Formowanie Biofilmu: Jak Bakterie Budują Wspólnie Fortecę

Od swobodnych pływaczy do zabetonowanej koloni

Większość bakterii potrafi żyć w dwa bardzo różne style życia. Jako komórki planktonowe, swobodnie pływają, każda niezależna i bezpośrednio narażona na działanie antybiotyków, komórek odpornościowych lub niedobory składników odżywczych, jakie stawia im środowisko. Gdy stają się biofilmem, wiążą się z powierzchnią i ze sobą nawzajem, wydzielając samowytworzoną macierz, która przekształca luźną populację w coś bardziej zbliżonego do prymitywnego organizmu wielokomórkowego – a właśnie ten przełom, a nie pojedyncza mutacja, sprawia, że infekcje biofilmy i osadzenie przemysłowe są tak trudne do usunięcia.

Cztery etapy

Powstawanie biofilmu odbywa się zgodnie z szeroko utrwalonym sekwencją. Przyczepianie: komórki docierają do powierzchni (pasywnie, przez przepływ lub aktywnie, poprzez pływanie) i tworzą słaby, odwracalny kontakt za pomocą sił van der Waalsa i elektrostatycznych, który staje się nieodwracalny po zaangażowaniu adhezyjnych powierzchni (pili, fimbrii). Formowanie mikrokolonii: przyczepione komórki dzielą się i rekrutują sąsiadów, a zaczynają wydzielać składniki przeciwciał ekstracelularne (EPS) – macierz polisacharydów, białek i DNA ekstracelularnego. Dojrzałość: mikrokolonia stęża się w ustrukturyzowaną, często grzybowo kształtową architekturę z kanałami wodnymi przebiegającymi przez nią, które działają niemal jak prymitywna układanka krążeniowa, dostarczając składników odżywczych i usuwając odpady do komórek ukrytych głęboko wewnątrz. Rozpraszanie: w odpowiedzi na wewnętrzne sygnały (wyczerpanie pokarmu, zgromadzone odpady) lub bodźce zewnętrzne niektóre komórki wracają do stanu pływającego i odrywaja się, aby zasiewać nowe powierzchnie gdzie indziej, kończąc cykl.

Czujność zarodowa: liczenie sąsiadów chemicznie

Żaden z tego współdziałania nie wymaga centralnej kontroli, ponieważ bakterie współdziałają chemicznie dzięki czujności zarodowej. Każda komórka stale uwalnia małe, rozpuszczalne cząsteczki sygnałowe – autoindukatory: laweny z kwasu homoserinowego (AHL) u większości gatunków Gram-ujemnych, małe peptydy (autoindukujące peptydy, AIP) u większości gatunków Gram-dodatnich. W niskiej gęstości te cząsteczki rozpraszają się i pozostają rozcieńczone; gdy lokalna populacja rośnie, ich stężenie wzrasta do poziomu, który indywidualne komórki mogą wykryć za pomocą dedykowanego receptora, w tym momencie cała lokalna populacja przełącza się niemal jednocześnie w stan produkujący EPS i związany z biofilmem.

niska gęstość: [autoindukator] poniżej progu → geny WYŁĄCZONE (zachowanie planktonowe) Wysoka gęstość: [autoindukator] powyżej progu → geny WŁĄCZONE (produkcja EPS, czynniki pasożytnicze, zachowanie związane z biofilmem) Jest to funkcjonalnie spis populacji: komórka nie może liczyć swoich sąsiadów bezpośrednio, ale mierząc stężenie cząsteczki, którą uwalnia każdy sąsiad, populacja szacuje własną gęstość i tylko wtedy, gdy wystarczająco dużo komórek jest obecnych, aby ta współpraca się opłaciła, angażuje się w kosztowny program biofilmu.

low density:  [autoinducer] below threshold  →  genes OFF  (planktonic behaviour)
high density: [autoinducer] above threshold  →  genes ON   (EPS production, virulence factors,
                                                             biofilm-committed behaviour)

Dlaczego biofilmy tak dobrze tolerują antybiotyki

Bakterie w biofilmach nie są zwykle genetycznie odporne w taki sposób, jak robią to mutanty odporne na leki – usuń je i odrosło jako pojedyncze komórki płockowe, często są tak samo podatne jak wcześniej. Ich tolerancja pochodzi zamiast tego z samego stanu biofilmu, poprzez kilka wzajemnie powiązanych mechanizmów: matryca EPS fizycznie spowalnia dyfuzję leku do głębszych warstw; gradienty składników odżywczych i tlenu wewnątrz gęstego biofilmu pozostawiają rdzeń komórek rosnących wolno lub uśpionych, które wiele antybiotyków (które celują w mechanizmy aktywnego wzrostu lub podziału) po prostu nie może skutecznie zabić; a niewielki odsetek komórek przechodzi do odrębnego, odwracalnego stanu uśpienia znanego jako komórki persystencji, które przetrwają ekspozycję na antybiotyki, zasadniczo wyłączając procesy, na które celuje lek, a następnie budzą się po ustąpieniu zagrożenia. Kombinacja ta zwykle pozwala infekcjom biofilmowym przeżyć stężenia antybiotyków 10 do 1000 razy wyższe niż te, które zabijałyby tę samą gatunek rosnącą płockowo.

Gdzie to ma znaczenie

Przewlekłe rany i zakażenia implantów, kamień nazębny, kolonizacja cewników i urządzeń medycznych, a także biozakoronywanie w przemyśle i morskim na rurach, kadłubach statków i systemach wodnych – wszystkie to są tego samego rodzaju proces, dlatego też zakłócanie sygnałów komunikacji quorum sensing, zamiast jedynie podwyższania dawek antybiotyków, stało się aktywnym celem nowej generacji strategii przeciwbiofilmowych.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Biofilm Formation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.