Wat Zijn Biofilms?

{h1}

Biofilms zijn slijmerige lagen micro-organismen die aan natte oppervlakken blijven kleven. Ze kunnen tot 80 procent van de infecties veroorzaken.

Biofilms zijn een verzameling van een of meer soorten micro-organismen die op veel verschillende oppervlakken kunnen groeien. Micro-organismen die biofilms vormen, zijn bacteriën, schimmels en protisten.

Een veelvoorkomend voorbeeld van een biofilm-tandplak, een slijmerige opeenhoping van bacteriën die zich op het oppervlak van tanden vormt. Vijverresten zijn een ander voorbeeld. Biofilms zijn gevonden groeien op mineralen en metalen. Ze zijn gevonden onder water, ondergronds en boven de grond. Ze kunnen groeien op plantenweefsels en dierlijke weefsels en op geïmplanteerde medische apparaten zoals katheters en pacemakers.

Elk van deze verschillende oppervlakken heeft een gemeenschappelijk kenmerk: ze zijn nat. Deze omgevingen zijn "periodiek of continu doordrenkt met water", aldus een artikel uit 2007 dat gepubliceerd is in Microbe Magazine. Biofilms gedijen op vochtige of natte oppervlakken.

Biofilms hebben zich al heel lang in dergelijke omgevingen gevestigd. Fossiel bewijs van biofilms dateert van ongeveer 3,25 miljard jaar geleden, volgens een artikel uit 2004 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Reviews Microbiology. Biofilms zijn bijvoorbeeld aangetroffen in de 3.2 miljard jaar oude diepzee hydrothermale rotsen van de Pilbara Craton in Australië. Vergelijkbare biofilms worden aangetroffen in hydrothermische omgevingen zoals warmwaterbronnen en diepzee-openingen.

Dit groenachtig bruine slijm, gevonden op rotsen in een stroombed, is een biofilm die bestaat uit algen.

Dit groenachtig bruine slijm, gevonden op rotsen in een stroombed, is een biofilm die bestaat uit algen.

Krediet: USGS

Biofilmvorming

De vorming van biofilm begint wanneer vrij zwevende micro-organismen zoals bacteriën in contact komen met een geschikt oppervlak en wortels beginnen te vormen, om zo te zeggen. Deze eerste hechtingsstap vindt plaats wanneer de micro-organismen een kleverige substantie produceren die bekend staat als een extracellulaire polymere stof (EPS), volgens het Center for Biofilm Engineering aan de Montana State University. Een EPS is een netwerk van suikers, eiwitten en nucleïnezuren (zoals DNA). Hiermee kunnen de micro-organismen in een biofilm aan elkaar plakken.

Bijvoegsel wordt gevolgd door een periode van groei. Verdere lagen micro-organismen en EPS bouwen op de eerste lagen. Uiteindelijk creëren ze een bolvormige en complexe 3D-structuur, volgens het Centre for Biofilm Engineering. Waterkanalen kriskras door biofilms en laten de uitwisseling van voedingsstoffen en afvalproducten toe, volgens het artikel in Microbe.

Meerdere omgevingsomstandigheden helpen bepalen in hoeverre een biofilm groeit. Deze factoren bepalen ook of het is gemaakt van slechts een paar lagen cellen of aanzienlijk meer. "Het is echt afhankelijk van de biofilm," zei Robin Gerlach, een professor in de afdeling chemische en biologische engineering aan de Montana State University-Bozeman. Bijvoorbeeld, micro-organismen die een grote hoeveelheid EPS produceren, kunnen uitgroeien tot tamelijk dikke biofilms, zelfs als ze geen toegang hebben tot veel voedingsstoffen, zei hij. Aan de andere kant, voor micro-organismen die afhankelijk zijn van zuurstof, kan de beschikbare hoeveelheid beperken hoeveel ze kunnen groeien. Een andere omgevingsfactor is het concept van "schuifspanning." "Als je een zeer hoge stroming [van water] hebt over een biofilm, zoals in een kreek, is de biofilm meestal vrij dun. Als je een biofilm in langzaam stromend water hebt, zoals in een vijver, kan het erg dik worden." Gerlach uitgelegd.

Ten slotte kunnen de cellen in een biofilm de plooi verlaten en zich op een nieuw oppervlak vestigen. Of een groep cellen breekt weg, of individuele cellen barsten uit de biofilm en zoeken een nieuw huis. Dit laatste proces staat bekend als "seeding dispersal," volgens het Center for Biofilm Engineering.

Waarom een ​​biofilm vormen?

Voor micro-organismen heeft het leven als onderdeel van een biofilm bepaalde voordelen. "Gemeenschappen van microben zijn doorgaans beter bestand tegen stress", vertelde Gerlach aan WordsSideKick.com. Potentiële stressfactoren omvatten het gebrek aan water, hoge of lage pH, of de aanwezigheid van stoffen die toxisch zijn voor micro-organismen zoals antibiotica, antimicrobiële stoffen of zware metalen.

Er zijn veel mogelijke verklaringen voor de winterhardheid van biofilms. De slijmerige EPS-afdekking kan bijvoorbeeld als een beschermende barrière fungeren. Het kan uitdroging helpen voorkomen of fungeren als een schild tegen ultraviolet (UV) licht. Bovendien worden schadelijke stoffen zoals antimicrobiële stoffen, bleekmiddelen of metalen ofwel gebonden of geneutraliseerd wanneer ze in contact komen met de EPS. Dus worden ze verdund tot concentraties die niet dodelijk zijn voordat ze verschillende cellen diep in de biofilm kunnen bereiken, volgens een artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology.

Toch is het mogelijk dat bepaalde antibiotica de EPS binnendringen en zich een weg banen door de lagen van een biofilm. Hier kan een ander beschermend mechanisme in het spel komen: de aanwezigheid van bacteriën die fysiologisch slapen. Om goed te werken, vereisen alle antibiotica enige mate van cellulaire activiteit. Dus, als bacteriën in het begin fysiologisch slapende zijn, is er niet veel voor een antibioticum om te verstoren.

Een andere manier van bescherming tegen antibiotica is de aanwezigheid van speciale bacteriële cellen die bekend staan ​​als "persisters". Dergelijke bacteriën delen zich niet en zijn resistent tegen veel antibiotica. Volgens een artikel uit 2010 gepubliceerd in het tijdschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, functioneert "persisters" door stoffen te produceren die de targets van de antibiotica blokkeren.

In het algemeen profiteren micro-organismen die samenleven als een biofilm van de aanwezigheid van hun verschillende leden van de gemeenschap. Gerlach noemde het voorbeeld van autotrofe en heterotrofe micro-organismen die samen leven in biofilms.Autotrofen, zoals fotosynthetische bacteriën of algen, kunnen hun eigen voedsel produceren in de vorm van organisch (koolstofhoudend) materiaal, terwijl heterotrofen hun eigen voedsel niet kunnen produceren en externe koolstofbronnen nodig hebben. "In deze multi-organismegemeenschappen kruisen ze vaak voer," zei hij.

Biofilms en wij

Gezien de enorme verscheidenheid aan omgevingen waarin we biofilms tegenkomen, is het geen verrassing dat ze vele aspecten van het menselijk leven beïnvloeden. Hieronder enkele voorbeelden.

Een scanning-elektronenmicrofoto toont een biofilm gevormd door Candida albicans op een intravasculaire schijf bereid uit kathetermateriaal.

Een scanning-elektronenmicrofoto toont een biofilm gevormd door Candida albicans op een intravasculaire schijf bereid uit kathetermateriaal.

Credit: CDC

Gezondheid en ziekte

Naarmate het onderzoek in de loop der jaren vorderde, zijn biofilms - bacterieel en fungaal - betrokken bij verschillende gezondheidsvoorwaarden. In 2002 pleitte de National Institutes of Health (NIH) voor een subsidieaanvraag dat biofilms "verantwoordelijk waren voor meer dan 80 procent van de microbiële infecties in het lichaam".

Biofilms kunnen groeien op geïmplanteerde medische apparaten zoals hartklepprotheses, gewrichtsprothetiek, katheters en pacemakers. Dit leidt op zijn beurt tot infecties. Het fenomeen werd voor het eerst opgemerkt in de jaren 1980 toen bacteriële biofilms werden aangetroffen op intraveneuze katheters en pacemakers. Bacteriële biofilms staan ​​er ook om bekend dat ze infectieuze endocarditis en pneumonie veroorzaken bij mensen met cystische fibrose, volgens het artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology, naast andere infecties.

"De reden dat biofilmvorming een grote reden tot bezorgdheid is, is dat bacteriën binnen een biofilm resistenter zijn tegen antibiotica en andere belangrijke ontsmettingsmiddelen die je zou kunnen gebruiken om ze te bestrijden", zegt AC Matin, hoogleraar microbiologie en immunologie bij Stanford Universiteit. In feite, vergeleken met vrij zwevende bacteriën, kunnen die groeien als een biofilm tot 1.500 keer beter bestand zijn tegen antibiotica en andere biologische en chemische middelen, volgens het artikel in Microbe. Matin beschreef biofilm-resistentie in combinatie met de algemene toename in antibioticaresistentie van bacteriën als een "double whammy" en een grote uitdaging voor de behandeling van infecties.

Schimmelbiofilms kunnen ook infecties veroorzaken door te groeien op geïmplanteerde apparaten. Gistsoorten zoals de leden van het geslacht Candida groeien op borstimplantaten, pacemakers en prothetische hartkleppen volgens een artikel uit 2014 gepubliceerd in het tijdschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida soorten groeien ook op weefsels van het menselijk lichaam, wat leidt tot ziekten zoals vaginitis (ontsteking van de vagina) en orofaryngeale candidiasis (een schimmelinfectie die zich in de mond of in de keel ontwikkelt). De auteurs merken echter op dat resistentie tegen geneesmiddelen in deze gevallen niet werd getoond.

bioremediatie

Soms zijn biofilms nuttig. "Bioremediatie, in het algemeen, is het gebruik van levende organismen, of hun producten - bijvoorbeeld enzymen - om schadelijke stoffen te behandelen of af te breken," zei Gerlach. Hij merkte op dat biofilms worden gebruikt voor de behandeling van afvalwater, zware metaalverontreinigingen zoals chromaat, explosieven zoals TNT en radioactieve stoffen zoals uranium. "Microben kunnen ze degraderen of hun mobiliteit of toxische toestand veranderen en daarom minder schadelijk maken voor het milieu en de mens", zei hij.

Nitrificatie met behulp van biofilms is een vorm van afvalwaterzuivering. Tijdens nitrificatie wordt ammoniak door oxidatie omgezet in nitrieten en nitraten. Dit kan worden gedaan door autotrofe bacteriën, die groeien als biofilms op plastic oppervlakken, volgens een artikel uit 2013 gepubliceerd in het tijdschrift Water Research. Deze kunststofoppervlakken zijn slechts enkele centimeters groot en worden allemaal door het water verspreid.

Het explosieve TNT (2,4,6-Trinitrotolueen) wordt beschouwd als een bodem-, oppervlaktewater- en grondwaterverontreiniging. De chemische structuur van TNT bestaat uit benzeen (een hexagonale aromatische ring gemaakt van zes koolstofatomen) bevestigd aan drie nitrogroepen (NO2) en één methylgroep (CH3). Micro-organismen degraderen TNT door reductie, volgens een artikel uit 2007 gepubliceerd in het tijdschrift Applied and Environmental Microbiology. De meeste micro-organismen verminderen de drie nitrogroepen, terwijl andere de aromatische ring aantasten. De onderzoekers - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach en collega's - vonden dat de giststam Yarrowia lipolytica was in staat om TNT met beide methoden af ​​te breken, maar in de eerste plaats door de aromatische ring aan te vallen.

Microbiële brandstofcellen

Microbiële brandstofcellen gebruiken bacteriën om organisch afval om te zetten in elektriciteit. De microben leven op het oppervlak van een elektrode en brengen elektronen erop over, waardoor uiteindelijk stroom wordt gecreëerd, zei Gerlach. In een artikel uit 2011, gepubliceerd in Illumin, een online tijdschrift van de University of Southern California, wordt opgemerkt dat bacteriën die microbiële brandstofcellen voeden, voedsel en lichaamsafval afbreken. Dit levert een goedkope energiebron en schone, duurzame energie op.

Nog voortdurend onderzoek

Onze wereld wemelt van biofilms. Sterker nog, tegen het midden van de 20e eeuw werden er meer bacteriën aangetroffen op de binnenoppervlakken van containers met bacteriële culturen dan dat ze vrij rond dobberden in de vloeibare cultuur zelf, volgens het artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology. Het begrijpen van deze complexe microbiële structuren is een actief onderzoeksgebied.

"Biofilms zijn geweldige gemeenschappen, sommige mensen hebben ze vergeleken met multicellulaire organismen, omdat er veel interactie is tussen afzonderlijke cellen," zei Gerlach. "We blijven leren over hen, en we blijven leren hoe we ze beter kunnen beheersen, zowel voor minder nadelen, zoals op het gebied van medicijnen, of voor een verhoogd voordeel als bij bioremediatie. interessante vragen op dat gebied. "

Extra middelen

  • CDC: Fungal Biofilms and Drug Resistance
  • Penn State: Hoe een microbiële brandstofcel werkt
  • USGS: Biofilms in streams helpen bij het maken van dagelijkse variaties in metaalconcentraties

Video Supplement: What is oral biofilm?.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com