Bakterie często wyobrażamy sobie jako pojedyncze, swobodnie przemieszczające się komórki. Taki obraz jest przydatny, ale pokazuje tylko część ich życia, ale czym tak naprawdę jest biofilm bakteryjny? W wielu środowiskach drobnoustroje przyczepiają się do powierzchni, tworzą skupiska i otaczają się produkowaną przez siebie warstwą.
Taka zorganizowana społeczność nazywana jest biofilmem. Może powstać na kamieniu w strumieniu, wewnątrz instalacji wodnej, na powierzchni zęba, urządzenia przemysłowego albo materiału medycznego.
Pytanie czym jest biofilm bakteryjny interesuje mikrobiologów, lekarzy, stomatologów, technologów żywności, inżynierów i specjalistów zajmujących się oczyszczaniem wody. Biofilm nie jest bowiem jednym konkretnym drobnoustrojem ani jedną chorobą. Jest sposobem organizowania się mikroorganizmów.
Nie każdy biofilm stanowi zagrożenie. W naturze takie społeczności uczestniczą w obiegu pierwiastków i funkcjonowaniu ekosystemów. W niektórych zastosowaniach przemysłowych są celowo wykorzystywane. Problem może pojawić się wtedy, gdy biofilm rozwija się w niepożądanym miejscu albo jest tworzony przez drobnoustroje związane z chorobą.
Najprościej mówiąc, biofilm to skupisko mikroorganizmów związanych z powierzchnią i otoczonych wytwarzaną przez nie macierzą zewnątrzkomórkową.
W skład tej macierzy mogą wchodzić między innymi polisacharydy, białka, lipidy i zewnątrzkomórkowe DNA. Proporcje zależą od gatunku drobnoustroju, warunków środowiskowych, dostępności składników odżywczych i etapu rozwoju biofilmu.
Macierz pełni funkcję rusztowania. Pomaga komórkom utrzymać się razem, przyczepić do podłoża i tworzyć przestrzenną strukturę. Zatrzymuje wodę oraz część substancji znajdujących się w otoczeniu.
Biofilm nie przypomina jednak jednolitej galaretki. Wewnątrz mogą znajdować się kanały, obszary o różnej ilości tlenu, składników odżywczych i produktów metabolizmu. Bakterie znajdujące się na powierzchni mogą funkcjonować inaczej niż komórki umieszczone w głębszych warstwach.
Proces powstawania biofilmu opisuje się zwykle za pomocą kilku etapów. W rzeczywistości granice między nimi są płynne, a szczegóły różnią się w zależności od gatunku i środowiska.
Pierwszym etapem jest kontakt z powierzchnią. Bakteria może znaleźć się w jej pobliżu przypadkowo wraz z przepływającą wodą, śliną, powietrzem albo innym płynem.
Początkowe przyczepienie bywa odwracalne. Komórka może się oderwać, jeśli warunki okażą się niekorzystne. Jeżeli pozostanie na powierzchni, mechanizmy adhezji mogą się umocnić.
Następnie bakterie zaczynają się namnażać i tworzyć niewielkie skupiska. Wzrasta produkcja składników macierzy. Z czasem struktura staje się bardziej rozbudowana.
W dojrzałym biofilmie występują różne mikrośrodowiska. Część komórek może rosnąć szybko, inne przechodzą w stan ograniczonej aktywności. Na późniejszym etapie niektóre mikroorganizmy odrywają się i przemieszczają do nowych miejsc.
Swobodne życie w płynie ma zalety. Umożliwia szybkie przemieszczanie się i poszukiwanie nowych środowisk. Wiąże się jednak także z ryzykiem wypłukania, wysuszenia albo nagłej zmiany warunków.
Przyczepienie do powierzchni może zapewniać stabilniejsze miejsce. Jeśli w pobliżu pojawiają się składniki odżywcze, społeczność może z nich korzystać. Macierz ogranicza mechaniczne usuwanie komórek i pomaga utrzymywać lokalne warunki.
Nie oznacza to, że biofilm jest całkowicie odporną twierdzą. Może zostać usunięty, wysuszony, uszkodzony albo pozbawiony substancji potrzebnych do rozwoju. Stanowi jednak bardziej złożony układ niż pojedyncze komórki zawieszone w cieczy.
Tworzenie biofilmu jest jednym ze sposobów przystosowania się mikroorganizmów do zmiennego otoczenia.
Macierz zewnątrzkomórkowa bywa porównywana do budulca miasta. Utrzymuje strukturę, ale nie jest jedynie bierną osłoną.
Jej składniki mogą wpływać na przyczepność, zatrzymywanie wody i transport cząsteczek. W macierzy mogą być przechowywane enzymy oraz substancje wykorzystywane przez mikroorganizmy.
Niektóre jej elementy uczestniczą w reakcjach chemicznych zachodzących wewnątrz biofilmu. Macierz może również wiązać określone cząsteczki z otoczenia.
Jej znaczenie zależy od konkretnego biofilmu. Nie wszystkie społeczności wytwarzają identyczną strukturę, a skład może zmieniać się nawet w obrębie jednego gatunku pod wpływem temperatury, pH i dostępności składników odżywczych.
Dlatego nie istnieje jeden uniwersalny sposób opisywania ani usuwania każdego biofilmu.
Bakterie mogą uwalniać do środowiska niewielkie cząsteczki sygnałowe. W miarę wzrostu liczby komórek stężenie tych sygnałów rośnie.
Po osiągnięciu określonego poziomu część bakterii zmienia aktywność wybranych genów. Zjawisko to określa się jako quorum sensing, czyli komunikację zależną od zagęszczenia populacji.
Może ona wpływać między innymi na produkcję składników macierzy, ruchliwość, metabolizm i inne cechy komórek.
Popularne porównanie mówi, że bakterie „rozmawiają”. Jest ono obrazowe, ale nie powinno sugerować świadomego podejmowania decyzji. Jest to system reakcji chemicznych i regulacji genów.
Nie każdy biofilm zależy w ten sam sposób od quorum sensing. Różne gatunki wykorzystują odmienne sygnały, a proces powstawania społeczności jest regulowany także przez wiele innych czynników.
Biofilm może być tworzony przez jeden gatunek mikroorganizmu, ale w naturalnych środowiskach często spotyka się społeczności wielogatunkowe.
Ich mieszkańcy mogą konkurować o przestrzeń i składniki odżywcze. Mogą także wykorzystywać produkty metabolizmu innych drobnoustrojów albo wspólnie zmieniać lokalne środowisko.
Relacje nie są więc zawsze harmonijne. W jednym obszarze biofilmu może występować współpraca, a w innym intensywna konkurencja.
Złożoność społeczności wielogatunkowych jest jednym z powodów, dla których wyniki uzyskane w prostym eksperymencie z jednym szczepem nie zawsze przekładają się na warunki występujące w organizmie lub środowisku.
Jednym z najlepiej znanych przykładów biofilmu jest płytka nazębna. Na powierzchni zębów tworzy się cienka warstwa, do której przyłączają się kolejne mikroorganizmy.
Płytka nie jest przypadkową mieszaniną bakterii. Jej skład i struktura zmieniają się w czasie oraz zależą między innymi od higieny, diety, przepływu śliny i miejsca w jamie ustnej.
Regularne mechaniczne usuwanie płytki jest podstawowym elementem higieny. W przypadku zębów biofilm pokazuje też, dlaczego samo przepłukanie powierzchni wodą nie jest wystarczające. Przyczepiona społeczność wymaga mechanicznego naruszenia struktury.
Nie należy jednak interpretować każdej obecności bakterii w jamie ustnej jako choroby. Jama ustna ma własną mikrobiotę, a problem wiąże się z zaburzeniem lokalnej równowagi, nagromadzeniem płytki i innymi czynnikami.
Mikroorganizmy mogą przyczepiać się do powierzchni naturalnych i sztucznych. Biofilmy spotyka się w instalacjach wodnych, zbiornikach, urządzeniach przemysłowych, aparaturze medycznej i na implantach.
Rodzaj materiału wpływa na przyczepianie, ale nie jest jedynym czynnikiem. Znaczenie mają również chropowatość, obecność substancji organicznych, temperatura, przepływ płynu oraz czas.
W placówkach medycznych biofilm może być szczególnie istotny na powierzchniach mających kontakt z organizmem. Takie sytuacje wymagają profesjonalnych procedur higienicznych, diagnostycznych i terapeutycznych.
Artykuł edukacyjny nie powinien sugerować, że domowy produkt albo suplement może usuwać biofilm z urządzeń medycznych lub leczyć związane z nim zakażenia.
Te dwa pojęcia są ze sobą związane, ale nie oznaczają dokładnie tego samego.
Oporność na antybiotyk wynika z cech genetycznych pozwalających bakterii przeżyć w obecności określonego leku. Geny oporności mogą powstawać w wyniku mutacji lub być przekazywane między komórkami.
Tolerancja biofilmu może natomiast wynikać również z jego struktury i zróżnicowanego stanu komórek. Część substancji może wolniej przenikać przez macierz. Niektóre bakterie w głębszych warstwach rosną powoli, a część leków działa najlepiej na komórki aktywnie się dzielące.
Po rozproszeniu biofilmu bakterie nie zawsze zachowują taki sam poziom tolerancji. Nie oznacza to jednak, że biofilm nie może zawierać również szczepów genetycznie opornych.
Rozróżnienie tych mechanizmów ma znaczenie dla badań i leczenia.
Najprostszy test laboratoryjny często polega na kontakcie badanego związku ze swobodnie rosnącymi bakteriami. Taki model nie odtwarza przestrzennej struktury biofilmu.
Aby badać biofilm, naukowcy wykorzystują płytki, przepływowe komory, sztuczne powierzchnie i modele tkanek. Mierzą masę struktury, liczbę żywych komórek, skład macierzy albo zmiany widoczne pod mikroskopem.
Nawet rozbudowany model pozostaje uproszczeniem. W organizmie występują białka, komórki odpornościowe, przepływ płynów, zmiany temperatury i skomplikowane społeczności mikroorganizmów.
Wynik zależy również od tego, czy badano zapobieganie początkowemu przyczepieniu, hamowanie rozwoju młodego biofilmu czy wpływ na dojrzałą strukturę. To trzy różne pytania.
Miód, propolis i przygotowywane z nich ekstrakty są analizowane w doświadczeniach laboratoryjnych dotyczących drobnoustrojów. Naukowcy mogą sprawdzać, czy próbka wpływa na wzrost swobodnych komórek, przyczepianie albo ilość biofilmu w określonym modelu.
Takie eksperymenty są interesującym etapem badań. Nie potwierdzają jednak automatycznie skuteczności gotowego produktu u człowieka.
Znaczenie mają:
Stężenie użyte na płytce laboratoryjnej może nie być możliwe do osiągnięcia po spożyciu suplementu. Substancja może także ulegać trawieniu i przemianom metabolicznym.
Jeżeli w doświadczeniu laboratoryjnym zmniejszyła się ilość biofilmu, można opisać ten wynik wyłącznie w kontekście zastosowanego modelu.
Nie oznacza on, że badany produkt:
Aby ocenić zastosowanie u ludzi, potrzebne są odpowiednio zaprojektowane badania kliniczne dotyczące konkretnej formy produktu, dawki, sposobu użycia i grupy pacjentów.
W przypadku podejrzenia zakażenia lub problemu z implantem konieczna jest profesjonalna diagnostyka. Samodzielne eksperymentowanie może opóźnić właściwe leczenie.
Nie. Biofilmy są powszechną formą życia mikroorganizmów i występują w wielu ekosystemach.
Są wykorzystywane między innymi w części procesów oczyszczania ścieków, gdzie społeczności drobnoustrojów uczestniczą w przekształcaniu związków obecnych w wodzie. W naturze zasiedlają kamienie, korzenie roślin i osady.
Również mikroorganizmy związane z człowiekiem mogą tworzyć uporządkowane społeczności bez wywoływania choroby. Znaczenie zależy od składu, lokalizacji i warunków.
Określenie „biofilm” nie powinno więc służyć wyłącznie jako groźnie brzmiące hasło marketingowe. Jest terminem opisującym sposób organizacji mikroorganizmów.
Materiały promocyjne czasami wykorzystują temat biofilmu, aby sugerować, że produkt usuwa „ukryte bakterie” albo „oczyszcza organizm z warstwy ochronnej drobnoustrojów”.
Takie twierdzenia powinny wzbudzić ostrożność. Szczególnie gdy nie podano:
Termin naukowy może brzmieć wiarygodnie, ale nie zastępuje dowodów. Rzetelna edukacja wyjaśnia zarówno znaczenie badań, jak i ich ograniczenia.
Najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest pozostawienie artykułu jako treści czysto edukacyjnej. Nie powinien on bezpośrednio kierować czytelnika do zakupu suplementu jako rozwiązania problemu biofilmu.
Jeżeli marka zostanie wspomniana, informacja powinna być neutralna i ograniczona do faktów, na przykład do zainteresowania naukowego surowcami pochodzenia pszczelego.
Nie należy stosować obok produktu określeń:
Wyniki badań laboratoryjnych dotyczą konkretnej próbki i warunków doświadczenia, a nie każdej formy handlowej.
Odpowiadając na pytanie czym jest biofilm bakteryjny, można powiedzieć, że to zorganizowana społeczność mikroorganizmów związana z powierzchnią i otoczona własną macierzą.
Biofilm rozwija się etapami: od początkowego kontaktu, przez przyczepianie i namnażanie, aż po dojrzewanie struktury oraz rozprzestrzenianie części komórek.
Macierz nie jest wyłącznie osłoną. Stanowi środowisko życia, wpływa na transport substancji i tworzy zróżnicowane mikroobszary.
Badania nad miodem, propolisem i innymi surowcami naturalnymi mogą pokazywać interesujące zjawiska w warunkach laboratoryjnych. Nie pozwalają jednak automatycznie wnioskować o leczeniu zakażeń lub skuteczności suplementu.
Zrozumienie, czym jest biofilm bakteryjny, pomaga lepiej czytać doniesienia naukowe. Przypomina również, że mikroorganizmy nie zawsze funkcjonują jako pojedyncze komórki, a wynik prostego testu nie musi odzwierciedlać zachowania złożonej społeczności.
Dowiedz się więcej na temat miodu i propolisu na camelyn.pl
*Artykuł ma charakter edukacyjny. Nie służy do rozpoznawania ani leczenia zakażeń i nie zastępuje konsultacji lekarskiej lub stomatologicznej.
