BIOFILMS: KENMERKEN, VORMING, TYPEN EN VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2026

De biofilms of biofilms zijn gemeenschappen van micro-organismen die aan een oppervlak vastzitten en leven in een matrix van zelf - gegenereerde extracellulaire polymere stoffen. Ze werden aanvankelijk beschreven door Antoine von Leeuwenhoek, toen hij de "animalcules" (zo naar hem genoemd) onderzocht op een plaat met materiaal van zijn eigen tanden in de 17e eeuw.

De theorie die biofilms conceptualiseert en hun vormingsproces beschrijft, was pas in 1978 ontwikkeld. Er werd ontdekt dat het vermogen van micro-organismen om biofilms te vormen universeel lijkt te zijn.

Figuur 1. Biofilm geproduceerd door Staphylococcus aureus in een katheter. Bron: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via https://commons.wikimedia.org

Biofilms kunnen voorkomen in omgevingen die zo gevarieerd zijn als natuurlijke systemen, aquaducten, wateropslagtanks, industriële systemen, maar ook in een breed scala aan media, zoals medische apparaten en apparaten voor ziekenhuispatiënten (zoals katheters, bijvoorbeeld).

Door het gebruik van rasterelektronenmicroscopie en confocale scanninglasermicroscopie werd ontdekt dat biofilms geen homogene, ongestructureerde afzettingen van cellen en geaccumuleerd slib zijn, maar eerder complexe heterogene structuren.

Biofilms zijn complexe gemeenschappen van geassocieerde cellen op een oppervlak, ingebed in een sterk gehydrateerde polymere matrix waarvan het water door open kanalen in de structuur circuleert.

Veel organismen die erin zijn geslaagd miljoenen jaren in het milieu te overleven, bijvoorbeeld soorten van de geslachten Pseudomonas en Legionella, gebruiken de biofilmstrategie in andere omgevingen dan hun oorspronkelijke omgeving.

Kenmerken van biofilms

Chemische en fysische kenmerken van de biofilmmatrix

-De polymere extracellulaire stoffen die worden uitgescheiden door biofilmmicro-organismen, polysaccharidemacromoleculen, eiwitten, nucleïnezuren, lipiden en andere biopolymeren, meestal sterk hydrofiele moleculen, kruisen elkaar om een ​​driedimensionale structuur te vormen die de biofilmmatrix wordt genoemd.

-De structuur van de matrix is ​​zeer visco-elastisch, heeft rubberen eigenschappen, is bestand tegen tractie en mechanische afbraak.

-De matrix heeft het vermogen om te hechten aan interface-oppervlakken, inclusief interne ruimtes van poreuze media, door middel van extracellulaire polysacchariden die fungeren als hechtend tandvlees.

-De polymere matrix is ​​overwegend anionisch en bevat ook anorganische stoffen zoals metaalkationen.

-Het heeft waterkanalen waardoor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen circuleren die kunnen worden gerecycled.

-Deze matrix van de biofilm werkt als een middel om te beschermen en te overleven tegen ongunstige omgevingen, een barrière tegen fagocytische indringers en tegen het binnendringen en verspreiden van desinfecterende middelen en antibiotica.

Ecofysiologische kenmerken van biofilms

-De vorming van de matrix in niet-homogene gradiënten, produceert een verscheidenheid aan microhabitats, waardoor er biodiversiteit kan bestaan ​​binnen de biofilm.

-Binnen de matrix is ​​de cellulaire levensvorm radicaal anders dan het vrije leven, niet geassocieerd. Biofilm-micro-organismen zijn geïmmobiliseerd, zeer dicht bij elkaar, geassocieerd in kolonies; dit feit laat intense interacties toe.

-De interacties tussen de micro-organismen in de biofilm omvatten communicatie via chemische signalen in een code die "quorum sensing" wordt genoemd.

-Er zijn andere belangrijke interacties zoals genoverdracht en de vorming van synergetische microconsortia.

-Het fenotype van de biofilm kan worden beschreven in termen van de genen die tot expressie worden gebracht door de bijbehorende cellen. Dit fenotype is veranderd met betrekking tot groeisnelheid en gentranscriptie.

-De organismen in de biofilm kunnen genen transcriberen die hun planktonische of vrije levensvormen niet transcriberen.

-Het biofilmvormingsproces wordt gereguleerd door specifieke genen, getranscribeerd tijdens de initiële celadhesie.

-In de besloten ruimte van de matrix zijn er mechanismen van samenwerking en competitie. Competitie genereert een constante aanpassing in biologische populaties.

-Er wordt een collectief extern spijsverteringssysteem gegenereerd dat de extracellulaire enzymen in de buurt van de cellen vasthoudt.

-Dit enzymatische systeem maakt het mogelijk om opgeloste, colloïdale en / of gesuspendeerde voedingsstoffen te sekwestreren, accumuleren en metaboliseren.

-De matrix functioneert als een gemeenschappelijke externe recyclingruimte, opslag van de componenten van gelyseerde cellen, en dient ook als een collectief genetisch archief.

-De biofilm functioneert als een beschermende structurele barrière tegen omgevingsveranderingen zoals uitdroging, de werking van biociden, antibiotica, immuunresponsen van de gastheer, oxidatiemiddelen, metaalkationen, ultraviolette straling en is ook een verdediging tegen vele roofdieren zoals fagocytische protozoa en insecten.

-De matrix van de biofilm vormt een unieke ecologische omgeving voor micro-organismen, die een dynamische manier van leven mogelijk maakt voor de biologische gemeenschap. Biofilms zijn echte micro-ecosystemen.

Biofilmvorming

Biofilmvorming is een proces waarbij micro-organismen van een vrijlevende, eencellige, nomadische toestand naar een meercellige sedentaire toestand gaan, waar daaropvolgende groei gestructureerde gemeenschappen met celdifferentiatie voortbrengt.

Biofilmontwikkeling vindt plaats als reactie op extracellulaire omgevingssignalen en zelf gegenereerde signalen.

Onderzoekers die biofilms hebben bestudeerd, zijn het erover eens dat het mogelijk is om een ​​gegeneraliseerd hypothetisch model te construeren om hun vorming te verklaren.

Dit model van biofilmvorming bestaat uit 5 fasen:

1. Eerste hechting op het oppervlak.
2. Vorming van een monolaag.
3. Migratie om meerlagige microkolonies te vormen.
4. Productie van de polymere extracellulaire matrix.
5. Rijping van de driedimensionale biofilm.

Figuur 2. Proces van vorming van een biofilm. Bron: D. Davis, via Wikimedia Commons

Eerste hechting op het oppervlak

De vorming van de biofilm begint met de initiële adhesie van micro-organismen aan het vaste oppervlak, waar ze worden geïmmobiliseerd. Er is ontdekt dat micro-organismen oppervlaktesensoren hebben en dat oppervlakte-eiwitten betrokken zijn bij de vorming van de matrix.

Bij niet-mobiele organismen, wanneer de omgevingsomstandigheden gunstig zijn, neemt de productie van adhesinen op hun externe oppervlak toe. Op deze manier verhoogt het zijn celcel- en celoppervlakadhesiecapaciteit.

In het geval van mobiele soorten bevinden individuele micro-organismen zich op een oppervlak en dit is het startpunt voor een radicale verandering in hun manier van leven van nomadisch, sedentair, bijna zittend vrij mobiel.

Het vermogen om te bewegen gaat daarom verloren bij de vorming van de matrix, verschillende structuren zoals flagella, cilia, pilus en fimbria nemen deel, naast adhesieve stoffen.

Vervolgens worden in beide gevallen (mobiele en niet-mobiele micro-organismen) kleine aggregaten of microkolonies gevormd en wordt een intenser cel-celcontact gegenereerd; adaptieve fenotypische veranderingen in de nieuwe omgeving treden op in geclusterde cellen.

Vorming van een monolaag en microkolonies in meerlagen

De productie van extracellulaire polymere stoffen begint, de initiële vorming in monolaag vindt plaats en de daaropvolgende ontwikkeling in meerlagige.

Productie van de polymere extracellulaire matrix en rijping van de driedimensionale biofilm

Ten slotte bereikt de biofilm zijn volwassenheidsfase, met een driedimensionale architectuur en de aanwezigheid van kanalen waardoor water, voedingsstoffen, communicatiechemicaliën en nucleïnezuren circuleren.

De biofilmmatrix houdt cellen vast en houdt ze bij elkaar, wat een hoge mate van interactie met intercellulaire communicatie en de vorming van synergetische consortia bevordert. De cellen van de biofilm zijn niet volledig geïmmobiliseerd, ze kunnen erin bewegen en ook losraken.

Soorten biofilms

Aantal soorten

Afhankelijk van het aantal soorten dat aan de biofilm deelneemt, kan de laatste worden ingedeeld in:

• Biofilms van een soort. Bijvoorbeeld biofilms gevormd door Streptococcus mutans of Vellionela parvula.
• Biofilms van twee soorten. Zo is bijvoorbeeld ook de associatie van Streptococcus mutans en Vellionella parvula in biofilms ontdekt.
• Polymicrobiële biofilms, bestaande uit vele soorten . Bijvoorbeeld tandplak.

Trainingsomgeving

Ook afhankelijk van de omgeving waarin ze worden gevormd, kunnen biofilms zijn:

• Natuurlijk
• Industrieel
• Huiselijk
• Gastvrij

Figuur 3. Biofilms van thermofiele bacteriën in Mickey Hot Springs, Oregon, VS. Bron: Amateria1121, van Wikimedia Commons

Type interface waar ze worden gegenereerd

Aan de andere kant is het, afhankelijk van het type interface waarin ze zijn gevormd, mogelijk om ze te classificeren in:

• Biofilms tussen vaste en vloeibare stoffen, zoals die gevormd zijn in aquaducten en tanks, leidingen en watertanks in het algemeen.
• Solid-gas interface biofilms (SAB voor zijn acroniem in het Engels Sub Aereal Biofilms); dit zijn microbiële gemeenschappen die zich ontwikkelen op vaste minerale oppervlakken, direct blootgesteld aan de atmosfeer en zonnestraling. Ze worden onder andere aangetroffen in gebouwen, kale woestijnrotsen, bergen.

Voorbeelden van biofilms

-Tandplak

Tandplak is bestudeerd als een interessant voorbeeld van een complexe gemeenschap die leeft in biofilms. De biofilms van tandplaten zijn hard en niet elastisch, vanwege de aanwezigheid van anorganische zouten, die de polymere matrix stijf maken.

De micro-organismen van tandplak zijn zeer gevarieerd en er zijn tussen de 200 en 300 geassocieerde soorten in biofilm.

Onder deze micro-organismen zijn:

• Het geslacht Streptococcus ; bestaat uit zure bacteriën die glazuur en dentine demineraliseren en cariës veroorzaken. Bijvoorbeeld de soort: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis en S. milleri.
• Het geslacht Lactobacillus , bestaande uit acidofiele bacteriën die dentine-eiwitten denatureren. Bijvoorbeeld de soort: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Het geslacht Actinomyces , dat zijn zure en proteolytische micro-organismen. Onder deze zijn de soorten: viscosus, A. odontoliticus en A. naeslundii.
• En andere geslachten , zoals: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis en Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilms in zwart water

Een ander interessant voorbeeld is huishoudelijk afvalwater, waar nitrificerende micro-organismen die ammonium, nitriet en autotrofe nitrificerende bacteriën oxideren, leven in biofilms die aan leidingen zijn bevestigd.

Onder de ammoniumoxiderende bacteriën van deze biofilms zijn de numeriek dominante soorten die van het geslacht Nitrosomonas, verspreid over de matrix van de biofilm.

De meeste componenten binnen de groep van nitrietoxidanten zijn die van het geslacht Nitrospira, die zich alleen in het interne deel van de biofilm bevinden.

- Subaerie biofilms

Subaerie biofilms worden gekenmerkt door fragmentarische groei op vaste minerale oppervlakken zoals rotsen en stedelijke gebouwen. Deze biofilms vertonen dominante associaties van schimmels, algen, cyanobacteriën, heterotrofe bacteriën, protozoa en microscopisch kleine dieren.

In het bijzonder bezitten SAB-biofilms chemolytotrofe micro-organismen die in staat zijn om anorganische minerale chemicaliën als energiebronnen te gebruiken.

Chemolithotrofe micro-organismen het vermogen om anorganische verbindingen zoals oxideren H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ en te profiteren van de electrische potentiële energie door oxidatie in hun stofwisseling.

Onder de microbiële soorten die aanwezig zijn in onderzeeër biofilms zijn:

• Bacteriën van het geslacht Geodermatophilus; cyanobacteriën van de geslachten C hrococcoccidiopsis, coccoïde en filamenteuze soorten zoals Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Groene algen van de geslachten Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia en Stichococcus.
• Heterotrofe bacteriën (dominant in subaeriële biofilms): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. en Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrofe bacteriën en schimmels zoals Actynomycetales (streptomyceten en Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria en Bacteroides-Cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilms van veroorzakers van ziekten bij de mens

Veel van de bacteriën die bekend staan ​​als veroorzakers van ziekten bij de mens, leven in biofilms. Onder deze zijn: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans en Legionella pneumophyla.

-Buizenpest

Van belang is de overdracht van builenpest door vlooienbeet, een relatief recente aanpassing van het bacteriële agens dat verantwoordelijk is voor deze ziekte, Yersinia pestis.

Deze bacterie groeit als een biofilm die zich vasthecht aan het bovenste spijsverteringssysteem van de vector (de vlo). Tijdens een beet braakt de vlo de biofilm met Yersinia pestis in de lederhuid uit, waardoor de infectie wordt geïnitieerd.

- Veneuze katheters in het ziekenhuis

Organismen die uit biofilm op geëxplanteerde centraal veneuze katheters zijn geïsoleerd, omvatten een verbazingwekkende reeks grampositieve en gramnegatieve bacteriën, evenals andere micro-organismen.

Verschillende wetenschappelijke studies rapporteren Gram-positieve bacteriën van biofilms in veneuze katheters: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. en Streptococcus pneumoniae.

Onder de Gram-negatieve bacteriën die uit deze biofilms zijn geïsoleerd, worden de volgende vermeld: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogenen, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. . en Serratia marcescens.

Andere organismen die in deze biofilms worden aangetroffen, zijn: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis en Mycobacterium chelonei.

-In de industrie

Wat betreft de werking van de industrie: biofilms veroorzaken verstoppingen in leidingen, schade aan apparatuur, storingen in processen zoals warmteoverdracht bij het bedekken van wisselaaroppervlakken of corrosie van metalen onderdelen.

Voedselindustrie

Filmvorming in de voedingsindustrie kan aanzienlijke problemen voor de volksgezondheid en operationele problemen veroorzaken.

Geassocieerde pathogenen in biofilms kunnen voedselproducten besmetten met pathogene bacteriën en ernstige volksgezondheidsproblemen veroorzaken voor consumenten.

Onder de biofilms van pathogenen die in verband worden gebracht met de voedingsindustrie zijn:

Listeria monocytogenes

Deze ziekteverwekker gebruikt in de beginfase van biofilmvorming flagella- en membraaneiwitten. Vormt biofilms op de stalen oppervlakken van snijmachines.

In de zuivelindustrie kunnen biofilms van Listeria monocytogenes worden geproduceerd in vloeibare melk en melkproducten. Zuivelresten in leidingen, tanks, containers en andere apparaten bevorderen de ontwikkeling van biofilms van deze ziekteverwekker die ze gebruikt als beschikbare voedingsstoffen.

Pseudomonas

Biofilms van deze bacteriën zijn te vinden in faciliteiten van de voedingsindustrie, zoals vloeren, afvoeren en op voedseloppervlakken zoals vlees, groenten en fruit, evenals zuurarme derivaten van melk.

Pseudomonas aeruginosa scheidt verschillende extracellulaire stoffen af ​​die worden gebruikt bij de vorming van de polymere matrix van de biofilm, die zich hechten aan een grote hoeveelheid anorganische materialen zoals roestvrij staal.

Pseudomonas kan samen met andere pathogene bacteriën zoals Salmonella en Listeria in de biofilm voorkomen.

Salmonella

Salmonella-soorten zijn de eerste veroorzaker van zoönosen van bacteriële etiologie en uitbraken van voedselvergiftiging.

Wetenschappelijke studies hebben aangetoond dat salmonella zich als biofilms kan hechten aan betonnen, stalen en plastic oppervlakken in voedselverwerkingsfabrieken.

Salmonella-soorten hebben oppervlaktestructuren met hechtende eigenschappen. Bovendien produceert het cellulose als een extracellulaire stof, het hoofdbestanddeel van de polymere matrix.

Escherichia coli

Het gebruikt flagella- en membraaneiwitten in de eerste stap van biofilmvorming. Het produceert ook extracellulaire cellulose om het driedimensionale raamwerk van de matrix in de biofilm te genereren.

Weerstand van biofilms tegen ontsmettingsmiddelen, germiciden en antibiotica

Biofilms bieden bescherming aan de micro-organismen waaruit ze bestaan, tegen de werking van ontsmettingsmiddelen, germiciden en antibiotica. De mechanismen die deze functie mogelijk maken, zijn de volgende:

• Vertraagde penetratie van het antimicrobiële middel door de driedimensionale matrix van de biofilm, vanwege de zeer langzame diffusie en de moeilijkheid om de effectieve concentratie te bereiken.
• Veranderde groeisnelheid en laag metabolisme van micro-organismen in de biofilm.
• Veranderingen in de fysiologische reacties van micro-organismen tijdens biofilmgroei, met veranderde resistentie-genexpressie.

Referenties

1. Bacteriële biofilms. (2008). Actuele onderwerpen in microbiologie en immunologie. Tony Romeo Editor. Deel 322. Berlijn, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM en Costerton, JW (2002). Biofilms: overlevingsmechanismen van klinisch relevante micro-organismen. Klinische microbiologie beoordelingen. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC en Wingender, F. (2010). De biofilmmatrix. Nature beoordelingen Microbiologie. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Leven op de rotsen. Milieumicrobiologie. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB en Kolter, R. (2000). Biofilmvorming als microbiële ontwikkeling. Jaaroverzicht van de microbiologie.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW en Stoodley, P. (2004). Bacteriële biofilms: van de natuurlijke omgeving tot infectieziekten. Nature beoordelingen Microbiologie. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. en Mattick, J. (2002). Extracellulair DNA vereist voor bacteriële biofilmvorming. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487