nečistotami, kameny a jinými zemními odpadky a rudou, ze které musí být zlato vytěženo (všimněte si, že ruda v dobrém například měděný důl bude typicky sestávat z méně než 1% mědi). Extrakční proces, pokud je prováděn s chemikáliemi, se nazývá „vyluhování“. Například léta se například louhování mědi provádělo kyselinou, která není pro životní prostředí příliš dobrá. Ve skutečnosti většina vyluhovacích technologií vedla k toxickým zbytkům.

No hádejte co? Dnes je přibližně 10 až 20 procent mědi vytěžené ve Spojených státech těženo z rudy nízké kvality za pomoci biofilmů. A těžební společnosti vynakládají značné investice na rozšíření tohoto procesu na těžbu dalších drahých kovů.

How is a biofilm engineered to accomplish this job? Again, one must find a bacteria with a particular appetite&mdashone that would eat the ore, say, that encased copper particles, thus releasing the copper to be recovered. This idea has led to the most common biofilm supported leaching process, called "heap leaching." Low grade ore is placed in a "heap," and sprayed with a mildly acidified water solution that encourages the growth of a particular bacterium that oxidizes the ore, releasing water soluble cupric ion (copper) that can then be recovered from the water.


What is a bacterial biofilm? - Biologie

Signaling in bacteria enables bacteria to monitor extracellular conditions, ensure that there are sufficient amounts of nutrients, and ensure that hazardous situations are avoided. There are circumstances, however, when bacteria communicate with each other.

The first evidence of bacterial communication was observed in a bacterium that has a symbiotic relationship with Hawaiian bobtail squid. When the population density of the bacteria reaches a certain level, specific gene expression is initiated, and the bacteria produce bioluminescent proteins that emit light. Because the number of cells present in the environment (cell density) is the determining factor for signaling, bacterial signaling was named quorum sensing. In politics and business, a quorum is the minimum number of members required to be present to vote on an issue.

Quorum sensing uses autoinducers as signaling molecules. Autoinducers are signaling molecules secreted by bacteria to communicate with other bacteria of the same kind. The secreted autoinducers can be small, hydrophobic molecules such as acyl-homoserine lactone, (AHL) or larger peptide-based molecules each type of molecule has a different mode of action. When AHL enters target bacteria, it binds to transcription factors, which then switch gene expression on or off (see Figure 1). The peptide autoinducers stimulate more complicated signaling pathways that include bacterial kinases. The changes in bacteria following exposure to autoinducers can be quite extensive. The pathogenic bacterium Pseudomonas aeruginosa has 616 different genes that respond to autoinducers.

Practice Question

Figure 1. Autoinducers are small molecules or proteins produced by bacteria that regulate gene expression.

Which of the following statements about quorum sensing is false?

  1. Autoinducer must bind to receptor to turn on transcription of genes responsible for the production of more autoinducer.
  2. The receptor stays in the bacterial cell, but the autoinducer diffuses out.
  3. Autoinducer can only act on a different cell: it cannot act on the cell in which it is made.
  4. Autoinducer turns on genes that enable the bacteria to form a biofilm.

Some species of bacteria that use quorum sensing form biofilms, complex colonies of bacteria (often containing several species) that exchange chemical signals to coordinate the release of toxins that will attack the host. Bacterial biofilms (Figure 2) can sometimes be found on medical equipment when biofilms invade implants such as hip or knee replacements or heart pacemakers, they can cause life-threatening infections.

Cell-cell communication enables Staphylococcus aureus bacteria (Figure 2a) to work together to form a biofilm inside a hospital patient’s catheter, seen here via scanning electron microscopy. S. aureus is the main cause of hospital-acquired infections. Hawaiian bobtail squid (Figure 2b) have a symbiotic relationship with the bioluminescent bacteria Vibrio fischeri. The luminescence makes it difficult to see the squid from below because it effectively eliminates its shadow. In return for camouflage, the squid provides food for the bacteria. Free-living V. fischeri do not produce luciferase, the enzyme responsible for luminescence, but V. fischeri living in a symbiotic relationship with the squid do. Quorum sensing determines whether the bacteria should produce the luciferase enzyme.

Practice Question

Figure 2. (a) Staphylococcus aureus bacteria. (b) Hawaiian bobtail squid. (credit a: modifications of work by CDC/Janice Carr credit b: modifications of work by Cliff1066/Flickr)

What advantage might biofilm production confer on the S. aureus inside the catheter?

Research on the details of quorum sensing has led to advances in growing bacteria for industrial purposes. Recent discoveries suggest that it may be possible to exploit bacterial signaling pathways to control bacterial growth this process could replace or supplement antibiotics that are no longer effective in certain situations.

Watch geneticist Bonnie Bassler discuss her discovery of quorum sensing in biofilm bacteria in squid.

Watch this collection of interview clips with biofilm researchers in “What Are Bacterial Biofilms?”

Practice Questions

Quorum sensing is triggered to begin when ___________.

  1. treatment with antibiotics occurs
  2. bacteria release growth hormones
  3. bacterial protein expression is switched on
  4. a sufficient number of bacteria are present

Why is signaling in multicellular organisms more complicated than signaling in single-celled organisms?


Talk Overview

Many bacteria express adhesion proteins that allow them to stick to surfaces and each other, forming biofilms. Biofilms can cause problems such as gum disease and implant contamination. However, by manipulating the adhesion proteins that bacteria express, scientists can control what the bacteria interact with. For example, different strains of bacteria can be engineered to adhere to one another, which might be helpful if several different bacteria are needed in close proximity to break down an environmental contaminant. The participants in the Synthetic Biology in Action course introduced different adhesion genes into a bacterial strain to alter the adhesion properties of the bacteria so that desired traits were expressed on the cell surface.

About the Speaker

Alex Fedorec, PhD student at the University College London

Esteban Martinez Garcia (course instructor), scientist at the Centro Nacional de Biotecnología


Table of contents (25 chapters)

Methods for Dynamic Investigations of Surface-Attached In Vitro Bacterial and Fungal Biofilms

Aqueous Two-Phase System Technology for Patterning Bacterial Communities and Biofilms

Quorum Sensing in Gram-Positive Bacteria: Assay Protocols for Staphylococcal agr and Enterococcal fsr Systems

Advanced Techniques for In Situ Analysis of the Biofilm Matrix (Structure, Composition, Dynamics) by Means of Laser Scanning Microscopy

Multiplex Fluorescence In Situ Hybridization (M-FISH) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) to Analyze Multispecies Oral Biofilms

Karygianni, Lamprini (et al.)

Field Emission Scanning Electron Microscopy of Biofilm-Growing Bacteria Involved in Nosocomial Infections

Experimental Approaches to Investigating the Vaginal Biofilm Microbiome

Imaging Bacteria and Biofilms on Hardware and Periprosthetic Tissue in Orthopedic Infections

Animal Models to Evaluate Bacterial Biofilm Development

Animal Models to Investigate Fungal Biofilm Formation

Nonmammalian Model Systems to Investigate Fungal Biofilms

Microbiological Methods for Target-Oriented Screening of Biofilm Inhibitors

In Vitro Screening of Antifungal Compounds Able to Counteract Biofilm Development

Biofilm Matrix-Degrading Enzymes

Efficacy Evaluation of Antimicrobial Drug-Releasing Polymer Matrices

Antibiotic Polymeric Nanoparticles for Biofilm-Associated Infection Therapy

Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Antibiotics in Biofilm Infections of Pseudomonas aeruginosa In Vitro and In Vivo

Contribution of Confocal Laser Scanning Microscopy in Deciphering Biofilm Tridimensional Structure and Reactivity

Chip Calorimetry for Evaluation of Biofilm Treatment with Biocides, Antibiotics, and Biological Agents

Morais, Frida Mariana (et al.)

Bacteriophage Attack as an Anti-biofilm Strategy

Photodynamic Therapy as a Novel Antimicrobial Strategy Against Biofilm-Based Nosocomial Infections: Study Protocols

Capturing Air–Water Interface Biofilms for Microscopy and Molecular Analysis

Biofilm-Growing Bacteria Involved in the Corrosion of Concrete Wastewater Pipes: Protocols for Comparative Metagenomic Analyses

Culture-Independent Methods to Study Subaerial Biofilm Growing on Biodeteriorated Surfaces of Stone Cultural Heritage and Frescoes

Cappitelli, Francesca (et al.)

Biofilms of Thermophilic Bacilli Isolated from Dairy Processing Plants and Efficacy of Sanitizers


Podívejte se na video: Overview: Biofilm (Listopad 2021).