Biofilmer er et kollektiv af en eller flere typer mikroorganismer, der kan vokse på mange forskellige overflader. Mikroorganismer, der danner biofilmer, inkluderer bakterier, svampe og protister.
Et almindeligt eksempel på en biofilm tandplade, en slimet opbygning af bakterier, der dannes på overfladerne på tænderne. Damskum er et andet eksempel. Biofilmer er fundet voksende på mineraler og metaller. De er fundet under vand, under jorden og over jorden. De kan vokse på plantevæv og dyrevæv og på implanteret medicinsk udstyr såsom katetre og pacemakere.
Hver af disse forskellige overflader har en fælles definerende funktion: de er våde. Disse miljøer er "periodisk eller kontinuerligt forfulgt af vand", ifølge en artikel i 2007, der blev offentliggjort i Microbe Magazine. Biofilm trives på fugtige eller våde overflader.
Biofilm har etableret sig i sådanne miljøer i meget lang tid. Fossilt bevis for biofilm stammer fra cirka 3,25 milliarder år siden, ifølge en artikel fra 2004, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Reviews Microbiology. For eksempel er der fundet biofilm i de 3,2 milliarder år gamle dybhavs-hydrotermiske klipper i Pilbara Craton i Australien. Lignende biofilm findes i hydrotermiske miljøer såsom varme kilder og dybhavsventiler.
Biofilmdannelse
Biofilmdannelse begynder, når fritflydende mikroorganismer, såsom bakterier, kommer i kontakt med en passende overflade og begynder at nedlægge rødder, så at sige. Dette første tilknytningstrin forekommer, når mikroorganismerne producerer et klodset stof kendt som et ekstracellulært polymert stof (EPS), ifølge Center for Biofilm Engineering ved Montana State University. En EPS er et netværk af sukkerarter, proteiner og nukleinsyrer (såsom DNA). Det gør det muligt for mikroorganismerne i en biofilm at klæbe sammen.
Vedhæftningen efterfølges af en periode med vækst. Yderligere lag af mikroorganismer og EPS bygger på de første lag. I sidste ende skaber de en bulbøs og kompleks 3D-struktur ifølge Center for Biofilm Engineering. Vand kanaliserer tværgående biofilm og giver mulighed for udveksling af næringsstoffer og affaldsprodukter, ifølge artiklen i Microbe.
Flere miljøforhold hjælper med at bestemme, i hvilken grad en biofilm vokser. Disse faktorer bestemmer også, om det kun er lavet af et par celler celler eller signifikant mere. "Det afhænger virkelig af biofilmen," sagde Robin Gerlach, professor i afdelingen for kemisk og biologisk teknik ved Montana State University-Bozeman. For eksempel kan mikroorganismer, der producerer en stor mængde EPS, vokse til temmelig tykke biofilmer, selvom de ikke har adgang til en masse næringsstoffer, sagde han. På den anden side for mikroorganismer, der er afhængige af ilt, kan den disponible mængde begrænse, hvor meget de kan vokse. En anden miljøfaktor er begrebet "forskydningsspænding". "Hvis du har en meget høj strøm gennem en biofilm, ligesom i en bæk, er biofilmen som regel ret tynd. Hvis du har en biofilm i langsomt strømmende vand, som i en dam, kan den blive meget tyk," forklarede Gerlach.
Endelig kan cellerne i en biofilm forlade folden og etablere sig på en ny overflade. Enten bryder en klump celler væk, eller så sprænger individuelle celler ud af biofilmen og søger et nyt hjem. Denne sidstnævnte proces er kendt som "såning spredning" ifølge Center for Biofilm Engineering.
Hvorfor danne en biofilm?
For mikroorganismer er det visse fordele at leve som en del af en biofilm. "Fællesskaber af mikrober er normalt mere modstandsdygtige over for stress," fortalte Gerlach til Live Science. Potentielle stressfaktorer inkluderer mangel på vand, høj eller lav pH eller tilstedeværelsen af stoffer, der er giftige for mikroorganismer, såsom antibiotika, antimikrobielle stoffer eller tungmetaller.
Der er mange mulige forklaringer på biofilms hårdhed. For eksempel kan den slimede EPS-dækning fungere som en beskyttende barriere. Det kan hjælpe med at forhindre dehydrering eller fungere som et skjold mod ultraviolet (UV) lys. Desuden er skadelige stoffer som antimikrobielle stoffer, blegemiddel eller metaller enten bundet eller neutraliseret, når de kommer i kontakt med EPS. Således fortyndes de til koncentrationer, der ikke er dødelige, inden de kan nå forskellige celler dybt inde i biofilmen, ifølge en artikel fra 2004 i Nature Reviews Microbiology.
Det er stadig muligt for visse antibiotika at trænge ind i EPS'en og komme deres vej gennem en biofilms lag. Her kan en anden beskyttelsesmekanisme komme i spil: tilstedeværelsen af bakterier, der er fysiologisk sovende. For at fungere godt kræver alle antibiotika et vist niveau af cellulær aktivitet. Så hvis bakterier er fysiologisk sovende til at begynde med, er der ikke meget for et antibiotikum at forstyrre.
En anden metode til beskyttelse mod antibiotika er tilstedeværelsen af specielle bakterieceller, der kaldes "persisters". Sådanne bakterier opdeles ikke og er resistente over for mange antibiotika. I henhold til en artikel fra 2010, der er offentliggjort i tidsskriftet Cold Spring Harbour Perspectives in Biology, fungerer "persister" ved at producere stoffer, der blokerer målene for antibiotika.
Generelt drager mikroorganismer, der lever sammen som en biofilm, fordel af tilstedeværelsen af deres forskellige samfundsmedlemmer. Gerlach citerede eksemplet på autotrofiske og heterotrofiske mikroorganismer, der lever sammen i biofilm. Autotrofer, såsom fotosyntetiske bakterier eller alger, er i stand til at fremstille deres egen mad i form af organisk (kulstofholdigt) materiale, mens heterotrofer ikke kan producere deres egen mad og kræver udenfor kilder til kulstof. "I disse multiorganismesamfund krydser de ofte foder," sagde han.
Biofilmer og os
I betragtning af det store udvalg af miljøer, hvor vi støder på biofilm, er det ingen overraskelse, at de påvirker mange aspekter af menneskelivet. Nedenfor er et par eksempler.
Sundhed og sygdom
Efterhånden som forskningen er sket i årenes løb, er biofilmer - bakteriel og svampe - blevet impliceret i forskellige sundhedsmæssige tilstande. I en opfordring fra 2002 om tilskudsansøgninger bemærkede National Institute of Health (NIH), at biofilm tegnede sig for "over 80 procent af mikrobielle infektioner i kroppen."
Biofilm kan vokse på implanteret medicinsk udstyr såsom protesiske hjerteklapper, ledprotetik, katetre og pacemakere. Dette fører igen til infektioner. Fænomenet blev først bemærket i 1980'erne, da bakterielle biofilmer blev fundet på intravenøse katetre og pacemakere. Bakterielle biofilmer har også været kendt for at forårsage infektiv endocarditis og lungebetændelse hos dem med cystisk fibrose, ifølge 2004-artiklen i Nature Reviews Microbiology, blandt andre infektioner.
"Årsagen til, at biofilmdannelse er en stor årsag til bekymring, er, at i en biofilm er bakterier mere resistente over for antibiotika og andre større desinfektionsmidler, som du kan bruge til at kontrollere dem," sagde AC Matin, professor i mikrobiologi og immunologi ved Stanford Universitet. I forhold til fritflydende bakterier kan de, der vokser som biofilm, faktisk være op til 1.500 gange mere resistente over for antibiotika og andre biologiske og kemiske stoffer, ifølge artiklen i Microbe. Matin beskrev biofilmresistens kombineret med den generelle stigning i antibiotikaresistens blandt bakterier som en "dobbelt whammy" og en vigtig udfordring til behandling af infektioner.
Svampe biofilmer kan også forårsage infektioner ved at vokse på implanterede enheder. Gærarter såsom medlemmer af slægten Candida vokse på brystimplantater, pacemakere og protetiske hjerteklapper ifølge en artikel fra 2014, der er offentliggjort i tidsskriftet Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine. Candida arter vokser også på væv fra menneskelig krop, hvilket fører til sygdomme som vaginitis (betændelse i vagina) og oropharyngeal candidiasis (en gærinfektion, der udvikler sig i munden eller halsen). Forfatterne bemærker imidlertid, at lægemiddelresistens ikke blev vist i disse tilfælde.
Bioremediering
Nogle gange er biofilm nyttige. "Bioremediation er generelt brugen af levende organismer eller deres produkter - for eksempel enzymer - til behandling eller nedbrydning af skadelige forbindelser," sagde Gerlach. Han bemærkede, at biofilm bruges til behandling af spildevand, tungmetalforurenende stoffer såsom chromat, eksplosiver som TNT og radioaktive stoffer som uran. "Mikrober kan enten forringe dem eller ændre deres mobilitet eller deres toksiske tilstand og derfor gøre dem mindre skadelige for miljøet og for mennesker," sagde han.
Nitrificering ved hjælp af biofilm er en form for spildevandsrensning. Under nitrifikation omdannes ammoniak til nitriter og nitrater gennem oxidation. Dette kan gøres ved autotrofiske bakterier, der vokser som biofilm på plastoverflader, ifølge en artikel fra 2013, der er offentliggjort i tidsskriftet Water Research. Disse plastiske overflader er kun få centimeter i størrelse og distribueres hele vandet.
Det eksplosive TNT (2,4,6-Trinitrotoluen) betragtes som et jord-, overfladevand- og grundvandsforurenende stof. Den kemiske struktur af TNT består af benzen (en hexagonal aromatisk ring lavet af seks carbonatomer) bundet til tre nitrogrupper (NO2) og en methylgruppe (CH3). Mikroorganismer nedbryder TNT ved reduktion ifølge en artikel i 2007, der er offentliggjort i tidsskriftet Applied and Environmental Microbiology. De fleste mikroorganismer reducerer de tre nitrogrupper, mens nogle angriber den aromatiske ring. Forskerne - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach og kolleger - fandt, at gæren stammer Yarrowia lipolytica var i stand til at nedbryde TNT ved begge metoder, dog primært ved at angribe den aromatiske ring.
Mikrobielle brændselsceller
Mikrobielle brændselsceller bruger bakterier til at omdanne organisk affald til elektricitet. Mikroberne lever på overfladen af en elektrode og overfører elektroner til den, hvilket i sidste ende skaber en strøm, sagde Gerlach. En artikel fra 2011, der blev offentliggjort i Illumin, et online magasin fra University of South California, bemærker, at bakterier, der driver mikrobielle brændselsceller, nedbryder mad og kropsaffald. Dette giver en billig energikilde og ren bæredygtig energi.
Løbende forskning
Vores verden vrimler af biofilm. I midten af det 20. århundrede blev der faktisk fundet flere bakterier på indersiderne af containere med bakteriekulturer end flyder frit i selve væskekulturen, ifølge 2004-artiklen i Nature Reviews Microbiology. At forstå disse komplekse mikrobielle strukturer er et aktivt forskningsområde.
"Biofilm er fantastiske samfund. Nogle mennesker har sammenlignet dem med flercellede organismer, fordi der er meget interaktion mellem enkeltceller," sagde Gerlach. "Vi fortsætter med at lære om dem, og vi fortsætter med at lære, hvordan vi kontrollerer dem bedre; både til reduceret skade, som inden for medicin, eller til øget fordel som ved bioremediation. Vi vil ikke løbe tør for interessante spørgsmål på dette område. "
