Wat zijn de belangrijkste kenmerken van biofilms?

1. Biofilms zijn complexe, dynamische gemeenschap structuren

Bacteriële biofilms zijn opmerkelijk heterogeen in vrijwel alle parameters die nauwkeurig en reproduceerbaar te meten. Deze heterogeniteiten: structuur, fysiologische, chemische, ecologische, elektrische, etc., zijn geïmpliceerd als de oorzaak van vele verschijnselen karakteristiek van bijgaand-tegenstelling tot de plankton-groeiwijze. Pure culturen zijn vrijwel non-existent in de wereld buiten het laboratorium. Micro-organismen, zoals andere organismen, bestaan in gemeenschappen waar verschillende interacties zijn.
Een voorbeeld van de effecten van microbiële kolonisatie op metaaloppervlakken microbieel Influenced corrosie (MIC). De aanwezigheid van micro-organismen wijzigt depositie oplossnelheden mineralen, en door dit mechanisme, beïnvloedt de elektrochemische eigenschappen van de metalen of legeringen. Putcorrosie, zoals te zien rechts in dit voorbeeld uit een roestvrij stalen oppervlak resultaat van deze activiteit.	Putcorrosie op 316S roestvrij staal, een voorbeeld van microbieel beïnvloed corrosie. Beeld, met dank aan Z. Lewandowski en W. Dickinson, MSU-CBE
Biofilms zijn ook dynamisch en reageren op hun omgeving.Bacteriële cellen kunnen losmaken van biofilms individueel of in groepjes. Toen ze los in groepjes, ze behouden de verminderde gevoeligheid voor antimicrobiële stoffen kenmerk van biofilms. Onder de juiste omstandigheden, kunnen biofilms ook migreren over oppervlakken gedurende een tijdsperiode in een verscheidenheid van manieren, zoals hieronder afgebeeld.

Alle materialen hebben bepaalde eigenschappen van elastische vaste stoffen en visceuze vloeistoffen. Biofilms lijken aspecten van zowel vaste stoffen en vloeistoffen-net als slug tonen slijm-en vallen in een categorie genaamd “visco-elastisch.” Echter, zoals biofilms sediment, of worden geschaald met roest of kalkaanslag te verzamelen, worden ze minder vocht en meer als een brosse vaste stof.
2. Genetische expressie verschilt in biofilm bacteriën in vergelijking met planktonische bacteriën
De dubbele helix structuur van moleculaire DNA (desoxyribonucleïnezuur), in 1953 ontdekt, is inmiddels een vertrouwd beeld geworden. DNA-moleculen, opgebouwd uit eenheden die genen dragen naar de “instructies” dat kenmerken van levende organismen te bepalen en omvatten het genetisch materiaal aan nakomelingen doorgegeven reproductie.De genen die DNA moleculen een belangrijke rol in de cellulaire activiteiten spelen ook. Eenvoudige cellen zoals bacteriën controle over hun interne functies met behulp van verschillende delen van hun genetische code om chemische activiteiten te initiëren. Dus, bijvoorbeeld, de consumptie van voedingsstoffen en het wegwerken van afvalstoffen zijn processen die onder invloed van genetische instructies worden uitgevoerd. Als genen worden geactiveerd om chemische producten (aminozuren en eiwitten) te maken, worden ze naar verluidtopgereguleerd ; wanneer de genen worden gedeactiveerd, worden ze neerwaarts gereguleerd . De eiwitten die door geactiveerde genen vormen ongeveer de helft van het materiaal in een cel, en zijn verantwoordelijk voor talrijke activiteiten die een cel te laten voortbestaan.
	SDS PAGE voorbereiding van de buitenste membraan eiwitten (OMP) vanPseudomonas aeruginosa cellen in planktonische en biofilm staten.Hoffelijkheid, Hongwei Yu
Aangezien niet alle genen in een cel worden geactiveerd om eiwitten hele tijd, kunnen we foto celactiviteit krijgen door onderzoek van de eiwitten geproduceerd door cellen op een bepaald tijdstip. Een manier om dit soort eiwit “snapshot” te krijgen is door een techniek genaamd SDS-PAGE (voor “natriumdodecylsulfaat” en “polyacrylamidegelelektroforese”). Deze techniek kunnen wetenschappers zien grote (dichter geplaatst) en kleine (dichter bij de bodem) cellulaire eiwitten als donkere banden in een reeks van kolommen. In de SDS PAGE gel bovenstaande zien we eiwitten van de buitenmembraan van planktonische (geschetst in blauw, lanen 1-4 en 6) en biofilm (in rood, laan 5) bacteriën, van een stam van Pseudomonas aeruginosa . De banden van eiwitten zijn opvallend verschillend, ons te vertellen dat de planktonische en biofilm vormen van een enkele soort uitdrukken verschillende genen, en daarom het uitvoeren van verschillende activiteiten.Wat zijn de gevolgen van dit verschil in de genetische expressie? Een voorbeeld is de ontwikkeling van antibiotica. Deze drugs zijn traditioneel ontwikkeld om planktonische bacteriën te doden. We weten nu echter dat planktonische bacteriën gevoeliger voor antimicrobiële dan biofilm bacteriën en ook dat veel van de mensen teistert infecties in feite veroorzaakt door bacteriën in de biofilm groeiwijze. Dus traditionele antibiotica zijn gericht op bacteriële cellen in hun relatief onbeschermde toestand. We moeten nieuwe klassen van antibiotica die bacteriën richten ontwikkelen zonder in de biofilm staat. Inzicht in de genetische activiteit van de biofilm bacteriën zal ons helpen om nieuwe manieren om deze cellen te richten en verstoren hun functies te vinden.
3. biofilm cellen kunnen gedrag via intercellulaire “communicatie” te coördineren met behulp van biochemische signaalmoleculen
Eén van de interessante aspecten van bacteriële gemeenschap leven is dat het een omgeving voor bacteriën communiceren via chemische signalen. Er zijn aanwijzingen dat sommige van deze chemische signalen, geproduceerd door cellen en door hun buitenmembraan, worden uitgelegd niet alleen door leden van dezelfde soort, maar andere soorten micro-en misschien zelfs meer complexe organismen in sommige gevallen.

In de cartoon bovenstaande worden verschillende soorten bacteriën vertegenwoordigd door verschillende kleuren. Bacteriën kunnen chemische signalen produceren ( “praten”) en andere bacteriën kunnen reageren op hen ( ‘luisteren’) in een proces bekend als cel-cel communicatie of mobiele-cell signaling. Deze mededeling kan leiden tot een gecoördineerd gedrag van microbiële populaties. Hoffelijkheid, MSU-CBE.
Planktonische populaties worden chemische signalen die door cellen niet voldoende geconcentreerd om veranderingen in de genetische expressie veroorzaken. In biofilms, het matrixmateriaal (EPS) dat cellen dicht houdt maakt concentraties signaalmoleculen op te bouwen in voldoende hoeveelheid om veranderingen in de cellulaire gedrag te bewerkstelligen. Bacteriële populaties sommige genen alleen geactiveerd wanneer zij kunnen waarnemen, via cell signaling, dat hun bevolking talrijk genoeg om het voordelig en / of “safe” te maken om deze genetische activiteit initiëren. Zo zullen sommige bacteriële pathogenen geen toxines produceren totdat ze het gevoel dat er een voldoende populatie is opgericht om afweer van de gastheer overleven. Dit systeem van erkenning bevolking is genoemd “quorum sensing.” Het werd eerst waargenomen in de mariene bacterie Vibrio fischeri , die licht kunnen produceren na een voldoende populatie heeft ontwikkeld.

Hoewel plankton cellen scheiden chemische signalen (HsLıs voor homoserine lactonen), is de lage concentratie van signaalmoleculen niet genetische expressie veranderen. Biofilm cellen worden bijeengehouden in dichte populaties, zodat het uitgescheiden HsLıs bereiken hogere concentraties. HSL moleculen vervolgens opnieuw steek de celmembranen en leiden tot veranderingen in de genetische activiteit. Hoffelijkheid, MSU-CBE.
De ontdekking dat eenvoudige cellen in staat zijn om gecoördineerd gedrag heeft ons een nieuwe waardering voor hun overlevingsstrategieën gegeven. Er is ook een goede aanwijzingen dat cell signaling de differentiatie van cellen in subpopulaties dat de verschillende activiteiten binnen een microbiële gemeenschap van een enkele soort uit te voeren kunnen reguleren. In de late jaren 1990 een onderzoek naar het mariene bacterie Pseudoalteromonas onthulde twee fysiologisch verschillende subpopulaties. In feite was er een cellulair taakverdeling: één groep verbleef aan het oppervlak en die nutriënten waarover de tweede groep, die gereproduceerd en vrijgegeven dochtercellen het omringende water.
4. Biofilms maken bacteriën minder gevoelig zijn voor antimicrobiële middelen
Vele studies hebben aangetoond dat de constructie van meercellige biofilms biedt bescherming cellen. Deze bescherming is het gevolg van intrinsieke veranderingen in genetische expressie bij zwevende bacteriële cellen hechten aan oppervlakken en beginnen biofilms te vormen. Een aantal van de veronderstelde mechanismen van bescherming tegen antimicrobiële middelen worden afgebeeld in het onderstaande schema.
A. Vrij zwevende cel nuttige voedingsstoffen, maar niet voldoende metabole activiteit substraten uit de buurt van de cellen te verminderen. Daarentegen collectieve metabole activiteit van groepen cellen in de biofilm leidt tot concentratie gradiënten en gelokaliseerde chemische microenvironments substraat. verminderde metabolische activiteit kan resulteren in minder gevoeligheid voor antimicrobiële middelen.	B. Vrij zwevende cellen dragen de genetische code voor een groot aantal beschermende stressreacties. Plankton cellen worden echter gemakkelijk overweldigd door een sterke antimicrobiële uitdaging. Deze cellen sterven voor stressreacties kunnen worden geactiveerd. Daarentegen stressreacties effectief in sommige cellen uitgevoerd in een biofilm ten koste van andere cellen die worden opgeofferd .


C. Vrij zwevende cellen neutraliseren het antimicrobiële middel.De capaciteit van een eenzame cel echter onvoldoende te stellen langs de antimicrobiële concentratie in de buurt van de cel. In tegenstelling, de collectieve neutraliserende kracht van groepen cellen leidt tot trage of onvolledige penetratie van het antimicrobiële in de biofilm .	D. Vrij zwevende cellen paaien beschermd persistorcellen. Maar onder permissieve groeiomstandigheden in een plankton cultuur, persisters snel terugkeren naar een vatbare staat. In tegenstelling persistorcellen ophopen in biofilms, omdat ze minder snel terug en worden fysiek bewaard door de biofilm matrix.