REKLAMA


 

REKLAMA


 

Biofilm jest złożoną dynamiczną strukturą, w której pojedyncze komórki mikroorganizmów funkcjonują jak wielokomórkowy żyjący społecznie organizm


Zielenkiewicz_Urszula

Autorką tekstu jest
Urszula Zielenkiewicz

Instytut Biochemii i Biofizyki
Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Urszula Zielenkiewicz kieruje zespołem zajmującym się identyfikacją i charakterystyką mikroorganizmów tworzących biofilmy 

 


Wbrew utartym opiniom w naturalnym środowisku mikroorganizmy rzadko spotykane są jako wolno żyjące pojedyncze komórki. Najczęściej tworzą różnego rodzaju skupiska przytwierdzone do podłoża, powleczone cienką warstwą śluzu. Skupiska te nie są bynajmniej luźnym zbiorem komórek, lecz uporządkowanym wysoko zorganizowanym „systemem” powiązanych wzajemnie i wspólnie działających osobników, określanym mianem biofilmu lub błony biologicznej. Sąsiadujące ze sobą w skupiskach mikroorganizmy wytwarzają wokół siebie wspólną otoczkę, tzw. macierz, do której wydzielają różne substancje. Głównymi składnikami macierzy są związki polimeryczne zwane EPS (najczęściej polisacharydy) i woda. Procentowy udział wody w macierzy biofilmów dochodzi nawet do 97%. Zdolność polimerów macierzy do cyklicznego gromadzenia i oddawania wody nadaje jej cechy hydrożelu o wyjątkowych właściwościach wiskoelastycznych. Dzięki temu biofilmy niezwykle trudno jest oderwać od podłoża. Dodatkowo hydrożelowa macierz skutecznie chroni mikroorganizmy biofilmu przed wysuszeniem.

 

W strukturze biofilmu można wyróżnić wolne przestrzenie, rusztowania i miejsca o większej gęstości macierzy. Głównymi składnikami macierzy są związki polimeryczne zwane EPS (najczęściej polisacharydy) i woda. Zdjęcia biofilmu w mikroskopie skaningowymW strukturze biofilmu można wyróżnić wolne przestrzenie, rusztowania i miejsca o większej gęstości macierzy. Głównymi składnikami macierzy są związki polimeryczne zwane EPS (najczęściej polisacharydy) i woda. Zdjęcia biofilmu w mikroskopie skaningowym

 

Macierz jest nie tylko spoiwem biofilmu, jest również, a może nawet przede wszystkim systemem komunikacji wzajemnej tworzących go komórek i ośrodkiem zapewniającym stałe warunki. Poprzez swoją obfitość i właściwości fizyczne zapewnia komórkom ochronę przed zmiennymi warunkami fizycznymi otoczenia, promieniowaniem UV, wahaniami temperatury i pH oraz wysoką koncentracją szkodliwych substancji.

 

Na granicy faz

 

Biofilmy tworzą się na każdej powierzchni, która stanowi granicę faz, niezależnie od jej rodzaju: na powierzchniach stałych otoczonych powietrzem lub zanurzonych w wodzie, na wierzchniej warstwie płynów lub na styku dwóch różnych płynów. Przy czym nie ma znaczenia, z jakich substancji zbudowana jest ta powierzchnia.

 

Biofilm to zorganizowana trójwymiarowa struktura tworzona przez mikroorganizmy zanurzone we wspólnie budowanej macierzyDlatego biofilmy spotykane są wszędzie, zarówno w środowiskach naturalnych, jak i tych przekształconych przez człowieka. Można je zaobserwować na powierzchni skał, w osadach dennych zbiorników wodnych, na kamieniach strumieni, na ścianach budowli, na powierzchni roślin i w glebach. W zlewie i na kafelkach łazienki, a także na powierzchni produktów spożywczych w lodówce. Rozwijają się na każdej głębokości oceanów i w każdej temperaturze. Równie często na arktycznych skałach, co w gorących źródłach. Zasiedlają także ciała zwierząt i człowieka.

 

Chociaż występują w bardzo różnorodnych środowiskach, zazwyczaj przybierają podobne formy: w ośrodkach dynamicznych (szybko płynących) tworzą płaskie powierzchnie zbudowane z długich filamentów (tzw. maty), w ośrodkach spokojnych zaś galaretowate, nieregularne kształty przypominające śluzowate grzyby.

 

Ilość w jakość

 

Rozwój biofilmu jest procesem złożonym, zależnym zarówno od właściwości organizmów, jak i od czynników środowiska, w którym powstaje. Zawsze jednak zapoczątkowany jest przez przytwierdzanie się pojedynczych komórek do podłoża i zmianę ich właściwości. Unieruchomione komórki tracą wici, zmniejszają tempo wzrostu, wydzielają substancje polimeryczne i zmieniają regulację niektórych genów. Przy odpowiednio dużej liczbie komórek następuje zjawisko wyczuwania liczebności, znane jako quorum sensing. Zgromadzone bakterie wydzielają specyficzne substancje sygnałowe (m.in. acylowe pochodne laktonów lub krótkie peptydy), które wędrują w macierzy i oddziałują na dalej położone komórki.

 

W strukturze biofilmu można wyróżnić wolne przestrzenie, kanały, rusztowania i miejsca o większej gęstości macierzy. Komórki organizmów mogą być w niej rozproszone lub skupione w mikrokoloniach. Zróżnicowaniu przestrzennemu towarzyszy zróżnicowanie fizjologiczne. Stężenie różnych związków chemicznych w biofilmie zmienia się w zależności od oddalenia od powierzchni oraz od rodzaju mikropopulacji organizmów w danym miejscu. Pomiędzy komórkami współistniejącymi w jednym biofilmie zachodzą zarówno zjawiska konkurencji o składniki pokarmowe czy korzystniejsze umiejscowienie, jak i kooperacji w przetwarzaniu składników środowiska.

 

Biofilm jest skomplikowaną, dynamiczną strukturą, którą można uznać za wysublimowaną strategię przetrwania, w której pojedyncze komórki funkcjonują jak wielokomórkowy, żyjący społecznie makroorganizm. Jest to układ bardzo zmienny, a jednocześnie trwały. W niesprzyjających warunkach organizmy w biofilmie, chronione macierzą, pozostają nieaktywne i tym samym niewrażliwe na większość środków chemicznych.

 

Biofilmy mogą być jedno-, dwu- lub wielogatunkowe. Najczęściej tworzone są przez bakterie i archeony, ale spotyka się również biofilmy grzybów i glonów (słynne letnie zakwity wód).

 

Biofilmy, zwłaszcza jednogatunkowe, można hodować sztucznie, zapewniając mikroorganizmom powierzchnię, wilgotność oraz odpowiednie, niezbyt bogate podłoże.

 

Nie lada wyzwanie

 

Wyjątkową formą biofilmu jest tzw. osad granularny, czyli granule (inaczej kłaczki; ang. flocks), mikroskopijne ziarenka bardzo ciasno upakowane w obłe struktury, w których ściśle przylegające do siebie komórki drobnoustrojów powleczone są cienką warstwą macierzy. W odróżnieniu od innych biofilmów granule nie są przytwierdzone do podłoża, lecz utrzymują się w większych skupieniach siłami wzajemnego przylegania. Bliskość fizyczna komórek różnych gatunków bakterii i archeonów w granulach (odpowiednio dawców i biorców elektronów) umożliwia najwyższą znaną w przyrodzie wydajność procesów energetycznych. Granule powstają w środowiskach płynnych, lecz spokojnych, najczęściej beztlenowych. Są szeroko wykorzystywane w procesach oczyszczania biologicznego.

 

 Komórki mikroorganizmów mogą być w macierzy rozproszone lub skupione w mikrokoloniach. Zdjęcie pochodzi z mikroskopu optycznego. Fot. Małgorzata GóreckaW sprzyjających warunkach wzrost biofilmu może być niezwykle obfity. Często groźny. Tak dzieje się chociażby wtedy, gdy biofilm rozrasta się wewnątrz rur, powodując ich zapychanie, czy na zewnątrz konstrukcji metalowych, doprowadzając do korozji. Naprawdę groźne stają się, zasiedlając ciało człowieka. Spotykane na powierzchni zębów jako płytka nazębna, zasiedlające rany, cewniki, implanty stanowią trudne wyzwanie dla współczesnej medycyny. Właściwości fizyczne macierzy i niska aktywność metaboliczna komórek w biofilmach powodują, że są one odporne na stosowane antybiotyki, mimo że pojedyncze komórki patogena są na nie wrażliwe.

 

W środowisku naturalnym jednogatunkowe biofilmy spotyka się rzadko, zazwyczaj w warunkach ekstremalnych, np. na powierzchniach kwaśnych wód kopalnianych (często o pH poniżej 2) Acidithiobacillus tworzy grube maty. Również drobnoustroje patogenne często rozwijają się w postaci biofilmów monogatunkowych. Znanym przykładem są infekcje Candida albicans, Pseudomonas aeruginosa i Burkholderia cepacia.

 

W jedności siła

 

Badanie wielogatunkowych biofilmów stanowi ogromne wyzwanie. Wzajemne zależności pomiędzy osobnikami wytworzone w długim czasie nie pozwalają na proste przeniesienie ich relacji do warunków laboratoryjnych. Przyjmuje się, że z bogatych środowisk daje się hodować nie więcej niż 1% gatunków. Bardzo często przyczyną tego są właśnie ścisłe powiązania metaboliczne pomiędzy różnymi gatunkami bytującymi we wspólnej strukturze biofilmu.

 

W nieczynnej kopalni złota i arsenu Złoty Stok panują stałe warunki środowiska: temperatura ok. 10°C, prawie 100-procentowa wilgotność i ciemność. Istotną cechą kopalni jest niska zawartość związków organicznych oraz obecność wielu toksycznych związków (kadm, ołów, radon, siarkowodór, arsenowodór), a szczególnie bardzo wysokiego stężenia jonów arsenu (6,99 mg/l). W takich warunkach życie pojedynczych organizmów jest bardzo utrudnione.

 

W najdalszej części korytarza „Gertruda”, zalanej wodą i niedostępnej dla turystów, rozwija się na ścianach kopalni nietypowy biofilm. W gąbczastej, śluzowatej strukturze rozlokowane są skupiska różnych morfologicznie bakterii. Macierz tego biofilmu zawiera dużą ilość krzemionki i śladowe ilości związków organicznych. Taki skład macierzy sugeruje obecność w biofilmie mikroorganizmów chemolitotroficznych zdolnych do przeprowadzania reakcji metabolicznych, w których energia potrzebna do życia zdobywana jest ze związków nieorganicznych.

 

Mikroby w jaskini

 

Prowadzimy pogłębioną analizę różnorodności mikroorganizmów tworzących ten biofilm, stosując zarówno metody hodowlane jak i metagenomiczne. Metagenomika, stanowiąca część biologii systemów, dostarcza informacji o organizmach poprzez analizę wszystkich genomów danego środowiska.

 

Wyhodowaliśmy z biofilmu ponad 70 różnych gatunków bakterii. Aż 45 spośród nich to promieniowce (Actinobacteria), bakterie znane z dużego potencjału metabolicznego, liczne w środowiskach ubogich i glebach.

 

Równolegle przeprowadziliśmy analizę sekwencji genów 16S rRNA (marker taksonomiczny) otrzymanych z całkowitego DNA biofilmu poprzez pyrosekwencjonowanie za pomocą nowoczesnej technologii 454 Roche’a. Dzięki temu podejściu mogliśmy wykazać, że w biofilmie bytuje co najmniej 500 różnych gatunków Bacteria i ok. 20 gatunków Archea. Dominującą grupą mikroorganizmów biofilmu stanowią Rhizobiales z klasy α-Proteobacteria, typowe bakterie środowisk ziemnych. Wydaje się więc, że biofilm na ścianach kopalni powstał pierwotnie w wyniku przytwierdzenia do powierzchni skał bakterii przyniesionych z okolicznej ziemi przez przesączającą się wodę. Do tych organizmów, zdolnych do odżywiania chemolitoautotroficznego, dołączyły następnie pozostałe gatunki, w tym przyniesione przez ludzi pracujących w kopalni.

 

Nieczynna kopalnia złota i arsenu w Złotym Stoku na Dolnym Śląsku jest dziś obiektem turystycznym. Żyjące tam mikroorganizmy tworzą nietypowy biofilm. Na zdjęciu skała pokryta biofilmem. Fot. Łukasz DrewniakSprawdziliśmy, również metagenomicznie, że w biofilmie są bakterie posiadające funkcjonalne geny metabolizmu arsenu: reduktazy arsenianowej i oksydazy arseninowej.

 

We współpracy z Pracownią Analizy Skażeń Uniwersytetu Warszawskiego pokazaliśmy, że bakterie biofilmu wydzielają dużo sideroforów (związków chelatujących), co może świadczyć o ich udziale w procesach uwalniania jonów żelaza i arsenu z nierozpuszczalnych związków w skale.

 

Wytworzenie biofilmu umożliwiło wspólny wzrost wielu różnym organizmom na skale kopalni Złoty Stok, a ich współdziałanie zapewne przyczynia się do zwiększenia uwalniania jonów arsenu do środowiska.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Hall-Stoodley I., Costerton J.W., Stoodley P. (2004) Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews Microbiology, 2, 95-108.


© Academia nr 1 (25) 2011

 

 

Oceń artykuł
(1 głosujący)

Nie przeocz

Tematy

agrofizyka antropologia jedzenia antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finanse finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa inżynieria żywności język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kooperatyzm kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleogeografia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl