Характеристики биопленок, формирование, виды и примеры



биопленки или биопленки они представляют собой сообщества микроорганизмов, прикрепленных к поверхности, живущих в самогенерируемой матрице внеклеточных полимерных веществ. Первоначально они были описаны Антуаном фон Левенгуком, когда он исследовал «анимы» (крещенные им таким образом) на мемориальной доске из его собственных зубов в семнадцатом веке..

Теория, которая концептуализирует биопленки и описывает процесс их формирования, не была разработана до 1978 года. Было обнаружено, что способность микроорганизмов образовывать биопленки, по-видимому, является универсальной.

Биопленки могут существовать в различных средах, таких как природные системы, акведуки, резервуары для хранения воды, промышленные системы, а также в различных средах, таких как медицинские устройства и устройства для постоянного хранения у пациентов больниц (например, катетеры)..

Благодаря использованию сканирующей электронной микроскопии и конфокальной сканирующей лазерной микроскопии было обнаружено, что биопленки представляют собой не гомогенные, неструктурированные отложения клеток и накопленного ила, а сложные гетерогенные структуры.

Биопленки представляют собой сложные сообщества связанных клеток на поверхности, включенные в сильно гидратированную полимерную матрицу, вода которой циркулирует через открытые каналы структуры.

Многие организмы, которым удалось выжить в окружающей среде миллионы лет, например, виды родов Pseudomonas и Legionella, они используют стратегию биопленки в средах, отличных от их родной среды.

индекс

  • 1 Характеристики биопленок
    • 1.1 Химические и физические характеристики матрицы биопленки
    • 1.2 Экофизиологическая характеристика биопленок
  • 2 Формирование биопленки
    • 2.1 Начальная адгезия к поверхности
    • 2.2 Образование монослоя и микроколоний в многослойных
    • 2.3 Производство полимерного внеклеточного матрикса и созревание трехмерной биопленки
  • 3 типа биопленок
    • 3.1 Количество видов
    • 3.2 Тренировочная среда
    • 3.3 Тип интерфейса, в котором они генерируются
  • 4 Примеры биопленок
    • 4.1 -Зубной налет
    • 4.2 -Био плёнка в чёрной воде
    • 4.3 - субаэральные биопленки
    • 4.4 - Биопленки возбудителей болезней человека
    • 4.5 - Бубонная чума
    • 4.6 - Больничные венозные катетеры
    • 4.7 - В промышленности
  • 5 Устойчивость биопленок к дезинфицирующим средствам, бактерицидам и антибиотикам
  • 6 Ссылки

Характеристики биопленок

Химические и физические характеристики матрицы биопленки

-Внеклеточные полимерные вещества, секретируемые микроорганизмами биопленки, макромолекулами полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, липидов и других биополимеров, большинство из которых являются очень гидрофильными, образуют поперечные связи, образующие трехмерную структуру, называемую биопленочной матрицей..

-Структура матрицы очень вязкоупругая, обладает резиновыми свойствами, устойчива к растяжению и механическому разрыву.

-Матрица обладает способностью прилипать к межфазным поверхностям, включая внутренние пространства пористой среды, через внеклеточные полисахариды, которые действуют как адгезивные смолы.

-Полимерная матрица является преимущественно анионной и также включает неорганические вещества, такие как катионы металлов.

-Он имеет водные каналы, по которым циркулируют кислород, питательные вещества и отходы, которые могут быть переработаны.

-Эта матрица биопленки, работает как средство защиты и выживания в неблагоприятных условиях, барьер против фагоцитарных захватчиков и против проникновения и распространения дезинфицирующих средств и антибиотиков..

Экофизиологическая характеристика биопленок

-Формирование матрицы в неоднородных градиентах приводит к появлению разнообразных микрогабитатов, что позволяет биоразнообразию существовать в биопленке..

-Внутри матрицы клеточный образ жизни радикально отличается от свободной жизни, не связанной. Микроорганизмы биопленки иммобилизованы, очень близко друг к другу, связаны в колониях; этот факт позволяет интенсивным взаимодействиям происходить.

-Взаимодействие между микроорганизмами биопленки включает в себя связь через химические сигналы в коде, называемом «кворум-сенсинг».

-Есть и другие важные взаимодействия, такие как перенос генов и формирование синергетических микроконтроллеров..

-Фенотип биопленки может быть описан в терминах генов, экспрессируемых ассоциированными клетками. Этот фенотип изменен в отношении скорости роста и генетической транскрипции.

-Организмы в биопленке могут транскрибировать гены, которые не транскрибируют свои планктонные или свободные формы жизни.

-Процесс формирования биопленки регулируется специфическими генами, транскрибируемыми при начальной адгезии клеток.

-В замкнутом пространстве матрицы находятся механизмы сотрудничества и конкуренции. Конкуренция порождает постоянную адаптацию в биологических популяциях.

-Создается коллективная внешняя пищеварительная система, которая удерживает внеклеточные ферменты вблизи клеток.

-Эта ферментативная система позволяет секвестрировать, накапливать и метаболизировать, растворять, коллоидные и / или суспендированные питательные вещества..

-Матрица функционирует как общая внешняя зона рециркуляции, хранения компонентов лизированных клеток, а также служит коллективным генетическим архивом..

-Биопленка действует как защитный структурный барьер против изменений окружающей среды, таких как сушка, действие биоцидов, антибиотиков, иммунные реакции хозяина, окислители, катионы металлов, ультрафиолетовое излучение, а также является защитой от многих хищников, таких как фагоцитарные простейшие и насекомые..

-Матрица биопленки представляет собой уникальную экологическую среду для микроорганизмов, которая обеспечивает динамичный образ жизни биологическому сообществу. Биопленки - настоящие микроэкосистемы.

Формирование биопленки

Формирование биопленок - это процесс, при котором микроорганизмы переходят из кочевого одноклеточного, свободно живущего состояния в многоклеточное сидячее состояние, где последующий рост приводит к образованию структурированных сообществ с клеточной дифференциацией.

Развитие биопленки происходит в ответ на внеклеточные сигналы окружающей среды и самогенерируемые сигналы.

Исследователи, изучавшие биопленки, сходятся во мнении, что можно построить обобщенную гипотетическую модель для объяснения их формирования..

Эта модель формирования биопленки состоит из 5 этапов:

  1. Начальная адгезия к поверхности.
  2. Формирование монослоя.
  3. Миграция для формирования микроколоний в многослойных.
  4. Производство полимерной внеклеточной матрицы.
  5. Созревание трехмерной биопленки.

Начальная адгезия к поверхности

Формирование биопленки начинается с начальной адгезии микроорганизмов к твердой поверхности, где они иммобилизованы. Было обнаружено, что микроорганизмы имеют поверхностные датчики и что поверхностные белки участвуют в формировании матрицы.

У немобильных организмов, когда условия окружающей среды благоприятны, производство адгезинов на их внешней поверхности увеличивается. Таким образом, его адгезионная способность между клетками и клетками увеличивается.

В случае подвижных видов отдельные микроорганизмы располагаются на поверхности, и это является отправной точкой к радикальному изменению их мобильного кочевого образа жизни, оседлого, почти сидячего.

Способность к движению теряется, потому что в формировании матрицы помимо клеящих веществ участвуют различные структуры, такие как жгутики, реснички, пилус и фимбрии..

Затем в обоих случаях (мобильные и немобильные микроорганизмы) образуются небольшие агрегаты или микроколонии и создается более интенсивный межклеточный контакт; Адаптивные фенотипические изменения происходят в новой среде, в сгруппированных клетках.

Формирование монослоя и микроколоний в многослойных

Начинается производство внеклеточных полимерных веществ, происходит первоначальное образование монослоя и последующее развитие в многослойных.

Получение полимерного внеклеточного матрикса и созревание трехмерной биопленки

Наконец, биопленка достигает стадии зрелости благодаря трехмерной архитектуре и наличию каналов, по которым циркулируют вода, питательные вещества, химические соединения и нуклеиновые кислоты..

Матрица биопленки удерживает клетки и удерживает их вместе, способствуя высокой степени взаимодействия с межклеточной связью и формированию синергетических консорциумов. Клетки биопленки не полностью иммобилизованы, они могут перемещаться внутри нее, а также отсоединяться.

Типы биопленок

Количество видов

По количеству видов, участвующих в биопленке, последние можно разделить на:

  • Биопленки вида. Например, биопленки, образованные Streptococcus mutans или Vellionela parvula.
  • Биопленки двух видов. Например, ассоциация Streptococcus mutans и Vellionela parvula в биопленках.
  • Полимикробные биопленки, состоящие из многих видов. Например, гостиницы.

Тренировочная среда

Также в зависимости от среды, в которой они образуются, биопленки могут быть:

  • натуральный
  • промышленные
  • домашнее хозяйство
  • Hospitalarias

Тип интерфейса, где они генерируются

С другой стороны, в зависимости от типа интерфейса, в котором они сформированы, их можно классифицировать по:

  • Твердофазные межфазные биопленки, как те, которые образуются в акведуках и резервуарах, трубах и резервуарах для воды в целом.
  • Твердофазные межфазные биопленки (SAB для его сокращений на английском языке Sub Aereal Biopilms); которые представляют собой микробные сообщества, которые развиваются на твердых минеральных поверхностях, подвергающихся прямому воздействию атмосферы и солнечной радиации. Они найдены в зданиях, голых пустынных скалах, горах, среди других.

Примеры биопленок

-Зубной налет

Зубной налет был изучен, как интересный пример сложного сообщества, которое живет в биопленках. Биопленки зубных пластинок являются твердыми и неэластичными из-за присутствия неорганических солей, которые придают жесткость полимерной матрице.

Микроорганизмы зубного налета очень разнообразны, и в биопленке встречается от 200 до 300 видов..

Среди этих микроорганизмов:

  • Пол стрептококк; состоит из кислых бактерий, которые деминерализуют эмаль и дентин и вызывают кариес. Например, вид: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis и S. milleri.
  • Пол лактобацилла, образуется ацидофильными денатурирующими бактериями белков дентина. Например, вид: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Пол Actinomyces, которые являются кислыми и протеолитическими микроорганизмами. Среди них виды: вязкость, A. odontoliticus и A. naeslundii.
  • И другие жанры, как: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis и Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Биопленки в черной воде

Другим интересным примером являются бытовые сточные воды, где они живут в биопленках, прикрепленных к трубам, нитрифицируя микроорганизмы, окисляя аммоний, нитрит и автотрофные нитрифицирующие бактерии..

Среди аммоний-окисляющих бактерий этих биопленок они встречаются как численно доминирующие виды, принадлежащие к роду Nitrosomonas, распределены по всей матрице биопленки.

Основными компонентами в группе нитритных окислителей являются компоненты рода Nitrospira, которые расположены только во внутренней части биопленки.

-Субаэрофотоснимки

Субаэральные биопленки характеризуются ростом пятен на твердых минеральных поверхностях, таких как камни и городские сооружения. Эти биопленки имеют доминирующие ассоциации грибов, водорослей, цианобактерий, гетеротрофных бактерий, простейших, а также микроскопических животных..

В частности, биопленки SAB обладают хемолитотрофными микроорганизмами, способными использовать минеральные неорганические химические вещества в качестве источников энергии..

Хемолитотрофные микроорганизмы обладают способностью окислять неорганические соединения, такие как Н2, Нью-Гемпшир3, НЕТ2, S, HS, Faith2+ и воспользоваться преимуществом электрического потенциала энергии продукта окисления в их метаболизме.

Среди микробных видов, присутствующих в субаэральных биопленках, имеются:

  • Бактерии рода Geodermatophilus; цианобактерии рода Chrococcoccidiopsis, кокковидные и нитевидные виды, такие как Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Зеленые водоросли родов Хлорелла, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia и Stichococcus.
  • Гетеротрофные бактерии (доминирующие в субаэральных биопленках): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus зр., Paenibacillus зр., Pseudomonas зр. и родококки зр.
  • Хемогорганотрофные бактерии и грибы как Actynomycetales (стрептомицеты и Geodermatophilaceae), Протеобактерии, актинобактерии, ацидобактерии и бактериоиды-цитофага-флавобактерии.

-Биопленки возбудителей болезней человека

Многие из бактерий, известных как возбудители болезней человека, живут в биопленках. Среди них: Холерный вибрион, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, стрептококки и Legionella pneumophyla.

-Бубонная чума

Интересно, что передача бубонной чумы от укуса блох является сравнительно недавней адаптацией возбудителя этой болезни., Иерсиния пестис.

Эта бактерия растет как биопленка, прикрепленная к верхней пищеварительной системе вектора (блоха). Во время укуса блоха извергает биопленку, содержащую Иерсиния пестис в дерме и поэтому начинается инфекция.

-Больничные венозные катетеры

Среди изолятов биопленок в центральных венозных катетеров эксплантированных они обнаружили удивительное разнообразие грам-положительных и грам-отрицательных бактерий и других микроорганизмов.

Несколько научных исследований сообщают о грамположительных бактериях биопленок в венозных катетерах: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus SPP., стафилококк стафилококк, Стафилококк эпидермидис, стрептококк SPP. и Streptococcus pneumoniae.

Среди грамотрицательных бактерий, выделенных из этих биопленок, сообщается: Acinetobacter SPP., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter клоака, Enterobacter aerogens, кишечная палочка, клебсиеллы пневмония, клебсиелла окситок, синегнойная палочка, Pseudomonas putida, Proteus SPP., Providencia SPP. и Serratia Marcescens.

Другие организмы, найденные в этих биопленках: Кандида SPP., Candida albicans, Candida tropicalis и Mycobacterium chelonei.

-В промышленности

Что касается работоспособности отрасли, биопленки создают препятствия на трубах, повреждение оборудования, помехи в процессах, таких как теплообмен при покрытии поверхностей теплообменника, или коррозия металлических деталей..

Пищевая промышленность

Образование пленок в отраслях пищевой промышленности может порождать важные проблемы оперативного и общественного здравоохранения..

Связанные патогены в биопленках могут загрязнять пищевые продукты патогенными бактериями и вызывать серьезные проблемы со здоровьем у потребителей.

Среди биопленок патогенов, связанных с пищевой промышленностью, имеются:

Listeria monocytogenes

Этот патоген использует на начальной стадии формирования биопленки белки жгутиков и мембран. Формирование биопленки на стальных поверхностях нарезных машин.

В молочной промышленности биопленки могут быть произведены Listeria monocytogenes в жидком молоке и молочных продуктах. Остатки молока в трубах, резервуарах, контейнерах и других устройствах способствуют развитию биопленок этого патогена, которые используют их в качестве доступных питательных веществ..

Pseudomonas SPP.

Биопленки этих бактерий можно найти в предприятиях пищевой промышленности, такие как полы, водостоки и поверхности пищевых продуктов, такие как мясо, овощи и фрукты, наряду с низкой производных кислот молока.

Pseudomonas aeruginosa секрет нескольких внеклеточных веществ, которые используются в формировании полимерной матрицы биопленки, прилипая к большому количеству неорганических материалов, таких как нержавеющая сталь.

Pseudomonas может сосуществовать в биопленке в сочетании с другими патогенными бактериями, такими как сальмонелла и листериоз.

сальмонелла SPP.

Виды сальмонелла являются первым возбудителем зоонозов бактериальной этиологии и вспышек пищевой токсоинфекции.

Научные исследования показали, что сальмонелла может прилипать в виде биопленок, к поверхностям цемента, стали и пластика, объектов предприятий пищевой промышленности.

Виды сальмонелла Они имеют поверхностные структуры с адгезивными свойствами. Кроме того, он производит целлюлозу в виде внеклеточного вещества, которое является основным компонентом полимерной матрицы.

Кишечная палочка

Он использует жгутики и мембранные белки на начальном этапе формирования биопленки. Он также производит внеклеточную целлюлозу для создания трехмерной решетки матрицы в биопленке.

Устойчивость биопленок к дезинфицирующим средствам, бактерицидам и антибиотикам

Биопленки обеспечивают защиту микроорганизмов, из которых они состоят, от действия дезинфицирующих средств, гермицидов и антибиотиков. Механизмы, которые позволяют эту функцию, следующие:

  • Задержка проникновения антимикробного агента через трехмерную матрицу биопленки из-за очень медленной диффузии и трудности в достижении эффективной концентрации.
  • Измененная скорость роста и низкий метаболизм микроорганизмов в биопленке.
  • Изменения в физиологических реакциях микроорганизмов при росте биопленки с экспрессией измененных генов устойчивости.

ссылки

  1. Бактериальные биопленки. (2008). Актуальные темы в микробиологии и иммунологии. Тони Ромео Редактор. Том 322. Берлин, Ганновер: Springer Verlag. pp301.
  2. Донлан Р.М. и Костертон, J.W. (2002). Биопленки: механизмы выживания клинически значимых микроорганизмов. Клиническая Микробиология Отзывы.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Флеминг, Х.С. и Wingender, F. (2010). Биопленочная матрица. Природа Обзоры Микробиология. 8: 623-633.
  4. Горбушина А. (2007). Жизнь на скалах. Экологическая микробиология. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. О'Тул Г., Каплан Х.Б. и Kolter R. (2000). Формирование биопленки как микробное развитие. Ежегодный обзор микробиологии.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Холл-Стодли, Л., Костертон, Дж. В. и Стодли, П. (2004). Бактериальные биопленки: от природной среды к инфекционным заболеваниям. Природа Обзоры Микробиология. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Внеклеточная ДНК необходима для формирования бактериальной биопленки. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487