ביופילמים הם קולקטיב של סוג אחד או יותר של מיקרואורגניזמים שיכולים לצמוח על משטחים רבים ושונים. מיקרואורגניזמים המהווים ביופילמים כוללים חיידקים, פטריות ופרוטסטים.
דוגמא אחת נפוצה ל רובד שיניים ביו-פילם, הצטברות דלקת של חיידקים המופיעה על משטחי השיניים. חלאת בריכות היא דוגמא נוספת. נמצאו ביו-פילמים הגדלים על מינרלים ומתכות. הם נמצאו מתחת למים, מתחת לאדמה ומעל האדמה. הם יכולים לצמוח על רקמות צמחיות ורקמות בעלי חיים, ועל מכשירים רפואיים מושתלים כמו צנתרים וקוצבי לב.
לכל אחד מהמשטחים הנבדלים הללו יש תכונה מכוננת נפוצה: הם רטובים. סביבות אלה "ספוגות מים מעת לעת או ברציפות", על פי מאמר משנת 2007 שפורסם במגזין Microbe. ביו-סרטים משגשגים על משטחים לחים או רטובים.
Biofilms התבססו בסביבות כאלה במשך זמן רב מאוד. עדויות פוסיליות לביו-סרטים מתוארכות לפני כ- 3.25 מיליארד שנה, על פי מאמר משנת 2004 שפורסם בכתב העת Nature Reviews Microbiology. לדוגמא, ביו-סרטים נמצאו בסלעים ההידרותרמיים הימיים העמוקים בים העמוק של 3.2 מיליארד שנה של מכתש הפילברה באוסטרליה. ביופילמים דומים נמצאים בסביבות הידרותרמיות כמו מעיינות חמים ופתחי ים עמוקים.
היווצרות ביופילם
היווצרות ביופילם מתחילה כאשר מיקרואורגניזמים צפים חופשיים כמו חיידקים באים במגע עם משטח מתאים ומתחילים להניח שורשים, כביכול. שלב התקשרות ראשון זה מתרחש כאשר המיקרואורגניזמים מייצרים חומר דביק המכונה חומר פולימרי חוץ תאי (EPS), כך על פי המרכז להנדסת ביופילם באוניברסיטת מונטנה. EPS הוא רשת של סוכרים, חלבונים וחומצות גרעין (כמו DNA). זה מאפשר למיקרואורגניזמים בביופילם להיצמד זה לזה.
אחרי הקובץ מצורף תקופת צמיחה. שכבות נוספות של מיקרואורגניזמים ו- EPS מתבססות על השכבות הראשונות. בסופו של דבר הם יוצרים מבנה תלת-ממדי בולבי ומורכב, על פי המרכז להנדסת ביו-פילם. מים מוליכים ביו-סרטים חוצים ומאפשרים החלפה של חומרים תזונתיים ומוצרי פסולת, כך עולה מהמאמר ב- Microbe.
תנאים סביבתיים מרובים עוזרים לקבוע עד כמה גדל ביו-פילם. גורמים אלה קובעים גם אם הוא מורכב מכמה שכבות מעטות של תאים או יותר משמעותית. "זה באמת תלוי בביופילם", אמר רובין גרלאך, פרופסור במחלקה להנדסה כימית וביולוגית באוניברסיטת מונטנה-מדינת בוזמן. לדוגמה, מיקרואורגניזמים המייצרים כמות גדולה של EPS יכולים לצמוח לביו-סרטים עבים למדי, אפילו אם אין להם גישה להרבה חומרים מזינים, אמר. לעומת זאת, עבור מיקרואורגניזמים התלויים בחמצן, הכמות הזמינה יכולה להגביל כמה הם יכולים לגדול. גורם סביבתי נוסף הוא המושג "לחץ גזוז". "אם יש לך זרימה גבוהה מאוד על פני ביו-פילם, כמו בנחל, הבי-פילם לרוב דק למדי. אם יש לך ביו-פילם במים זורמים באיטיות, כמו בבריכה, הוא יכול להיות סמיך מאוד," הסביר גרלך.
לבסוף, התאים בתוך ביופילם יכולים לעזוב את הקפל ולהתבסס על משטח חדש. או גוש תאים מתנתק, או שתאים בודדים פורצים מהביופילם ומחפשים בית חדש. התהליך האחרון מכונה "פיזור זריעה", על פי המרכז להנדסת ביופילם.
מדוע ליצור ביופילם?
למיקרואורגניזמים, לחיות כחלק מביופילם יש יתרונות מסוימים. "קהילות של חיידקים בדרך כלל עמידות יותר ללחץ", אמר גרלאך ל- Live Science. גורמי לחץ פוטנציאליים כוללים היעדר מים, pH גבוה או נמוך או נוכחות של חומרים רעילים למיקרואורגניזמים כמו אנטיביוטיקה, אנטי-מיקרוביאלים או מתכות כבדות.
יש הרבה הסברים אפשריים להקשיחות של ביו-סרטים. לדוגמה, כיסוי ה- EPS הדקיק יכול לפעול כמחסום הגנה. זה יכול לעזור במניעת התייבשות או לפעול כמגן מפני אור אולטרה סגול (UV). כמו כן, חומרים מזיקים כמו אנטי-מיקרוביאלים, אקונומיקה או מתכות נקשרים או מנוטרלים כאשר הם באים במגע עם ה- EPS. לפיכך, הם מדוללים לריכוזים שאינם קטלניים היטב לפני שהם יכולים להגיע לתאים שונים בעומק הביפילם, על פי מאמר משנת 2004 בכתב העת Nature Reviews Microbiology.
עדיין, אנטיביוטיקה מסוימת אפשרית לחדור ל- EPS ולעשות דרכם בשכבות של ביופילם. כאן יכול להיכנס לתמונה מנגנון הגנה נוסף: נוכחותם של חיידקים הרדומים מבחינה פיזיולוגית. בכדי לעבוד טוב, כל האנטיביוטיקה דורשת פעילות מסוימת של התא. לכן, אם חיידקים רדומים מבחינה פיזיולוגית מלכתחילה, אין הרבה מהשיפור באנטיביוטיקה.
אמצעי הגנה נוסף מפני אנטיביוטיקה הוא הימצאותם של תאים חיידקיים מיוחדים המכונים "התמדה". חיידקים כאלה אינם מתחלקים ועמידים בפני אנטיביוטיקה רבים. על פי מאמר משנת 2010 שפורסם בכתב העת Cold Spring Harbour Perspectives in Biology, "מתמיד" מתפקד על ידי ייצור חומרים החוסמים את יעדי האנטיביוטיקה.
באופן כללי, מיקרואורגניזמים החיים יחד כביופילם נהנים מנוכחותם של חברי הקהילה השונים שלהם. גרלאך ציטט את הדוגמא של מיקרואורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים שחיים יחד בביופילמים. אוטוטרופים, כמו חיידקים פוטוסינתטיים או אצות, מסוגלים לייצר מזון משלהם בצורה של חומר אורגני (המכיל פחמן), בעוד שהטרוטרופים אינם יכולים לייצר מזון משלהם ודורשים מקורות חיצוניים של פחמן. "בקהילות מרובות אורגניזם אלה לרוב עוברים הזנה", אמר.
ביופילמים ואנחנו
בהינתן המגוון העצום של הסביבות בהן אנו נתקלים בפילומים ביולוגיים, אין זה מפתיע כי הם משפיעים על היבטים רבים בחיי האדם. להלן מספר דוגמאות.
בריאות ומחלות
עם התקדמות המחקר לאורך השנים, ביו-סרטים - חיידקיים ופטרתיים - היו מעורבים במגוון מצבים בריאותיים. בקריאת בקשות למענק בשנת 2002 ציינו המוסדות הלאומיים לבריאות (NIH) כי ביו-סרטים היוו "יותר מ -80 אחוז מזיהומים חיידקים בגוף."
ביו-פילמים יכולים לצמוח על מכשירים רפואיים מושתלים כמו שסתומי לב תותבים, תותבות מפרקים, צנתרים וקוצבי לב. זה בתורו מוביל לזיהומים. התופעה צוינה לראשונה בשנות ה -80 של המאה העשרים, כאשר נמצאו ביולוגי ביולוגי בקטטר בצינורות ובקוצב לב. כמו כן, ידוע שביולוגיות בקטריאליות גורמות לאנדוקרדיטיס דלקתית ודלקת ריאות אצל אלו הסובלים מסיסטיק פיברוזיס, על פי המאמר שכתב ב- Nature Reviews Microbiology, בין היתר.
AC Matin, פרופסור למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה בסטנפורד, אמר: "הסיבה לכך שהיווצרות ביו-פילם מהווה גורם חשוב לדאגה היא שבתוך ביו-פילם, חיידקים עמידים יותר לאנטיביוטיקה וחומרי חיטוי גדולים אחרים שבהם תוכלו להשתמש בכדי לשלוט בהם. אוניברסיטה. למעשה, בהשוואה לחיידקים צפים חופשיים, אלו הגדלים כביופילם יכולים להיות עמידים פי עד 1500 לאנטיביוטיקה ולסוכנים ביולוגיים וכימיים אחרים, כך לפי המאמר ב- Microbe. מטין תיאר את העמידות לביו-פילם בשילוב עם העלייה הכללית בעמידות לאנטיביוטיקה בקרב חיידקים כ"מאמי כפול "ואתגר מרכזי לטיפול בזיהומים.
ביו-סרטים פטרייתיים יכולים גם לגרום לזיהומים על ידי גידול במכשירים מושתלים. מיני שמרים כמו בני הסוג קנדידה לגדול על שתלים של חזה, קוצבי לב ושסתומי לב תותבים על פי מאמר משנת 2014 שפורסם בכתב העת Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. קנדידה המינים צומחים גם על רקמות גוף האדם, מה שמוביל למחלות כמו דלקת הנרתיק (דלקת בנרתיק) וקנדידיוזה במערכת העיכול (זיהום שמרים שמתפתח בפה או בגרון). עם זאת, המחברים מציינים כי במקרים אלה לא הוצגה עמידות לתרופות.
Bioremediation
לפעמים, ביו-סרטים מועילים. גרלך אמר כי "ביאור-דימייציה, באופן כללי, הוא שימוש באורגניזמים חיים, או במוצריהם - למשל אנזימים - לטיפול או השפלה של תרכובות מזיקות." הוא ציין כי ביו-פילמים משמשים לטיפול בשפכים, מזהמי מתכות כבדות כמו כרומט, חומרי נפץ כמו TNT וחומרים רדיואקטיביים כמו אורניום. "חיידקים יכולים להשפיל אותם, או לשנות את הניידות שלהם או את מצבם הרעיל, ולכן הם פחות מזיקים לסביבה ולאדם", אמר.
Nitrification באמצעות biofilms היא סוג אחד של טיפול בשפכים. במהלך nitrification, אמוניה מומר לניטריטים וחנקות באמצעות חמצון. ניתן לעשות זאת על ידי חיידקים אוטוטרופיים, הגדלים כביופילמים על משטחי פלסטיק, על פי מאמר משנת 2013 שפורסם בכתב העת Water Research. משטחי הפלסטיק הללו בגודל של כמה סנטימטרים בלבד ומופצים דרך המים.
TNT הנפיץ (2,4,6-טריניטרוטולואן) נחשב כמזהם אדמה, מי שטח ומי תהום. המבנה הכימי של TNT מורכב מבנזן (טבעת ארומטית משושה עשויה משישה אטומי פחמן) המחוברים לשלוש קבוצות ניטרו (NO2) וקבוצת מתיל אחת (CH3). מיקרו-אורגניזמים משפילים את TNT על ידי הפחתה, על פי מאמר משנת 2007 שפורסם בכתב העת Applied and Microbiology. מרבית המיקרואורגניזמים מצמצמים את שלוש קבוצות הנייטרו, בעוד שחלקן תוקפות את הטבעת הארומטית. החוקרים - איירט זיגאנשין, רובין גרלאך ועמיתיהם - גילו שהשמרים מתכוונים Yarrowia Lipolytica הצליח להשפיל את TNT בשתי השיטות, אם כי בעיקר על ידי תקיפת הטבעת הארומטית.
תאי דלק מיקרוביאליים
תאי דלק מיקרוביאליים משתמשים בחיידקים כדי להמיר פסולת אורגנית לחשמל. המיקרובים חיים על פני האלקטרודה ומעבירים אליהם אלקטרונים, ובסופו של דבר יוצרים זרם, אמר גרלך. מאמר משנת 2011 שפורסם ב- Illumin, מגזין מקוון של אוניברסיטת דרום קליפורניה, מציין כי חיידקים המפעילים תאי דלק חיידקים מפרקים מזון ובזבוז גופני. זה מספק מקור עלות נמוך ואנרגיה בת קיימא נקייה.
מחקר מתמשך
העולם שלנו שופע ביו-פילמים. למעשה, באמצע המאה העשרים, יותר חיידקים נמצאו במשטחים הפנימיים של מיכלים המחזיקים בתרביות חיידקים, מאשר צפים בחופשיות בתרבות הנוזלים עצמה, על פי המאמר משנת 2004 בכתב העת Nature Reviews Microbiology. הבנת המבנים החיידקים המורכבים הללו היא תחום פעיל במחקר.
גרלך אמר כי "ביו-סרטים הם קהילות מדהימות. יש אנשים שהשוו אותם לאורגניזמים רב-תאיים מכיוון שיש הרבה אינטראקציה בין תאים בודדים. "אנו ממשיכים ללמוד עליהם, ואנחנו ממשיכים ללמוד כיצד לשלוט בהם טוב יותר. הן לרעה מופחתת, כמו בתחום הרפואה, או לטובת תועלת מוגברת כמו ביו-תיווך. אנחנו לא עומדים להסתיים שאלות מעניינות בתחום הזה. "
