Biofilmer är ett kollektiv av en eller flera typer av mikroorganismer som kan växa på många olika ytor. Mikroorganismer som bildar biofilmer inkluderar bakterier, svampar och protister.
Ett vanligt exempel på en biofilm tandplack, en slemmig uppbyggnad av bakterier som bildas på tändernas ytor. Dammskum är ett annat exempel. Biofilmer har visat sig växa på mineraler och metaller. De har hittats under vattnet, under jord och över marken. De kan växa på växtvävnader och djurvävnader och på implanterade medicinska apparater som katetrar och pacemaker.
Var och en av dessa distinkta ytor har ett gemensamt definierande drag: de är våta. Dessa miljöer är "periodiskt eller kontinuerligt kvävas med vatten", enligt en artikel från 2007 publicerad i Microbe Magazine. Biofilmer trivs på fuktiga eller våta ytor.
Biofilmer har etablerat sig i sådana miljöer under mycket lång tid. Fossila bevis för biofilmer är cirka 3,25 miljarder år sedan, enligt en artikel från 2004 publicerad i tidskriften Nature Reviews Microbiology. Till exempel har biofilmer hittats i de 3,2 miljarder år gamla djuphavs hydrotermiska stenarna i Pilbara Craton i Australien. Liknande biofilmer finns i hydrotermiska miljöer som heta källor och djuphavsventiler.
Biofilmbildning
Biofilmbildning börjar när fritt flytande mikroorganismer som bakterier kommer i kontakt med en lämplig yta och börjar sätta ner rötter, så att säga. Detta första fästningssteg inträffar när mikroorganismerna producerar en gooig substans känd som en extracellulär polymersubstans (EPS), enligt Center for Biofilm Engineering vid Montana State University. En EPS är ett nätverk av sockerarter, proteiner och nukleinsyror (t.ex. DNA). Det gör att mikroorganismerna i en biofilm kan hålla sig ihop.
Fästningen följs av en tillväxtperiod. Ytterligare lager av mikroorganismer och EPS bygger på de första skikten. I slutändan skapar de en bulbous och komplex 3D-struktur, enligt Center for Biofilm Engineering. Vatten kanaler tvärs över biofilmer och möjliggör utbyte av näringsämnen och avfallsprodukter, enligt artikeln i Microbe.
Flera miljöförhållanden hjälper till att bestämma i vilken utsträckning en biofilm växer. Dessa faktorer bestämmer också om det bara består av några få celler eller betydligt mer. "Det beror verkligen på biofilmen," sade Robin Gerlach, professor vid avdelningen för kemisk och biologisk teknik vid Montana State University-Bozeman. Till exempel kan mikroorganismer som producerar en stor mängd EPS växa till ganska tjocka biofilmer även om de inte har tillgång till mycket näringsämnen, sade han. Å andra sidan, för mikroorganismer som är beroende av syre, kan den tillgängliga mängden begränsa hur mycket de kan växa. En annan miljöfaktor är begreppet "skjuvspänning". "Om du har ett mycket högt flöde över en biofilm, som i en bäck, är biofilmen vanligtvis ganska tunn. Om du har en biofilm i långsamt rinnande vatten, som i ett damm, kan det bli mycket tjockt," förklarade Gerlach.
Slutligen kan cellerna i en biofilm lämna vecket och etablera sig på en ny yta. Antingen bryter en klump av celler, eller så spränger enskilda celler ur biofilmen och söker ett nytt hem. Den senare processen är känd som "sådd spridning", enligt Center for Biofilm Engineering.
Varför bilda en biofilm?
För mikroorganismer har vissa fördelar att leva som en del av en biofilm. "Gemenskaper av mikrober är vanligtvis mer motståndskraftiga mot stress", berättade Gerlach för Live Science. Potentiella stressfaktorer inkluderar avsaknaden av vatten, högt eller lågt pH eller närvaron av ämnen som är giftiga för mikroorganismer såsom antibiotika, antimikrobiella medel eller tungmetaller.
Det finns många möjliga förklaringar till biofilms hårdhet. Till exempel kan den slimmiga EPS-täckningen fungera som en skyddande barriär. Det kan hjälpa till att förhindra uttorkning eller fungera som en skärm mot ultraviolett (UV) ljus. Även skadliga ämnen som antimikrobiella medel, blekmedel eller metaller binds eller neutraliseras när de kommer i kontakt med EPS. Således späds de ut till koncentrationer som inte är dödliga väl innan de kan nå olika celler djupt i biofilmen, enligt en artikel från 2004 i Nature Reviews Microbiology.
Det är fortfarande möjligt för vissa antibiotika att tränga igenom EPS och ta sig igenom en biofilms lager. Här kan en annan skyddsmekanism komma in i spelet: närvaron av bakterier som är fysiologiskt vilande. För att fungera bra kräver alla antibiotika viss cellaktivitet. Så om bakterier är fysiologiskt vilande till att börja med finns det inte mycket för ett antibiotikum att störa.
Ett annat sätt att skydda mot antibiotika är närvaron av speciella bakterieceller som kallas "persister". Sådana bakterier delar sig inte och är resistenta mot många antibiotika. Enligt en artikel från 2010 publicerad i tidskriften Cold Spring Harbour Perspectives in Biology fungerar "persisters" -funktionen genom att producera ämnen som blockerar målen för antibiotika.
I allmänhet gynnar mikroorganismer som lever tillsammans som en biofilm från närvaron av deras olika medlemmar i samhället. Gerlach citerade exemplet på autotrofiska och heterotrofiska mikroorganismer som lever tillsammans i biofilmer. Autotrofer, såsom fotosyntetiska bakterier eller alger, kan producera sin egen mat i form av organiskt (kolinnehållande) material, medan heterotrofer inte kan producera sin egen mat och kräver källor utanför kolet. "I dessa multiorganismala samhällen korsar de ofta foder," sade han.
Biofilmer och oss
Med tanke på det stora utbudet av miljöer där vi stöter på biofilmer är det inte förvånande att de påverkar många aspekter av människors liv. Nedan följer några exempel.
Hälsa och sjukdom
I takt med att forskningen har utvecklats under åren har biofilmer - bakteriell och svamp - varit inblandade i olika hälsotillstånd. I en uppmaning från 2002 om bidragsansökningar noterade National Institute of Health (NIH) att biofilmer stod för "över 80 procent av mikrobiella infektioner i kroppen."
Biofilmer kan växa på implanterade medicinska apparater som proteshjärtventiler, ledproteser, katetrar och pacemaker. Detta leder i sin tur till infektioner. Fenomenet noterades först på 1980-talet då bakteriella biofilmer hittades på intravenösa katetrar och pacemaker. Bakteriella biofilmer har också varit kända för att orsaka infektiv endokardit och lunginflammation hos de med cystisk fibros, enligt artikeln 2004 i Nature Reviews Microbiology, bland andra infektioner.
"Anledningen till att biofilmbildning är en stor orsak till oro är att inom en biofilm är bakterier mer resistenta mot antibiotika och andra stora desinfektionsmedel som du kan använda för att kontrollera dem," säger AC Matin, professor i mikrobiologi och immunologi vid Stanford Universitet. I själva verket, jämfört med fritt flytande bakterier, kan de som växer som en biofilm vara upp till 1 500 gånger mer resistenta mot antibiotika och andra biologiska och kemiska medel, enligt artikeln i Microbe. Matin beskrev biofilmresistens i kombination med den allmänna ökningen av antibiotikaresistens bland bakterier som en "dubbel whammy" och en viktig utmaning för att behandla infektioner.
Svampbiofilmer kan också orsaka infektioner genom att växa på implanterade enheter. Jästarter som släktens medlemmar Candida växa på bröstimplantat, pacemaker och protetiska hjärtventiler enligt en artikel från 2014 publicerad i tidskriften Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine. Candida arter växer också på vävnader från människokroppen, vilket leder till sjukdomar som vaginit (inflammation i slidan) och orofaryngeal candidiasis (en jästinfektion som utvecklas i munnen eller halsen). Författarna noterar dock att läkemedelsresistens inte visades i dessa fall.
bioremediation
Ibland är biofilmer användbara. "Bioremediering, i allmänhet, är användningen av levande organismer eller deras produkter - till exempel enzymer - för att behandla eller bryta ner skadliga föreningar," sade Gerlach. Han noterade att biofilmer används för att behandla avloppsvatten, tungmetallföroreningar som kromat, explosiva ämnen som TNT och radioaktiva ämnen som uran. "Mikrober kan antingen försämra dem, eller ändra deras rörlighet eller sitt giftiga tillstånd och därför göra dem mindre skadliga för miljön och människor," sade han.
Nitrifiering med biofilmer är en form av avloppsrening. Under nitrifikation omvandlas ammoniak till nitriter och nitrater genom oxidation. Detta kan göras av autotrofiska bakterier, som växer som biofilmer på plastytor, enligt en artikel från 2013 publicerad i tidskriften Water Research. Dessa plastytor är bara några centimeter stora och distribueras genom vattnet.
Det explosiva TNT (2,4,6-Trinitrotoluen) betraktas som en förorening av mark, ytvatten och grundvatten. Den kemiska strukturen hos TNT består av bensen (en hexagonal aromatisk ring tillverkad av sex kolatomer) bundna till tre nitrogrupper (NO2) och en metylgrupp (CH3). Mikroorganismer bryter ned TNT genom reduktion, enligt en artikel från 2007 publicerad i tidskriften Applied and Environmental Microbiology. De flesta mikroorganismer minskar de tre nitrogrupperna, medan vissa angriper den aromatiska ringen. Forskarna - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach och kollegor - fann att jäststammen Yarrowia lipolytica kunde nedbryta TNT med båda metoderna, dock främst genom att attackera den aromatiska ringen.
Mikrobiella bränsleceller
Mikrobiella bränsleceller använder bakterier för att omvandla organiskt avfall till elektricitet. Mikroberna lever på ytan av en elektrod och överför elektroner till den, vilket i slutändan skapar en ström, sade Gerlach. En artikel 2011 publicerad i Illumin, en onlinetidskrift vid University of South California, konstaterar att bakterier som driver mikrobiella bränsleceller bryter ner mat och kroppsavfall. Detta ger en billig energikälla och ren hållbar energi.
Pågående forskning
Vår värld vrimlar av biofilmer. I mitten av 1900-talet hittades faktiskt fler bakterier på insidan av behållare med bakteriekulturer än flytande fritt i själva vätskekulturen, enligt artikeln 2004 i Nature Reviews Microbiology. Att förstå dessa komplexa mikrobiella strukturer är ett aktivt forskningsområde.
"Biofilmer är fantastiska samhällen. Vissa människor har jämfört dem med flercelliga organismer eftersom det finns mycket interaktion mellan enstaka celler," sade Gerlach. "Vi fortsätter att lära dig om dem, och vi fortsätter att lära oss om hur du kan kontrollera dem bättre; både för minskad nackdel, som inom medicinområdet, eller för ökad nytta som i bioremediation. Vi kommer inte att ta slut på intressanta frågor på det området. "
