Bioplėvelės yra vienos ar kelių rūšių mikroorganizmų, kurie gali augti ant daugybės skirtingų paviršių, kolektyvas. Mikroorganizmai, formuojantys bioplėveles, apima bakterijas, grybelius ir protistus.
Vienas dažnas biofilminių dantų apnašų, lieknų bakterijų, susidarančių ant dantų paviršių, pavyzdys. Tvenkinio laužai yra dar vienas pavyzdys. Buvo nustatyta, kad bio plėvelės auga ant mineralų ir metalų. Jie buvo rasti po vandeniu, po žeme ir virš žemės. Jie gali augti ant augalų ir gyvūnų audinių bei ant implantuotų medicinos prietaisų, tokių kaip kateteriai ir širdies stimuliatoriai.
Kiekvienas iš šių skirtingų paviršių turi bendrą bruožą: jie yra šlapi. Remiantis 2007 m. Straipsniu, paskelbtu žurnale „Microbe“, ši aplinka „periodiškai arba nuolat užpilama vandeniu“. Bio plėvelės klesti ant drėgno ar šlapio paviršiaus.
Bio plėvelės įsitvirtino tokioje aplinkoje labai ilgą laiką. Remiantis 2004 m. Straipsniu, paskelbtu žurnale „Nature Reviews Microbiology“, iškastiniai bioplėvelių įrodymai atsirado maždaug prieš 3,25 milijardo metų. Pavyzdžiui, Australijoje esančios Pilbara Craton 3,2 milijardo metų senumo giliavandenėse hidroterminėse uolienose rasta bioplēvių. Panašios bioplėvelės randamos hidroterminėje aplinkoje, tokioje kaip karštosios versmės ir giluminės ertmės.
Biofilmo formavimas
Biofilmo formavimasis prasideda tada, kai laisvai plūduriuojantys mikroorganizmai, tokie kaip bakterijos, susiliečia su tinkamu paviršiumi ir pradeda sakyti, taip sakant, šaknis. Šis pirmasis prisijungimo žingsnis įvyksta, kai mikroorganizmai gamina gooey medžiagą, žinomą kaip tarpląstelinė polimerinė medžiaga (EPS), teigia Montanos valstijos universiteto Biofilmų inžinerijos centras. EPS yra cukrų, baltymų ir nukleorūgščių (tokių kaip DNR) tinklas. Tai įgalina bio plėvelės mikroorganizmus sulipti.
Po prisirišimo prasideda augimo laikotarpis. Kiti mikroorganizmų ir EPS sluoksniai kaupiasi ant pirmųjų sluoksnių. Pagal „Biofilmų inžinerijos centrą“ jie sukuria svogūninę ir sudėtingą 3D struktūrą. Vandens kanalai sukryžmina bioplėveles ir sudaro sąlygas keistis maistinėmis medžiagomis ir atliekomis, rašoma „Microbe“ straipsnyje.
Kelios aplinkos sąlygos padeda nustatyti, kaip auga bioplėvelė. Šie veiksniai taip pat lemia, ar jis pagamintas tik iš kelių ląstelių sluoksnių, ar žymiai daugiau. „Tai tikrai priklauso nuo biofilmo“, - teigė Robinas Gerlachas, Montanos valstybinio universiteto Bozemano chemijos ir biologinės inžinerijos katedros profesorius. Pavyzdžiui, mikroorganizmai, gaminantys didelį kiekį EPS, gali išaugti į gana storus bioplėveles, net jei jie neturi daug maistinių medžiagų, sakė jis. Kita vertus, mikroorganizmams, kurie priklauso nuo deguonies, turimas kiekis gali apriboti jų augimą. Kitas aplinkos veiksnys yra „šlyties įtempio“ sąvoka. "Jei jūsų bioplėvelė teka labai dideliu srautu, pavyzdžiui, upelyje, ji paprastai yra gana plona. Jei turite bio plėvelę lėtai tekančiame vandenyje, pavyzdžiui, tvenkinyje, ji gali tapti labai stora", - aiškino Gerlachas.
Galiausiai, biofilme esančios ląstelės gali palikti raukšlę ir įsitvirtinti naujame paviršiuje. Arba ląstelių sankaupos nutrūksta, arba atskiros ląstelės sprogo iš biologinio plėvelės ir ieško naujų namų. Šis pastarasis procesas yra žinomas kaip „sėjimo pasklidimas“, teigia Biofilmų inžinerijos centras.
Kodėl reikia formuoti bio plėvelę?
Mikroorganizmams gyvybingumas kaip bioplėvelės dalis turi tam tikrų pranašumų. „Mikrobų bendruomenės paprastai yra atsparesnės stresui“, - Gerlachas pasakojo „Live Science“. Potencialūs stresoriai yra vandens trūkumas, aukštas ar žemas pH arba mikroorganizmams toksiškų medžiagų, tokių kaip antibiotikai, antimikrobinės medžiagos ar sunkieji metalai, buvimas.
Bioplėvelių kietumui paaiškinti galima daugybė būdų. Pavyzdžiui, liekna EPS danga gali veikti kaip apsauginė kliūtis. Tai gali padėti išvengti dehidratacijos arba veikti kaip skydas nuo ultravioletinės (UV) šviesos. Taip pat kenksmingos medžiagos, tokios kaip antimikrobinės medžiagos, balikliai ar metalai, susilietusios su EPS, yra rišamos arba neutralizuojamos. Taigi, pagal 2004 m. „Nature Reviews Microbiology“ straipsnį, jie praskiedžiami iki tokios koncentracijos, kuri nėra mirtina, kol jie gali pasiekti įvairias ląsteles giliai bioplėvelėje.
Vis dėlto tam tikri antibiotikai gali prasiskverbti į EPS ir prasiskverbti pro biofilmo sluoksnius. Čia gali būti naudojamas kitas apsauginis mechanizmas: fiziologiškai neveikiančių bakterijų buvimas. Norint, kad visi antibiotikai veiktų gerai, reikia tam tikro lygio ląstelių aktyvumo. Taigi, jei bakterijos yra fiziologinės ramybės pradžioje, antibiotikams sutrikdyti nereikia daug.
Kitas apsaugos nuo antibiotikų būdas yra specialių bakterijų ląstelių, vadinamų „išlieka“, buvimas. Tokios bakterijos nesiskirsto ir yra atsparios daugeliui antibiotikų. Remiantis 2010 m. Straipsniu, paskelbtu žurnale „Cold Spring Harbor Perspectives in Biology“, „išlieka“ funkcija gaminant medžiagas, blokuojančias antibiotikų taikinius.
Apskritai mikroorganizmai, gyvenantys kartu kaip bioplėvelė, yra naudingi dėl to, kad juose gyvena įvairūs bendruomenės nariai. Gerlachas paminėjo autotrofinių ir heterotrofinių mikroorganizmų, kurie kartu gyvena bioplėvelėse, pavyzdį. Autotrofai, tokie kaip fotosintetinės bakterijos ar dumbliai, patys gali gaminti maistą organinės (anglies turinčios) medžiagos pavidalu, tuo tarpu heterotrofai negali gaminti savo maisto ir jiems reikalingi išoriniai anglies šaltiniai. „Šiose daugiaorganizuotose bendruomenėse jie dažnai kerta pašarus“, - sakė jis.
Biofilmai ir mes
Atsižvelgiant į daugybę aplinkų, kuriose susiduriame su bioplėvelėmis, nenuostabu, kad jos daro įtaką daugeliui žmogaus gyvenimo aspektų. Žemiau yra keletas pavyzdžių.
Sveikata ir ligos
Moksliniams tyrimams bėgant metams, bioplėvelės - bakterinės ir grybelinės - buvo naudojamos įvairioms sveikatos sąlygoms. 2002 m. Kvietime teikti paraiškas dotacijoms gauti Nacionalinis sveikatos institutas (NIH) pažymėjo, kad bioplėvelės sudaro „daugiau kaip 80 procentų organizmo mikrobų infekcijų“.
Bioplėvelės gali augti ant implantuotų medicinos prietaisų, tokių kaip proteziniai širdies vožtuvai, sąnarių protezavimas, kateteriai ir širdies stimuliatoriai. Tai savo ruožtu sukelia infekcijas. Šis reiškinys pirmą kartą buvo pastebėtas devintajame dešimtmetyje, kai ant intraveninių kateterių ir elektrokardiostimuliatorių buvo rasta bakterijų bioplėvelių. Remiantis 2004 m. „Nature Reviews Microbiology“ straipsniu, be kitų infekcijų, bakterinės bioplėvelės taip pat gali sukelti infekcinį endokarditą ir pneumoniją tiems, kurie serga cistine fibroze.
„Priežastis, dėl kurios biofilmo formavimasis kelia didelį susirūpinimą, yra ta, kad bioplėvelyje bakterijos yra atsparesnės antibiotikams ir kitiems pagrindiniams dezinfekavimo priemonėms, kurias galėtumėte naudoti joms kontroliuoti“, - teigė Stanfordo mikrobiologijos ir imunologijos profesorius AC Matinas. Universitetas. Tiesą sakant, palyginus su laisvai plūduriuojančiomis bakterijomis, jos, augančios kaip bioplėvelė, gali būti iki 1500 kartų atsparesnės antibiotikams ir kitiems biologiniams bei cheminiams veiksniams, rašoma straipsnyje „Microbe“. Matinas apibūdino atsparumą biofilmams kartu su bendru bakterijų atsparumo antibiotikams padidėjimu kaip „dvigubą banginį“ ir pagrindinį iššūkį gydant infekcijas.
Grybelinės bioplėvelės taip pat gali sukelti infekcijas, augdamos ant implantuojamų prietaisų. Mielių rūšys, tokios kaip genties nariai Candida auga ant krūtų implantų, širdies stimuliatorių ir protezuotų širdies vožtuvų, remiantis 2014 m. straipsniu, paskelbtu žurnale „Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine“. Candida rūšys taip pat auga ant žmogaus kūno audinių ir sukelia tokias ligas kaip vaginitas (makšties uždegimas) ir burnos ir ryklės kandidozė (mielių infekcija, plintanti burnoje ar gerklėje). Tačiau autoriai pažymi, kad šiais atvejais atsparumas vaistams nebuvo parodytas.
Bioremediacija
Kartais bioplėvelės yra naudingos. „Paprastai biologinis valymas yra gyvų organizmų arba jų produktų, pavyzdžiui, fermentų, naudojimas kenksmingiems junginiams gydyti ar skaidyti“, - teigė Gerlachas. Jis pažymėjo, kad bioplėvelės yra naudojamos nuotekoms, sunkiųjų metalų teršalams, tokiems kaip chromatas, sprogmenims, tokiems kaip TNT, ir radioaktyviosioms medžiagoms, tokioms kaip uranas, valyti. „Mikrobai gali juos ardyti, pakeisti jų mobilumą ar toksinę būseną ir todėl padaryti juos mažiau kenksmingus aplinkai ir žmonėms“, - sakė jis.
Nitrifikavimas naudojant bioplėveles yra viena iš nuotekų valymo formų. Nitrifikacijos metu amoniakas oksidacijos metu virsta nitritais ir nitratais. Tai gali padaryti autotrofinės bakterijos, augančios kaip bioplėvelės ant plastikinių paviršių, teigiama žurnale „Water Research“ paskelbtame 2013 m. Šie plastikiniai paviršiai yra vos kelių centimetrų dydžio ir pasiskirsto per vandenį.
Sprogstamasis TNT (2,4,6-Trinitrotoluenas) yra laikomas dirvožemio, paviršinio ir požeminio vandens teršalais. Cheminę TNT struktūrą sudaro benzenas (šešiakampis aromatinis žiedas, sudarytas iš šešių anglies atomų), prijungtas prie trijų nitro grupių (NO2) ir viena metilo grupė (CH3). Remiantis 2007 m. Straipsniu, paskelbtu žurnale „Applied and Environmental Microbiology“, mikroorganizmai mažina TNT, mažindami redukciją. Dauguma mikroorganizmų mažina tris nitro grupes, o kai kurie puola aromatinį žiedą. Tyrėjai - Ayratas Ziganshinas, Robinas Gerlachas ir kolegos nustatė, kad mielių padermė Kraujažolė lipolytica sugebėjo suskaidyti TNT abiem būdais, tačiau pirmiausia puoldamas aromatinį žiedą.
Mikrobų kuro elementai
Mikrobų kuro elementai naudoja bakterijas organinėms atliekoms paversti elektros energija. Gerlachas teigė, kad mikrobai gyvena elektrodo paviršiuje ir perkelia elektronus ant jo, galiausiai sukurdami srovę. 2011 m. Straipsnis, paskelbtas Pietų Kalifornijos universiteto internetiniame žurnale „Illumin“, pažymi, kad bakterijos, maitinančios mikrobų kuro ląsteles, skaido maistą ir kūno atliekas. Tai yra nebrangus energijos šaltinis ir švari, tvari energija.
Vykdomi tyrimai
Mūsų pasaulis kupinas biopofilių. Tiesą sakant, remiantis 2004 m. „Nature Reviews Microbiology“ straipsniu, iki XX amžiaus vidurio bakų, kuriuose laikomos bakterijų kultūros, vidiniuose paviršiuose buvo rasta daugiau bakterijų, nei laisvai plūduriuojančių pačioje skystoje kultūroje. Suprasti šias sudėtingas mikrobų struktūras yra aktyvi tyrimų sritis.
"Bioplėvelės yra nuostabios bendruomenės. Kai kurie žmonės jas palygino su daugialąsteliais organizmais, nes tarp atskirų ląstelių yra daug sąveikos", - teigė Gerlachas. "Mes ir toliau mokomės apie juos, ir toliau mokomės, kaip juos geriau suvaldyti; tiek dėl mažesnės žalos, kaip medicinos srityje, tiek dėl didesnės naudos, kaip bioremedicijoje. Neišeisime iš įdomūs klausimai toje srityje “.
