Ein biofilm ist eine Anhäufung von Kleinstlebewesen, in denen Zellen an einander auf einer Oberfläche kleben. Diese anklebenden Zellen werden oft innerhalb einer selbsterzeugten Matrix der extracellular polymeren Substanz (EPS) eingebettet. Biofilm EPS, der auch Schlamm genannt wird (obwohl nicht alles Beschriebenes weil Schlamm ein biofilm ist), ist ein polymeres Konglomerat, das allgemein aus der extracellular DNA, den Proteinen und dem Polysaccharid zusammengesetzt ist. Biofilms kann sich beim Leben oder den nichtlebenden Oberflächen formen und kann im natürlichen, dem industriellen und den Krankenhaus-Einstellungen überwiegend sein. Die mikrobischen Zellen, die in einem biofilm wachsen, sind von planktonic Zellen desselben Organismus physiologisch verschieden, die im Vergleich einzelne Zellen sind, die schwimmen oder in einem flüssigen Medium schwimmen können.

Mikroben bilden einen biofilm als Antwort auf viele Faktoren, die Zellanerkennung von spezifischen oder nichtspezifischen Verhaftungsseiten auf einer Oberfläche, Ernährungsstichwörtern, oder in einigen Fällen durch die Aussetzung von planktonic Zellen zu subhemmenden Konzentrationen von Antibiotika einschließen können. Wenn eine Zelle auf die biofilm Weise des Wachstums umschaltet, erlebt es eine Phenotypic-Verschiebung im Verhalten, in dem große Gefolge von Genen unterschiedlich geregelt werden.

Bildung

Die Bildung eines biofilm beginnt mit der Verhaftung von frei schwimmenden Kleinstlebewesen zu einer Oberfläche. Diese ersten Kolonisten kleben an der Oberfläche am Anfang durch das schwache, umkehrbare Festkleben über Kräfte von van der Waals. Wenn die Kolonisten von der Oberfläche nicht sofort getrennt werden, können sie sich mehr dauerhaft das Verwenden von Zellfestkleben-Strukturen wie pili verankern.

Die ersten Kolonisten erleichtern die Ankunft anderer Zellen, indem sie verschiedenere Festkleben-Seiten zur Verfügung stellen und beginnen, die Matrix zu bauen, die den biofilm zusammenhält. Einige Arten sind nicht im Stande, einer Oberfläche selbstständig anzuhaften, aber sind häufig im Stande, sich zur Matrix oder direkt früheren Kolonisten zu verankern. Es ist während dieser Kolonisation, die die Zellen im Stande sind, über die Quorum-Abfragung mit solchen Produkten wie AHL mitzuteilen. Sobald Kolonisation begonnen hat, wächst der biofilm durch eine Kombination der Zellabteilung und Einberufung. Die Endbühne der biofilm Bildung ist als Entwicklung bekannt, und ist die Bühne, in der der biofilm gegründet wird und sich nur in die Gestalt und Größe ändern kann. Die Entwicklung eines biofilm kann eine gesamte Zellkolonie (oder Kolonien) berücksichtigen, um widerstandsfähig zu sein immer mehr antibiotisch.

Entwicklung

Es gibt fünf Stufen der biofilm Entwicklung (sieh Illustration am Recht):

1. Anfängliche Verhaftung:
2. Irreversible Verhaftung:
3. Reifung I:
4. Reifung II:
5. Streuung:

Streuung

Die Streuung von Zellen von der biofilm Kolonie ist eine wesentliche Bühne des biofilm Lebenszyklus. Streuung ermöglicht biofilms, neue Oberflächen auszubreiten und zu kolonisieren. Enzyme, die den biofilm extracellular Matrix, wie dispersin B und deoxyribonuclease erniedrigen, können eine Rolle in der biofilm Streuung spielen. Matrix von Biofilm erniedrigende Enzyme kann als anti-biofilm Agenten nützlich sein. Neue Beweise haben gezeigt, dass ein saurer Fettbote, cis-2-decenoic Säure, dazu fähig ist, Streuung zu veranlassen und Wachstum von biofilm Kolonien zu hemmen. Verborgen durch Pseudomonas aeruginosa veranlasst diese Zusammensetzung cyclo heteromorphic Zellen in mehreren Arten von Bakterien und der Hefe Candida albicans.

Wie man

auch gezeigt hat, hat Stickstoffoxyd die Streuung von biofilms von mehreren Bakterienarten bei subtoxischen Konzentrationen ausgelöst. Stickstoffoxyd hat das Potenzial für die Behandlung von Patienten, die unter chronischen durch biofilms verursachten Infektionen leiden.

Eigenschaften

Biofilms werden gewöhnlich auf festem s gefunden, der darin untergetaucht ist, oder haben zu einer wässrigen Lösung ausgestellt, obwohl sie sich als Schwimmmatten auf flüssigen Oberflächen und auch auf der Oberfläche von Blättern besonders in hohen Feuchtigkeitsklimas formen können. In Anbetracht genügend Mittel für das Wachstum wird ein biofilm schnell wachsen um (sichtbar zum nackten Auge) makroskopisch zu sein. Biofilms kann viele verschiedene Typen des Kleinstlebewesens, z.B Bakterien, archaea, protozoa, Fungi und Algen enthalten; jede Gruppe führt spezialisierte metabolische Funktionen durch. Jedoch werden einige Organismen Filme der einzelnen Arten unter bestimmten Bedingungen bilden.

Matrix von Extracellular

Der biofilm wird zusammengehalten und durch eine Matrix von excreted polymeren Zusammensetzungen genannt EPS geschützt. EPS ist eine Abkürzung entweder für die extracellular polymere Substanz oder für exopolysaccharide. Diese Matrix schützt die Zellen innerhalb seiner und erleichtert Kommunikation unter ihnen durch biochemische Signale. Wie man gefunden hat, haben einige biofilms Wasserkanäle enthalten, dass Hilfe Nährstoffe und Signalmoleküle verteilt. Diese Matrix ist stark genug, dass unter bestimmten Bedingungen biofilms versteinert werden kann.

Bakterien, die in einem biofilm gewöhnlich leben, haben bedeutsam verschiedene Eigenschaften von frei schwimmenden Bakterien derselben Arten, wie die dichte und geschützte Umwelt des Films ihnen erlaubt, zusammenzuarbeiten und auf verschiedene Weisen aufeinander zu wirken.

Ein Vorteil dieser Umgebung ist vergrößerter Widerstand gegen Reinigungsmittel und Antibiotika, weil die dichte extracellular Matrix und die Außenschicht von Zellen das Interieur der Gemeinschaft schützen. In einigen Fällen kann antibiotischer Widerstand ein tausendfacher vergrößert werden. Seitliche Genübertragung wird in biofilms außerordentlich erleichtert und führt zu einer stabileren biofilm Struktur.

Jedoch sind biofilms gegen Antibiotika nicht immer weniger empfindlich. Zum Beispiel hat die Biofilm-Form von Pseudomonas aeruginosa keinen größeren Widerstand gegen antimicrobials, als stationär-phasige planktonic Zellen tun, obwohl, wenn der biofilm im Vergleich zur logarithmischen Phase planktonic Zellen ist, der biofilm wirklich größeren Widerstand gegen antimicrobials hat. Dieser Widerstand gegen Antibiotika sowohl in stationären Phase-Zellen als auch in biofilms kann wegen der Anwesenheit von persister Zellen sein.

Beispiele

Biofilms sind allgegenwärtig. Fast jede Art des Kleinstlebewesens, nicht nur Bakterien und archaea, hat Mechanismen, durch die sie an Oberflächen und an einander kleben können. Biofilms wird auf eigentlich jeder Nichtausfall-Oberfläche in einem nichtsterilen wässrigen (oder sehr feucht) Umgebung bilden.

• Biofilms kann auf Felsen und Kieselsteinen an der Unterseite von den meisten Strömen oder Flüssen gefunden werden und sich häufig auf der Oberfläche von stehenden Lachen von Wasser formen. Tatsächlich sind biofilms wichtige Bestandteile von Nahrungsmittelketten in Flüssen und Strömen und werden von den wirbellosen Wassertieren gestreift, auf die viele Fische fressen.
• Biofilms kann in den am meisten äußersten Umgebungen wachsen: von, zum Beispiel, das äußerst heiße, salzige Wasser von heißen Frühlingen im Intervall von sehr acidic zum sehr alkalischen, zu eingefrorenen Gletschern.
• In der menschlichen Umgebung kann biofilms in Schauern sehr leicht wachsen, da sie eine feuchte und warme Umgebung für den biofilm zur Verfügung stellen, um zu gedeihen. Biofilms kann Innenwasser und Abwasser-Pfeifen und Ursache-Blockierung und Korrosion bilden. Biofilms auf Stöcken und Schaltern kann sanitäre Einrichtungen schwierig in Nahrungsmittelvorbereitungsgebieten machen.

Wie man

• bekannt, reduzieren Biofilms im Abkühlen - oder mit der Heizungwassersysteme Wärmeübertragung.
• Biofilms in Seetechniksystemen, wie Rohrleitungen der Auslandsöl- und Gasindustrie, kann zu wesentlichen Korrosionsproblemen führen. Korrosion ist hauptsächlich wegen abiotischer Faktoren; jedoch werden mindestens 20 % der Korrosion durch Kleinstlebewesen verursacht, die dem Metalluntergrund (d. h., mikrobisch beeinflusste Korrosion) beigefügt werden.
• Das Bakterienfestkleben an Bootsrümpfe dient als das Fundament für biofouling von Hochseebehältern. Einmal ein Film von Bakterienformen, es ist für andere Seeorganismen wie Entenmuscheln leichter anzuhaften. Solches Beschmutzen kann maximale Behälter-Geschwindigkeit um bis zu 20 % reduzieren, Reisen verlängernd und Brennstoff verbrauchend. Die Zeit mit dem Trockendock, um repariert zu werden und neu zu malen, reduziert die Produktivität des Schiffsvermögens, und die gewöhnliche Nutzungsdauer von Schiffen wird auch wegen der Korrosion und mechanischen Eliminierung reduziert, die von Seeorganismen von den Rümpfen von Schiffen (kratzt).
• Biofilms kann auch zu konstruktiven Zwecken angespannt werden. Zum Beispiel schließen viele Klärwerke eine Behandlungsbühne ein, in der überflüssiges Wasser auf Filtern angebauten biofilms, der Extrakt und Auswahl organische Zusammensetzungen überträgt. In solchem biofilms sind Bakterien für die Eliminierung der organischen Sache (BOD) hauptsächlich verantwortlich, während protozoa und rotifers für die Eliminierung von aufgehobenen Festkörpern (SS), einschließlich pathogens und anderer Kleinstlebewesen hauptsächlich verantwortlich sind. Langsame Sand-Filter verlassen sich auf die biofilm Entwicklung ebenso zu Filteroberflächenwasser vom See, den Frühlings- oder Flussquellen, um Zwecke zu trinken. Was wir betrachten, weil sauberes Wasser ein Abfallstoff zu diesen Mikrozellorganismen ist, da sie unfähig sind, weitere Nahrung aus dem gereinigten Wasser herauszuziehen.
• Biofilms kann helfen, Erdölöl von verseuchten Ozeanen oder Seesystemen zu beseitigen. Das Öl wird durch die Kohlenwasserstoff erniedrigenden Tätigkeiten von mikrobischen Gemeinschaften, insbesondere von einer bemerkenswerten kürzlich entdeckten Gruppe von Fachmännern, die so genannten hydrocarbonoclastic Bakterien (HCB) beseitigt.
• Stromatolites sind layered accretionary Strukturen, die in seichtem Wasser durch das Abfangen, die Schwergängigkeit und die Zementierung von sedimentären Körnern durch mikrobischen biofilms besonders cyanobacteria gebildet sind. Stromatolites schließen einige der ältesten Aufzeichnungen des Lebens auf der Erde ein, und formen sich noch heute.
• Biofilms sind auf den Zähnen von den meisten Tieren als Zahnfleck anwesend, wo sie Zahn-Zerfall und Gummikrankheit verursachen können.
• Biofilms werden auf der Oberfläche und innerhalb von Werken gefunden. Sie können entweder beitragen, um Krankheit oder, als im Fall von Stickstoff befestigendem Rhizobium auf Wurzeln abzuschneiden, symbiotisch mit dem Werk zu bestehen. Beispiele von mit biofilms verbundenen Getreide-Krankheiten schließen Zitrusfrucht-Lippengeschwür, die Krankheit von Pierce von Trauben und Bakterienpunkt von Werken wie Pfeffer und Tomaten ein.
• Biofilms werden in mikrobischen Kraftstoffzellen (MFCs) verwendet, um Elektrizität von einer Vielfalt von Ausgangsmaterialien einschließlich der komplizierten organischen überflüssigen und erneuerbaren Biomasse zu erzeugen.

Biofilms und ansteckende Krankheiten

Wie man

gefunden hat, sind Biofilms an einem großen Angebot an mikrobischen Infektionen im Körper, durch eine Schätzung 80 % aller Infektionen beteiligt worden. Ansteckende Prozesse, in die biofilms hineingezogen worden sind, schließen häufige Probleme wie Harnfläche-Infektionen, Katheter-Infektionen, Infektionen des mittleren Ohrs, Bildung von Zahnfleck, Zahnfleischentzündung, Überzug-Kontaktlinsen und weniger allgemeinen, aber tödlicheren Prozessen wie endocarditis, Infektionen in zystischem fibrosis und Infektionen von dauerhaften indwelling Geräten wie Gelenk prostheses und Herzklappen ein. Mehr kürzlich ist es bemerkt worden, dass bakterieller biofilms Hautwunde-Heilung verschlechtern und aktuelle Antibakterienleistungsfähigkeit in der Heilung oder dem Behandeln von angesteckten Hautwunden reduzieren kann.

Es ist kürzlich gezeigt worden, dass biofilms auf dem entfernten Gewebe von 80 % von Patienten da sind, die Chirurgie für chronische Sinusitis erleben. Wie man zeigte, waren die Patienten mit biofilms von cilia und Weinglas-Zellen verschieden von den Steuerungen ohne biofilms entblößt worden, wer normalen cilia und Weinglas-Zellmorphologie hatte. Biofilms wurden auch auf Proben von zwei von 10 gesunden erwähnten Steuerungen gefunden. Die Arten von Bakterien von zwischenwirkenden Kulturen haben den Bakterienarten im biofilm auf dem Gewebe des jeweiligen Patienten nicht entsprochen. Mit anderen Worten waren die Kulturen negativ, obwohl die Bakterien anwesend gewesen sind.

Biofilms kann auch auf den trägen Oberflächen von implanted Geräten wie Katheter, prothetische Herzklappen und Spiralen gebildet werden.

Neue Färbetechniken werden entwickelt, um Bakterienzellen zu unterscheiden, die in lebenden Tieren z.B von Geweben mit Allergie-Entzündungen wachsen.

Pseudomonas aeruginosa biofilms

Die Ergebnisse der ärztlichen Behandlung in industrialisierten Gesellschaften werden wegen chronischer opportunistischer Infektionen deutlich verschlechtert, die immer mehr offenbar in immunocompromised Patienten und der Altersbevölkerung geworden sind. Chronische Infektionen bleiben eine Hauptherausforderung für den medizinischen Beruf und sind der großen Wirtschaftsrelevanz, weil traditionelle antibiotische Therapie gewöhnlich nicht genügend ist, um diese Infektionen auszurotten. Ein Hauptgrund für die Fortsetzung scheint, die Fähigkeit zu den Bakterien zu sein, innerhalb von biofilms zu wachsen, der sie vor nachteiligen Umweltfaktoren schützt. Pseudomonas aeruginosa ist nicht nur ein wichtige opportunistische pathogen und begründendes Reagenz, nosocomial Infektionen zu erscheinen, aber kann auch als ein Musterorganismus für die Studie von verschiedenen Bakterienmechanismen betrachtet werden, die zu Bakterienfortsetzung beitragen. In diesem Zusammenhang sollte die Erläuterung der molekularen Mechanismen, die für den Schalter vom planktonic Wachstum bis einen biofilm Phänotyp und die Rolle der Zwischenbakterienkommunikation in beharrlicher Krankheit verantwortlich sind, neue Einblicke in P. aeruginosa pathogenicity gewähren, zu einem besseren klinischen Management dauernd angesteckter Patienten beitragen und sollte zur Identifizierung von neuen Rauschgift-Zielen für die Entwicklung der Alternative anti-infective Behandlungsstrategien führen.

Zahnfleck

Zahnfleck ist das Material, das an den Zähnen klebt und aus Bakterienzellen (hauptsächlich Streptokokkus mutans und Streptokokkus sanguinis), Speichelpolymer und extracellular Bakterienprodukte besteht. Fleck ist ein biofilm auf den Oberflächen der Zähne. Diese Anhäufung von Kleinstlebewesen unterwirft die Zähne und gingival Gewebe zu hohen Konzentrationen von bakteriellem metabolites, der auf Zahnkrankheit hinausläuft. Die Bakterienbeanspruchungsidentifizierung des biofilms, der vom Zahnfleck oder vom biofilms isoliert ist, der den Oberflächen von einer Zahnlegierung, Eindruck-Materialien, Zahnimplants beigefügt ist, stärkend und Zementmaterialien spielt eine wesentliche Rolle bezüglich der biofilms Errichtungsdynamik zu den physisch-chemischen Eigenschaften der Materialien, denen biofilms beigefügt werden.

Legionellosis

Wie man

bekannt, wachsen Bakterien von Legionella unter bestimmten Bedingungen in biofilms, in dem sie gegen Antiseptiken geschützt werden. Arbeiter in Kühltürmen, Personen, die in Luft arbeiten, haben Zimmer bedingt, und Leute, die eine Dusche nehmen, werden zu Legionella durch die Einatmung ausgestellt, wenn die Systeme nicht gut entworfen, gebaut oder aufrechterhalten werden.

Neisseria gonorrhoeae biofilms

Neisseria gonorrhoeae ist ein exklusiver menschlicher pathogen. Neue Studien haben demonstriert, dass es zwei verschiedene Mechanismen für den Zugang in menschliche urethrale und epithelische Halszellen verwertet, die verschiedene Bakterienoberfläche ligands und Gastgeber-Empfänger einschließen. Außerdem ist es demonstriert worden, dass der gonococcus biofilms auf Glasoberflächen und über menschliche Zellen bilden kann. Es gibt Beweise für die Bildung von gonococcal biofilms auf menschlichen epithelischen Halszellen während natürlicher Krankheit, und dass Außenmembran blebbing durch den gonococcus in der biofilm Bildung über menschliche epithelische Halszellen entscheidend ist.

Molekulare Genetik

Der technische Fortschritt in der Mikroskopie, molekularen Genetik und Genom-Analyse hat unser Verstehen der strukturellen und molekularen Aspekte von biofilms besonders umfassend studierter Musterorganismen wie Pseudomonas aeruginosa bedeutsam vorgebracht. Entwicklung von Biofilm kann in mehrere Schlüsselschritte einschließlich der Verhaftung, Mikrokolonie-Bildung, biofilm Reifung und Streuung geteilt werden; und in jedem Schritt können Bakterien verschiedene Bestandteile und Moleküle einschließlich flagellae, Typ IV pili, DNA und exopolysaccharides rekrutieren. Der schnelle Fortschritt in der biofilm Forschung hat auch mehrere genetische Regulierungsmechanismen entschleiert, die in die biofilm Regulierung wie Quorum-Abfragung und der neuartige sekundäre Bote cyclic-di-GMP hineingezogen sind. Das Verstehen der molekularen Mechanismen der biofilm Bildung hat die Erforschung von neuartigen Strategien erleichtert, bakteriellen biofilms zu kontrollieren.

Siehe auch

• Kombucha
• Mikrobische Matte
• Phototrophischer biofilms
• Stromatolite
• Chemie der Biofilm Verhinderung

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Weiterführende Literatur

Links

• Zentrum für das Hyperlehrbuch der Biofilm Technik
• Alle über biofilms in Strömen
• Biofilm, BioMineWiki
• Biofilmcommunity Diskussionsausschuss & Videointerviews mit Biofilm Experten