Tysiące lat temu, kiedy nikt nie był bezpieczny przed głodem, niebezpiecznymi dzikimi zwierzętami czy chorobami, niektórzy z naszych wczesnych przodków wpadli na genialny pomysł: zbierzmy się razem! Tworząc społeczności złożone z ludzi o różnych talentach i umiejętnościach, wskaźnik przeżywalności jednostek wzrósł ogromnie. Siła tkwi w liczbie, ale nie klepmy się zbyt mocno po plecach – nie jesteśmy jedynymi, którzy wpadli na ten pomysł. Mrówki i pszczoły też to robią. Mikroby też – grupują się w społeczności zwane biofilmami.
Mikroorganizmy, które tworzą biofilmy, to bakterie, grzyby i protisty. Prawdopodobnie najczęstszym biofilmem znanym większości z nas jest płytka nazębna – lepka, bezbarwna warstwa bakterii i cukrów, która stale tworzy się na naszych zębach. Biofilm to także śluz na powierzchni wody, zwłaszcza stawów.
Według tego dokumentu biofilm bakteryjny jest definiowany jako „uporządkowana społeczność komórek bakteryjnych zamkniętych w samoreprodukującej się matrycy polimerowej i przylegających do obojętnej lub żywej powierzchni”. W prostym języku angielskim oznacza to, że bakterie czasami łączą się ze sobą, przylegają do praktycznie każdej powierzchni i tworzą ochronną matrycę wokół grupy. Rzeczywiście, biofilmy znajdujemy prawie wszędzie; na minerałach, metalach, wewnątrz naszych jelit, itd. W rzeczywistości, biofilmy istnieją od co najmniej 3,3 miliarda lat. Jednak to właśnie w wilgotnych i mokrych środowiskach znajduje się najwięcej biofilmów. Uwielbiają wilgoć.
Ogromna liczba patogenów jest zgrupowana jako biofilmy. Podobnie jak ludzie, nauczyły się one, że taka konfiguracja zwiększa ich szanse na przeżycie, ponieważ są w stanie lepiej zwalczać komórki naszego układu odpornościowego, które chcą je zniszczyć.
Jak tworzą się biofilmy
Oślizgły film zaczyna się tworzyć, gdy początkowo swobodnie pływające bakterie przylegają do powierzchni w środowisku wodnym i zaczynają „zapuszczać korzenie”. Aby pozostać lepkimi, bakterie wydzielają substancję podobną do kleju, która skutecznie zakotwicza je do wszelkiego rodzaju materiałów, od tworzyw sztucznych, przez glebę, po implanty medyczne, takie jak rozruszniki serca. Klej ten znany jest jako zewnątrzkomórkowa substancja polimeryczna (EPS) i składa się z cukrów, białek i kwasów jądrowych, takich jak DNA.
Z czasem dodawane są kolejne warstwy EPS. Po okresie wzrostu powstaje złożona struktura 3D, która jest wypełniona kanałami wodnymi wewnątrz, które ułatwiają wymianę składników odżywczych i produktów odpadowych.
Fascynująca rzecz w tworzeniu biofilmu ma związek z tym, jak bakterie się komunikują. Patogeny mogą instruować się nawzajem, gdzie mają się ustawić poprzez quorum sensing. Zasadniczo, zjawisko to pozwala jednokomórkowej bakterii wyczuć, ile innych bakterii znajduje się w jej bezpośrednim sąsiedztwie. Jeśli bakteria wyczuje, że otacza ją gęsta populacja, będzie skłonna do przyłączenia się do nich. Pamiętaj, siła w liczbach.
„Chorobotwórcze bakterie rozmawiają ze sobą za pomocą słownika chemicznego”, mówi Doug Hibbins z Princeton University.
„Tworzenie biofilmu jest jednym z kluczowych kroków w rozwoju cholery”, mówi dr Bonnie Bassler, mikrobiolog również z Princeton. „Pokrywają się one czymś w rodzaju mazi, która jest tarczą przeciwko antybiotykom, co pozwala im na szybki wzrost. Kiedy wyczują, że jest ich wystarczająco dużo, próbują opuścić ciało.”
Czasami kępki biofilmu mogą oderwać się od głównej masy i osiedlić się na nowej powierzchni. Ci nowi pionierzy będą rozszerzać swój oślizgły film, aż utworzą nową, większą kolonię.
Jak duży może być biofilm
Większość biofilmów jest bardzo cienka – ma grubość zaledwie kilku warstw komórek. To zbyt mało, by dostrzec je gołym okiem. W rzeczywistości, na twoim blacie kuchennym prawie na pewno znajduje się warstwa biofilmu. Po prostu nie można jej zobaczyć. Niektóre biofilmy mogą jednak rosnąć na wiele centymetrów i są wyraźnie zauważalne. Znajdziesz te grube pleśnie rosnące jak glony na skałach w korycie strumienia.
Grubość biofilmów zależy od kilku czynników środowiskowych. Niektóre organizmy mogą produkować duże ilości EPS i w ten sposób wytwarzać grubszy biofilm. Przepływ wody jest również ważnym czynnikiem, a dokładniej mówiąc, naprężenie ścinające. Jeśli biofilm tworzy się w potoku, gdzie jest duży przepływ wody, powinien być dość cienki. Biofilmy tworzące się w wolno płynącej wodzie, jak np. w stawie, mogą być dość grube.
Dlaczego tworzą się biofilmy
Jak wspomniano, bakterie łączą się w grupy, ponieważ jako społeczność zwiększają swoje szanse na przetrwanie, ale jakie zagrożenia napotykają i jak chroni je życie w formie śluzu? Niektóre z czynników stresogennych, na które narażone są bakterie to brak wody, wysokie lub niskie pH lub obecność „toksycznych” substancji, np. antybiotyków lub środków przeciwdrobnoustrojowych.
Warstwy EPS działają jako pierwsza linia obrony przed tymi zagrożeniami. Mogą one zapobiegać odwodnieniu lub osłaniać bakterie przed promieniowaniem UV. Kiedy wchodzą w kontakt z EPS, środki przeciwdrobnoustrojowe, wybielacze, a nawet metale zostają związane i zneutralizowane przez lepki EPS.
Antybiotyki mogą z pewnością zniszczyć biofilm, ale nie zawsze, ponieważ biofilmy stosują inną linię obrony. Na przykład, mimo że antybiotyki mogą przenikać przez warstwę EPS, mogą je spotkać uśpione bakterie. Ponieważ bakterie te nie wykazują aktywności komórkowej, antybiotyki nie działają, ponieważ nie mają nic do zakłócenia.
Inną linią obrony przed antybiotykami są „persisters”, czyli specjalne bakterie, które się nie dzielą. Bakterie te produkują substancje, które blokują cele wielu antybiotyków, zgodnie z pracą z 2010 roku. W porównaniu do bakterii swobodnie pływających, te rosnące jako biofilm mogą być do 1500 razy bardziej odporne na antybiotyki
Wreszcie, życie wewnątrz społeczności, często złożonej z różnych gatunków bakterii, oznacza, że jej członkowie mogą czerpać korzyści płynące z posiadania sieci o wielu umiejętnościach. Na przykład, niektóre biofilmy składają się zarówno z mikroorganizmów autotroficznych, jak i heterotroficznych. Autotrofy wytwarzają własne pożywienie wykorzystując fotosyntezę i dostępną materię organiczną, podczas gdy heterotrofy nie wytwarzają własnego pożywienia i wymagają zewnętrznych źródeł węgla. W związku z tym, w tych biofilmach mikroorganizmy często odżywiają się wzajemnie. Jest to swego rodzaju podział pracy.
Biofilmy, ludzie i choroby
Biofilmy wydają się być zdolne do tworzenia i przylegania do każdej powierzchni zewnętrznej, o ile jest ona wilgotna. To oczywiście rodzi pytanie – czy to oznacza, że mogą się one tworzyć również wewnątrz ludzkiego ciała? Z pewnością jest ono wystarczająco wilgotne i rzeczywiście, okazuje się, że odpowiedź brzmi „tak”. Według National Institutes of Health, ponad 65% wszystkich infekcji mikrobiologicznych jest spowodowanych przez biofilmy. To może wydawać się dużo, ale należy pamiętać, że większość infekcji jest powszechna, jak np. infekcje dróg moczowych, infekcje cewników, powszechne tworzenie się płytki nazębnej i tak dalej.
Jednakże biofilmy mogą być zaangażowane w szereg chorób i problemów medycznych. Jednym z przykładów są kamienie nerkowe, które są powodowane przez biofilmy. Około 15 do 20 procent kamieni nerkowych tworzy się w wyniku infekcji dróg moczowych, które powstają w wyniku wzajemnego oddziaływania pomiędzy infekującymi bakteriami i substancjami mineralnymi z moczu.
Jest też zapalenie wsierdzia, choroba polegająca na zapaleniu wewnętrznych warstw serca. Zapalenie wsierdzia wydaje się być wywołane przez złożony biofilm zbudowany z bakterii i składnika gospodarza znajdującego się na zastawce serca. Ten rodzaj biofilmu znany jest jako wegetacja. Wegetacja może zaburzać funkcjonowanie zastawki, powodować niemal ciągłe zakażenie krwiobiegu i blokować krążenie krwi poprzez proces znany jako embolizacja.
Patogenne biofilmy nękają również protezy i różne implanty medyczne, takie jak sztuczne stawy i zastawki serca lub rozruszniki serca. Po raz pierwszy zwrócono na to uwagę społeczności medycznej w latach 80-tych, kiedy biofilmy bakteryjne znaleziono na cewnikach dożylnych i rozrusznikach serca.
„Kiedy ludzie myślą o infekcji, mogą myśleć o gorączce lub ropie wypływającej z rany”, wyjaśnia dr Patel z Kliniki Mayo. „Jednak nie jest tak w przypadku zakażenia stawu protetycznego. Pacjenci często odczuwają ból, ale nie mają innych objawów zwykle związanych z zakażeniem. Często dzieje się tak, że bakterie wywołujące infekcje w protezach stawów są takie same jak bakterie, które żyją nieszkodliwie na naszej skórze. Jednak na protezie stawu mogą one przywierać, rozwijać się i powodować problemy w dłuższym okresie czasu. Wiele z tych bakterii nie zainfekowałoby stawu, gdyby nie proteza.”
Biofilmy były do niedawna słabo zbadane, ale dowody sugerują, że są one zaangażowane w wiele ludzkich chorób, w tym wyniszczające przewlekłe infekcje. Według dr Trevora Marshalla, badacza biomedycznego na Uniwersytecie Murdoch w Australii, niektóre duże mikrobiota przewlekłych biofilmów jak bakterie w kształcie litery L mogą omijać układ odpornościowy, ponieważ dawno temu rozwinęły zdolność do przebywania wewnątrz makrofagów. Jak na ironię, są to właśnie te białe krwinki układu odpornościowego, które mają za zadanie zabijać inwazyjne patogeny. Marshall twierdzi również, że zakażenia biofilmami występują z łatwością u nosicieli z obniżoną odpornością.
Wykrywanie zakażeń biofilmami
Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich trzech dekad sugerują, że biofilmy są albo niezwykle trudne, albo niemożliwe do wyeliminowania z ludzkiego organizmu. Pewne jest to, że podawanie antybiotyków w standardowy sposób (duże dawki, stale) nie działa.
Po podaniu dużych dawek antybiotyków może się wydawać, że infekcja biofilmu zniknęła. Pojawi się ono jednak ponownie, ponieważ biofilm nie został zniszczony, a jedynie osłabiony. Wydaje się, że podczas gdy antybiotyki mogą przenikać do macierzy biofilmu i zabijać bakterie, pewna liczba komórek zwanych „persystentami” pozostaje w tyle. Są one w stanie przetrwać atak antybiotyków i stopniowo umożliwiają ponowne utworzenie się biofilmu.
Dr Kim Lewis z Uniwersytetu Tulane twierdzi jednak, że możliwe jest zniszczenie niektórych biofilmów. Jego leczenie polega na stosowaniu pulsacyjnych antybiotyków w niskich dawkach w celu rozbicia biofilmu. Na przykład, badania sugerują, że ta technika jest skuteczna w niszczeniu bakterii biofilmu P. aeruginosa w sposób, który jest nie do odróżnienia, gdy te same stężenia antybiotyków są podawane pojedynczym komórkom planktonicznym.
Gdy stosuje się niskie, pulsacyjne dawki antybiotyków, pierwsza aplikacja eliminuje większość komórek biofilmu, pozostawiając za sobą persistery. Ponieważ antybiotyki są zatrzymywane, przeżywalność persystentów nie jest zwiększona. Lewis uważa, że powoduje to, iż komórki tracą swój kształt i właściwości biochemiczne, przez co nie są w stanie ponownie rozpocząć procesu tworzenia biofilmu. Ponowne podanie antybiotyku po pewnym czasie powinno całkowicie wyeliminować komórki persisterów.
Skuteczność tej metody zależy od możliwości manipulowania stężeniem antybiotyku. Co więcej, nie wszystkie biofilmy można rozbić w ten sposób.
Użyteczne biofilmy
Biofilmy mogą powodować poważne schorzenia i, jak widzieliśmy, bardzo trudno się ich pozbyć. Istnieją jednak przypadki, kiedy biofilmy mogą być użyteczne dla celów bioremediacji. Biofilmy są wykorzystywane na przykład w oczyszczaniu ścieków lub w przypadku skażenia metalami ciężkimi lub substancjami radioaktywnymi. Innym praktycznym zastosowaniem biofilmów są mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. W takich ogniwach paliwowych mikroby żyjące na powierzchni elektrody rozkładają składniki odżywcze i przenoszą elektrony przez obwód, dostarczając energię elektryczną. Mikrobowe ogniwa paliwowe mogą być bardzo przydatne, jeśli trzeba zdalnie generować energię dla czujników w ściekach lub na wysypiskach śmieci.
Biofilmy są obecnie przedmiotem intensywnych badań. Biofilmy powodują miliardowe straty każdego roku z powodu chorób, uszkodzeń sprzętu, strat energii lub zanieczyszczeń, dlatego też znalezienie sposobu na pozbycie się ich jest priorytetem. Odporność biofilmów jest dużym wyzwaniem i wymaga wkładu z różnych dziedzin nauki, takich jak biochemia, inżynieria, matematyka i mikrobiologia.