بیوفیلم باکتریها چیست؟

بیوفیلم‌ها مجموعه‌ای از یک یا چند نوع میکروارگانیسم هستند که می‌توانند بر روی سطوح مختلف رشد کنند. میکروارگانیسم‌هایی که بیوفیلم را تشکیل می‌دهند شامل باکتری‌ها، قارچ‌ها و پروتیست‌ها یا آغازیان هستند.

یکی از مثال‌های آن پلاک‌های دندانی هستند. تجمع باکتری‌هایی که روی سطوح دندان‌ها بصورت لزج تجمع میابند پلاک را تشکیل می‌دهند. لجن روی برکه نمونه دیگری است. بیوفیلم‌ها روی مواد معدنی و فلزات رشد می‌کنند. آن‌ها در زیر آب، زیر زمین و روی زمین یافت می‌شوند.

آن‌ها می‌توانند روی بافت‌های گیاهی و جانوری و بر روی وسایل پزشکی مانند کاتترها و ضربان‌سازها رشد کنند. هر یک از این سطوح متمایز یک ویژگی مشخص مشترک دارند: مرطوب هستند. طبق مقاله‌ای که در سال 2007 در مجله Microbe منتشر شد، این محیط‌ها “به صورت دوره‌ای یا پیوسته خیس می‌شوند.” بیوفیلم‌ها روی سطوح مرطوب رشد می‌کنند.

بیوفیلم‌ها برای مدت بسیار طولانی خود را در چنین محیط‌هایی تثبیت کرده‌اند. بر اساس مقاله‌ای که در سال 2004 در مجله Nature Reviews Microbiology منتشر شد، شواهد فسیلی بیوفیلم‌ها به حدود 3.25 میلیارد سال پیش برمی‌گردد. برای مثال، بیوفیلم‌هایی در سنگ‌های هیدروترمال 3.2 میلیارد ساله اعماق دریای پیلبارا کراتون در استرالیا یافت شده است. موارد مشابهی در محیط‌های گرمابی مانند چشمه‌های آب گرم و دریچه‌های اعماق دریا یافت می‌شوند.

تشکیل

تشکیل آن‌ها زمانی شروع می‌شود که میکروارگانیسم‌های شناور آزاد مانند باکتری‌ها با یک سطح مناسب تماس پیدا می‌کنند و به اصطلاح شروع به ریشه انداختن می‌کنند. به گفته مرکز مهندسی بیوفیلم در دانشگاه ایالتی مونتانا، اولین مرحله اتصال، زمانی اتفاق می‌افتد که میکروارگانیسم‌ها ماده‌ای رنگی که پلیمر خارج سلولی (EPS) است، تولید کنند. EPS شبکه‌ای از قندها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک (مانند DNA) است.

این ماده میکروارگانیسم‌های موجود در بیوفیلم را قادر می‌سازد تا به هم بچسبند. این اتصال یک دوره رشد را به دنبال دارد. لایه‌های بیشتری از میکروارگانیسم‌ها و EPS بر روی لایه‌های اول ساخته می‌شوند. به گفته این مرکز، نهایتا، آن‌ها یک ساختار سه بعدی پیازی و پیچیده ایجاد می‌کنند. بر اساس این مقاله در Microbe، کانال‌های آبی، بیوفیلم‌ها را متقاطع می‌کنند و امکان تبادل مواد مغذی و مواد زائد را فراهم می‌کنند.

شرایط محیطی متعدد میزان رشد یک بیوفیلم را تعیین می‌کند. این عوامل همچنین تعیین می‌کنند که آیا فقط از چند لایه سلول ساخته شده است یا به طور قابل توجهی بیشتر. Robin Gerlach، استاد بخش مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه ایالتی مونتانا-بوزمن می‌گوید: «این واقعاً به خود بیوفیلم بستگی دارد.

به عنوان مثال، میکروارگانیسم‌هایی که مقدار زیادی EPS تولید می‌کنند، حتی اگر به مواد مغذی زیادی دسترسی نداشته باشند، می‌توانند به بیوفیلم‌های نسبتاً ضخیم تبدیل شوند. از سوی دیگر، برای میکروارگانیسم‌هایی که هوازی هستند، مقدار موجود اکسیژن می‌تواند میزان رشد آن‌ها را تعیین کند. یکی دیگر از عوامل محیطی مفهوم «شکاف خوردگی تنشی» است.

جریان [آب] در یک بیوفیلم بسیار بالاست، مانند یک نهر، بیوفیلم معمولاً نسبتاً نازک است. Gerlach توضیح داد: اگر یک بیوفیلم در آب با جریان آهسته، مانند حوضچه، داشته باشید، ممکن است بسیار ضخیم شود. سلول‌های منفرد از بیوفیلم بیرون می‌آیند و به دنبال خانه جدیدی می‌گردند.

طبق گفته مرکز مهندسی بیوفیلم، این فرآیند دوم به عنوان “پراکندگی بذر” شناخته می‌شود. برای میکروارگانیسم‌ها، زندگی در قالب بخشی از یک بیوفیلم مزایای خاصی دارد. Gerlach به Live Science گفت: «اجتماعی از میکروب‌ها معمولاً در برابر استرس مقاوم‌تر هستند.» عوامل استرس‌زای بالقوه شامل کمبود آب، pH بالا یا پایین، یا وجود مواد سمی برای میکروارگانیسم‌ها مانند آنتی‌بیوتیک‌ها، ضد میکروب‌ها یا فلزات سنگین هستند.

عوامل احتمالی زیادی برای مقاومت بیوفیلم‌ها وجود دارد. به‌عنوان مثال، پوشش لزج EPS می‌تواند به‌عنوان یک مانع محافظ عمل کند. این می‌تواند به جلوگیری از کم آبی پیکر آن‌ها کمک کند یا به عنوان یک سپر در برابر اشعه ماوراء بنفش (UV) عمل کند. همچنین، مواد مضر مانند ضد میکروب‌ها، سفیدکننده‌ها یا فلزات در تماس با EPS، یا چسبیده می‌شوند و یا خنثی. بنابراین، طبق مقاله‌ای در سال 2004 در Nature Reviews Microbiology، آن‌ها قبل از رسیدن به سلول‌های مختلف در اعماق بیوفیلم به غلظت‌هایی رقیق می‌شوند که کشنده نیستند.

با این حال، ممکن است آنتی بیوتیک‌های خاصی به EPS نفوذ کنند و راه خود را از طریق لایه‌های بیوفیلم باز کنند. در اینجا، مکانیسم محافظتی دیگری می‌تواند وارد عمل شود: وجود باکتری‌هایی که از نظر فیزیولوژیکی خفته هستند. برای اینکه همه آنتی بیوتیک‌ها خوب عمل کنند، نیاز به سطحی از فعالیت سلولی دارند. بنابراین، اگر باکتری‌ها از نظر فیزیولوژیکی در ابتدا خفته باشند، آنتی‌بیوتیک‌ها نمی‌توانند مختل وخنثی شوند.

همچنین بخوانید:

• انواع باکتری
• آرکی‌باکتری

یکی دیگر از روش‌های محافظت در برابر آنتی بیوتیک‌ها، وجود سلول‌های باکتریایی ویژه‌ای است که به نام «persisters» شناخته می‌شوند. چنین باکتری‌هایی تقسیم نمی‌شوند و به بسیاری از آنتی بیوتیک‌ها مقاوم هستند. بر اساس مقاله‌ای که در سال 2010 در مجله Cold Spring Harbor Perspectives in Biology منتشر شد، “پاک کننده‌ها” با تولید موادی طوری عمل می‌کنند که اهداف آنتی بیوتیک‌ها را مسدود می‌کنند.

به طور کلی، میکروارگانیسم‌هایی که به‌عنوان یک بیوفیلم با هم زندگی می‌کنند از حضور اعضای مختلف این اجتماع سود می‌برند. Gerlach، میکروارگانیسم‌های اتوتروف و هتروتروف که با هم در بیوفیلم‌ها زندگی می‌کنند، بعنوان یک مثال اشاره کرد. اتوتروف‌ها، مانند باکتری‌های فتوسنتزی یا جلبک‌ها، می‌توانند غذای خود را به شکل مواد آلی (حاوی کربن) تولید کنند، در حالی که هتروتروف‌ها نمی‌توانند غذای خود را تولید کنند و به منابع خارجی کربن نیاز دارند. او گفت: 《در این جوامع چند ارگانیسمی، آن‌ها اغلب بصورت متقابل تغذیه می‌کنند.》

بیوفیلم‌ها و ما

با توجه به طیف وسیعی از محیط‌هایی که در آن با بیوفیلم‌ها مواجه می‌شویم، جای تعجب نیست که آن‌ها بر بسیاری از جنبه‌های زندگی انسان تأثیر بگذارند. در زیر چند نمونه از آن‌ها آورده شده است.

با توجه به پیشرفت تحقیقات و دانش در طول سال‌ها، بیوفیلم‌ها – باکتریایی و قارچی – در انواع شرایط سلامت نقش دارند. در فراخوانی در سال 2002، مؤسسه ملی بهداشت (NIH)، اشاره کرد که بیوفیلم‌ها “بیش از 80 درصد از عفونت‌های میکروبی در بدن” را تشکیل می‌دهند.

بیوفیلم‌ها می‌توانند روی وسایل پزشکی خاص مانند دریچه‌های مصنوعی قلب، پروتزهای مفصلی، کاتترها و ضربان‌سازها رشد کنند. این به نوبه خود منجر به عفونت می‌شود. این پدیده اولین بار در دهه 1980 زمانی که بیوفیلم‌های باکتریایی روی کاتترها و ضربان‌سازهای داخل وریدی یافت شد، مورد توجه قرار گرفت. با توجه به مقاله 2004 در Nature Reviews Microbiology، در میان سایر عفونت‌ها، بیوفیلم‌های باکتریایی باعث ایجاد اندوکاردیت عفونی و پنومونی در مبتلایان به فیبروزکیستیک می‌شوند.

A.C. Matin، پروفسور میکروبیولوژی و ایمونولوژی در استنفورد گفت: «دلیل اینکه تشکیل بیوفیلم باعث نگرانی بزرگی شده است این است که درون یک بیوفیلم، باکتری‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها و ضدعفونی‌کننده‌های دیگر که می‌توانید برای کنترل آن‌ها استفاده کنید، مقاوم‌تر هستند».

در واقع، در مقایسه با باکتری‌های شناور آزاد، باکتری‌هایی که به‌عنوان یک بیوفیلم رشد می‌کنند می‌توانند تا 1500 برابر، در مقابل آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر عوامل بیولوژیکی و شیمیایی مقاوم‌تر باشند.

Matin، مقاومت بیوفیلم‌های باکتریایی مقاوم به آنتی بیوتیک را به عنوان یک “ضرر مضاعف” و یک چالش بزرگ برای درمان عفونت‌ها توصیف کرد.

بیوفیلم‌های قارچی نیز می‌توانند با رشد روی دستگاه‌های جایگیری شده در بدن انسان، باعث عفونت شوند. طبق مقاله‌ای که در سال 2014 در مجله Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine منتشر شد، گونه‌های مخمر مانند اعضای جنس کاندیدا روی ایمپلنت‌های سینه، ضربان‌سازها و دریچه‌های مصنوعی قلب رشد می‌کنند.

گونه‌های کاندیدا روی بافت‌های بدن انسان نیز رشد می‌کنند و منجر به بیماری‌هایی مانند واژینیت (التهاب واژن) و کاندیدیاز اوروفارنکس (عفونت مخمری که در دهان یا گلو ایجاد می‌شود) می‌شوند. با این حال، محققان خاطرنشان می‌کنند که مقاومت دارویی در این موارد نشان داده نشده است.

• زیست پالایی (پاکسازی زیستی)

گاهی اوقات، بیوفیلم‌ها مفید هستند. Gerlach اظهار کرد: “زیست پالایی، به طور کلی، استفاده از موجودات زنده یا محصولات آن‌ها – به‌عنوان مثال، آنزیم‌ها – برای درمان یا تخریب ترکیبات مضر است.” وی خاطرنشان کرد: از بیوفیلم‌ها در تصفیه فاضلاب، آلاینده‌های فلزات سنگین مانند کرومات، مواد منفجره مانند TNT و مواد رادیواکتیو مانند اورانیوم استفاده می‌شود. او گفت: «میکروب‌ها می‌توانند آن‌ها را تخریب کنند، یا تحرک یا حالت سمی آن‌ها را تغییر دهند و در نتیجه ضرر آن‌ها را برای محیط‌زیست و انسان کمتر کنند.»

نیتریفیکاسیون با استفاده از بیوفیلم یکی از انواع تصفیه فاضلاب است. در طی نیتریفیکاسیون، آمونیاک از طریق اکسیداسیون به نیتریت‌ و نیترات‌ تبدیل می‌شود. طبق مقاله‌ای که در سال 2013 در ژورنال Water Research منتشر شد، این کار را می‌توان توسط باکتری‌های اتوتروف انجام داد که به صورت بیوفیلم روی سطوح پلاستیکی رشد می‌کنند. این سطوح پلاستیکی فقط چند سانتی متر اندازه دارند و در سراسر آب پخش می‌شوند.

ماده منفجره TNT (2،4،6-Trinitrotoluene) به‌عنوان یکی از آلاینده خاک، آب‌های سطحی و آب‌های زیرزمینی در نظر گرفته می‌شود. ساختار شیمیایی TNT از بنزن (حلقه معطر شش ضلعی ساخته شده از شش اتم کربن) تشکیل شده است که به سه گروه نیترو (NO2) و یک گروه متیل (CH3) متصل است.

بر اساس مقاله‌ای که در سال 2007 در مجله Applied and Environmental Microbiology منتشر شد، میکروارگانیسم‌ها TNT را با فرایند کاهش، تجزیه می‌کنند. اکثر میکروارگانیسم‌ها سه گروه نیترو را کاهش می‌دهند، در حالی که برخی به حلقه معطر حمله می‌کنند.

محققان – Ayrat Ziganshin، Robin Gerlach و همکاران – دریافتند که سویه مخمر Yarrowia lipolytica می‌تواند TNT را با هر دو روش تجزیه کند، البته در درجه اول با حمله به حلقه معطر این کار را می‌کند.

• سلول های سوختی میکروبی

سلول‌های سوختی میکروبی از باکتری‌ها برای تبدیل زباله‌های آلی به الکتریسیته استفاده می‌کنند. Gerlach می‌گوید: میکروب‌ها روی سطح یک الکترود زندگی می‌کنند و الکترون‌ها را به آن منتقل می‌کنند و در نهایت جریانی ایجاد می‌کنند. مقاله‌ای که در سال 2011 در مجله اینترنتی دانشگاه کالیفرنیای جنوبی منتشر شد، اشاره می‌کند که باکتری‌هایی که سلول‌های سوختی میکروبی را تامین می‌کنند غذا و مواد زائد بدن را تجزیه می‌کنند. این یک منبع انرژی کم هزینه و انرژی پایدار پاک را فراهم می‌کند.

تحقیقات در حال انجام

دنیای ما مملو از بیوفیلم‌هاست. در حقیقت، طبق مقاله سال 2004 در Nature Reviews Microbiology، در اواسط قرن بیستم، باکتری‌های بیشتری در سطوح داخلی ظروف حاوی کشت باکتری‌ها نسبت به شناور شدن آزادانه در خود محیط کشت مایع یافت شدند. درک این ساختارهای میکروبی پیچیده یک حوزه فعال تحقیقاتی است.

Gerlach گفت: “بیوفیلم‌ها جوامع شگفت‌انگیزی هستند. برخی از افراد، آن‌ها را با موجودات چند سلولی مقایسه می‌کنند زیرا تعامل زیادی بین سلول‌های منفرد وجود دارد.” ما به یادگیری و تحقیق در مورد آن‌ها، و به یادگیری نحوه کنترل بهتر آن‌ها ادامه می‌دهیم؛ هم برای کاهش مضرات، مانند زمینه پزشکی، و هم برای افزایش سود مانند درمان‌های زیستی. سوالات جالبی در آن زمینه است.”

منبع

از صفحات زیر دیدن فرمایید:

خدمات بررسی و مطالعه بیوفیلم باکتریایی

دوره کارآموزی میکروبیولوژی

خدمات آزمایشگاه میکروبیولوژی ژنیران

آزمایشگاه میکروبیولوژی ژنیران

مترجم: شقایق مرتاضی