مطالب آموزشی

بیوفیلم

بیوفیلم

مجموعه ای سازمان یافته ومتراکم از میکروارگانیسم ها هستند که بوسیله گروهی از مواد خارج سلولی احاطه می شوند 

روی بسیاری از سطوح زنده وغیرزنده تشکیل می شوند. میکروارگانیسم های که بیوفیلم ها را تشکیل می دهند می توانند از خانواده قارچ ها، باکتری ها ویا آغازیان باشند.

بیوفیلم ها درسال 1978 توسط کاسترتون در مورد باکتری ها شرح داده شدند،

در زیست لایه های باکتریال باکتری ها می توانند از اجتماع یک گونه واحد باکتریایی باشند یا می توانند اجتماعی ازچند گونه متفاوت باشند.

ویژگی های بیوفیلم:

ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ ﻫﺎ و ﺗﻮده ﻫﺎي ﻣﯿﮑﺮوﺑﯽ ﺧﺎﺻﯿﺖ ﻫﺎي ﻓﯿﺰﯾﮑﻮﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ دارﻧﺪ ﮐﻪ ﺑﺮاي ﮐﺎرﮐﺮد آنﻫﺎ در ﻃﺒﯿﻌﺖ،

ارزش ﺳﺮﻧﻮﺷﺖ ﺳﺎزي دارﻧﺪ. اﯾﻦ وﯾﮋه ﮔﯽ ﻫﺎ ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ :

 ﭘﺎﯾﺪارﺑﻮدن ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ اﺻﻄﮑﺎك

– ﭘﺎﯾﺪاري ﻣﮑﺎﻧﯿﮑﯽ ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ ﻫﺎ و ﺗﻮده ﻫﺎ

– ﭘﺎﯾﺪاري ﻫﯿﺪروﻟﯿﺘﯿﮑﯽ ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ در ﻏﺸﺎءﻫﺎي ﺟﺪا ﮐﻨﻨﺪه

– ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺑﻪ ﻫﺪاﯾﺖ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ در ﻧﻮﺳﺎن ﻫﺎي دﻣﺎ

– ﻣﻘﺎوﻣﺖ اﻧﺘﺸﺎري ﻣﺎﺗﺮﯾﮑﺲ ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ در راﮐﺘﻮرﻫﺎي ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻤﯽ

– ﮔﻨﺠﺎﯾﺶ ﺟﺬب ﺳﻄﺤﯽ، ﺑﻪ وﯾﮋه ﺳﺎزوﮐﺎرﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ ﻫﺎ در ﺟﺬب ﺳﻄﺤﯽ ﺑﯿﻮﻟﻮژﯾﮑﯽ

– ﺧﺎﺻﯿﺖ ﭘﯿﻮﻧﺪ ﺑﺎ ﻣﻠﮑﻮل ﻫﺎي آب

– ﻣﻌﻤﺎري ﻣﺎﺗﺮﯾﮑﺲ و ﭘﯿﭽﯿﺪﮔﯽ ﺳﺎﺧﺘﺎر ﭘﻠﯽ ﺳﺎﮐﺎرﯾﺪﻫﺎ و آﻧﺰﯾﻢﻫﺎي ﺧﺎرج ﺳﻠﻮﻟﯽ

تشکیل بیوفیلم:

مرحله اول

        تشکیل بیوفیلم با اتصال سلولهای متحرک آزاد به سطح جامد آغاز می شود.

مرحله دوم

        این کلونی اولیه در ابتدا بصورت سست به سطح متصل می شود، به طوری که با اعمال نیرو این اتصال برگشت پذیر است و کلونی ها از سطح جدا می شوند.

اگر کلونی در کمترین زمان ممکن از سطح جدا نشود، با استفاده از اجزای چسبنده سلول مانند پیلی ها می توانند خود را به صورت پایدار به سطح متصل کنند.

مرحله سوم

        اولین کلونی با ایجاد نقاط اتصال مختلف روی سطح و ساختن ماده زمینه ای که بیوفیلم را به هم پیوسته نگه می دارد، ورود دیگر سلولها را آسان می کند.

فقط برخی از گونه ها با استفاده از قابلیت هایشان قادر به اتصال به سطح هستند.

دیگر گونه ها اغلب خود را به ماتریکس یا بصورت مستقیم به کلونی اولیه متصل می کنند.

مرحله چهارم

       در حین تقسیم سلولی و ورود میکروارگانیسم های جدید تشکیل می شود

بطور معمول روی بسترهای جامد که درون یا روی محیط های مایع قرار دارند، یافت می شود.

مرحله پنجم

     روی سطوح مختلف مانند تخته سنگ ها، درون آب، روی مواد غذایی و اجزای مصنوعی کاشته شده در بدن انسان می تواند رشد کند.

ماده زمینه، سلول ها را در درون خود محافظت کرده، با استفاده از سیگنال های شیمیایی وفیزیکی به برقراری ارتباطات بین آنها کمک می کند.

مرحله ششم

        درون برخیاز آنها کانال های محتوی آب یافت می شود که انتشار مواد غذایی وملکول های سیگنال را به عهده دارد.

در مواردی این ماتریکس به قدری محکم است که بیوفیلم می تواند بصورت فسیل حفظ شود.

مرحله هفتم

        باکتری های درون بیوفیلم بصورت مشخصی از باکتری های شناور و آزاد از حیث توانایی شان متمایز هستند؛

زیرا محیط متراکم و حفاظت شده ی بیوفیلم به آنها اجازه تعامل از راه های مختلف را می دهد.

یکی از فایده های این محیط، افزایش تحمل نسبت به مواد پاک کننده [دترجنت ها] و آنتی بیوتیک هاست 

این به دلیل حفاظت لایه های بیرونی از جمعیت های واقع در بخش های درونی بیوفیلم است.

مرحله هشتم

        گونه Bacillus subtilis یک باکتری خاکزی است که در ریزوسفر اغلب گیاهان یافت می شود

به عنوان باکتری مدل برای باکتری های گرم مثبتف تحقیقات زیادی روی ان انجام گرفته است.

این باکتری ریشه گیاه را کلنیزه کرده، سبب افزایش رشد گیاه می شود وبه عنوان یک عامل بیوکنترل عوامل بیماریزای گیاهی مطرح است.

برخی استرین های آن به صورت تجاری برای کنترل قارچ ها و باکتری های بیماریزای گیاهی استفاده می شوند

مراحل تشکیل بیو فیلم:

  1. اتصال ابتدائی برگشت پذیر
  2. اتصال برگشت ناپذیر به سطوح
  3. تشکیل میکروکلونی ها
  4. بلوغ میکروکلونی ها همراه با تشکیل EPS

زمانی که باکتری ها پارامترهای ویژه محیطی را احساس می کنند، این مراحل آغاز می شوند.

دربین باکتری ها، Pseudomonas fluorescens تحت همه شرایط آزمایش شده، تشکیل بیوفیلم می دهد.

این باکتری مسیرهای ژنتیکی مختلفی را برای آغاز تشکیل بیوفیلم استفاده می کند

مراحل آغازی بیوفیلم:

  • مرحله اول، تعامل آغازی با سطح است که نیاز به سنتز پروتئین جدید دارد
  • مرحله دوم، نگهداری کوتاه مدت از سلولهای متصل است که نیازی به سنتز پروتئین جدید ندارد.

محل های تشکیل بیوفیلم:

  • تشکیل بیوفیلم روی بذر
  • تشکیل بیوفیلم در فیلوسفر
  • تشکیل بیوفیلم در ریزوسفر
  • تشکیل بیوفیلم روی سطح قارچ های همزیست ریشه
  • تشکیل بیوفیلم به وسیله بیمارگرهای گیاهی با تاکید بربیمارگرهای آوندی 

بلوغ بیوفیلم:

با گذشت زمان میکروکلونی ها به بیوفیلم بالغ تبدیل می شوند که به طور معمول همراه با تولید EPS  است.

زمانی که سلولها برای یک زندگی غیرمتحرک روی سطح تنظیم می شوند، تاژک خود را از دست می دهند و تولید EPS افزایش می یابد.

در باکتری P. fluorescens دو سیستم QS در تنظیم تشکیل بیوفیلم دخالت دارند:

PhzI|phzR  که تولید آنتی بیوتیک فنازین می کند.

جهش در این سیستم تاثیر بیشتری بر بیوفیلم دارد و این موضوع نشان می دهد که فنازین برای تشکیل بیوفیلم لازم است.

CsaR|CsaI

مزایای بیوفیلم:

  • بیوفیلم ها برای بقای باکتری و کلنیزاسیون قسمت های مختلف گیاه و نیز بقای بیمارگرها در خارج از میزبان مهم هستند.
  • بیوفیلم ها موجب افزایش مقاومت در برابر برخی تنش های زیست محیطی ونیز تحمل مواد ضدمیکروبی، حفاظت از شکار شدن بوسیله ی آغازیان تک سلولی یا دستیابی به انتقال ژن افقی می شوند.
  • افزایش مقاومت به اشعه فرابنفش
  • قابلیت های تجزیه کنندگی زیستی
  • افزایش تولید متابولیت های ثانویه
  • تراکم زیاد جمعیت فرصتی برای انجام برخی فرآیندها فراهم می کند که سلولهای منفرد یا پلانکتونی نمی توانند به طور موثر انجام دهند؛ مانند تولید یا دفع متابولیت ها یا آنزیم هایی که تنها در حد بالای غلظت آستانه، موثر هستند.
  • تشکیل بیوفیلم راهی برای حفظ توده زنده سلولی در محلی خاص و برای دوره ای معین، برای آغاز تعاملات بهتر با محیط است.

فواید مهم تشکیل بیوفیلم در مقایسه با زندگی به صورت سلولهای منفرد یا پلانکتونی:

حفاظت در مقابل شرایط نامساعدمحیطی و مقاومت به آنتی بیوتیک ها

قابلیت استفاده از مواد غذایی و همکاری متابولیکی

اکتساب ویژگی های جدید ژنتیکی

کلنیزاسیون

انواع اتصال:

دو ﻧﻮع اﺻﻠﯽ از ﺳﻠﻮل ﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس ﻧﻮع اﺗﺼﺎﻟﺸﺎن ﺑﻪ ﺳﻄﺢ وﺟﻮد دارد:

ﺳﺴﯿﻞ (sessile ) ﺑﻪ ﺳﻠﻮل ﻫﺎﯾﯽ ﮐﻪ ﻏﯿﺮﻣﺘﺤﺮك و ﺛﺎﺑﺖ ﻫﺴﺘﻨﺪ و درون ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ ﻗﺮار دارﻧﺪ ﮔﻮﯾﻨﺪ.

ﺳﻠﻮل ﻫﺎي ﭘﻼﻧﮑﺘﻮﻧﯽplanktonic)) ﺳﻠﻮل ﻫﺎﯾﯽ ﮐﻪ ازاداﻧﻪ در ﻓﺎز اﺑﮑﯽ ﺷﻨﺎور ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﻪ ﺑﯿﻮﻓﯿﻠﻢ ﻣﺘﺼﻞ ﻧﯿﺴﺘﻨﺪ

ﺳﻠﻮل ﻫﺎي ﺛﺎﺑﺖ ﺷﺪه روي ﺳﻄﺢ رﺷﺪ و ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﺜﻞ ﻣﯽ ﮐﻨﻨﺪ و ﻫﻤﺰﻣﺎن ﺑﻪ ﺳﺎﯾﺮ ﺳﻠﻮل ﻫﺎ و ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ﺳﻄﺢ ﻣﺘﺼﻞ ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ

اﯾﻦ ﺳﻠﻮل ﻫﺎ ﭘﻠﯽ ﻣﺮﻫﺎي ﺧﺎرج ﺳﻠﻮﻟﯽ (extracellular polymers) ﻧﯿﺰ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽ ﮐﻨﻨﺪ

ﮐﻪ از ﺳﻠﻮل ﻫﺎ ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﺎﺗﺮﯾﮑﺴﯽ از ﻓﯿﺒﺮﻫﺎ (matrix of fibers) ﺑﻪ ﺑﯿﺮون ﺗﺮﺷﺢ ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ.

تفاوت سطوح زنده وغیر زنده از لحاظ تشکیل بیوفیلم:

  1. سطوح زنده به عنوان منبع غذایی برای باکتری ها محسوب می شوند
  2. شیموتاکسی نقش مهمی در اتصال باکتری ها به سطح ریشه گیاهان بازی می کند، ولی در تشکیل بیوفیلم روی سطوح غیرزنده نقشی ندارد.

چند سولی بودن باکتری ها:

        سلولهای باکتری قابلیت تصمیم گیری وتجمع دارند که آنها را قادر به رشد هماهنگ، حرکت و فعالیت های بیوشیمیایی می سازد.

        رفتارهای تجمعی و هماهنگ در میان تاکسون های باکتریایی، محدود به گروه خاصی نیست.

        جمعیت های باکتریایی فواید زیادی از همکاری چند سلولی و توانایی شان برای یکی کردن فعالیت های گوناگون سلولهای مختلف به دست آورده اند،

مانند: تکثیر کارآمدتر که از تقسیم کار سلولی منتج می شود؛

دسترسی به منابعی که بوسیله سلولهای منفرد قادر به استفاده نیستند؛

دفاع در مقابل آنتاگونیست هایی که سلولهای منفرد را حذف می کنند؛ و در آخر،

بهینه سازی بقای جمعیت بر اثر تمایز به انواع سلولهای مجزا.

سیستم های عمومی برای بررسی بیوفیلم ها:

        سلولهای شناور؛ اتاقک های کوچک که بیوفیلم های تازه تشکیل یافته در آنها از مواد غذایی تازه استفاده می کنند ومی توان آنها را با روش های جدید میکروسکوپی CSLM مشاهده کرد.

        ظروف میکروتیتر بدون جریان؛ که برای غربال جهش یافتگان مناسب هستند.

        لایه غشایی نازک؛ که در فاز میانی گازـ مایع تشکیل می شود.

        کلونی هایی که روی سطح ظروف آگار رشد می کنند ومعماری پیچیده ای را نشان می دهند.

ویژگی های تشکیل بیوفیلم:

  1. سلولهای سازنده به وسیله یک ماده زمینه خارج سلولی مرکب از اگزوپلی ساکاریدها،

پروتئین ها و گاهی اسیدهای نوکلئیک به هم می چسبند.

  1. توسعه بیوفیلم در پاسخ به پیام های خارج سلولی که هم محیطی است و هم به وسیله خودشان تولید شده اند، رخ می دهد.
  2. بیوفیلم ها سبب محافظت از باکتری ها در مقابل بسیاری از آسیب های محیطی مختلف مانند آنتی بیوتیک ها،

شکارگرها [پرادتورها] وسیستم ایمنی بدن انسان می شوند.

تاثیر بیوفیلم بر بیولوژی و اکولوژی باکتری:

  1. حفاظت در مقابل خشکی، اشعه فرابنفش، شکارگرها و باکتری کشها
  2. افزایش تغییرات ژنتیکی وتحریک برخی ژن های وابسته به تراکم و نیازمند به تجمع ملکولهای اسیل هموسرین لاکتون[ AHL] از راه فرایندی به نام سیستم حد نصاب احساس است.

تاثیر ساختاربیوفیلم بربیوکنترل در باکتری های پروبیوتیک گیاهی:

        بیوفیلم سازوکاری مهم در بقای باکتری هاست.

سلولهای موجود در بیوفیلم در برابر شرایط نا مساعد محیطی و ترکیباتی مانند مواد پاک کننده و آنتی بیوتیک ها مقاومند.

استفاده از کلر برای انهدام بیوفیلم ها اغلب ناموفق است؛

زیرا ترکیبات بیوساید فقط باکتری هایی را که در سطوح بیرونی بیوفیلم قرار دارند، از بین می برد.

استفاده دوباره از عوامل ضد میکروبی موجب توسعه باکتری های مقاوم به مواد سمی می شود.

بنابراین بیوفیلم موجب حفاظت از باکتری ها در محیط می شود وامکان بقای آنها را فراهم می آورد.

باکتری های درون بیوفیلم می توانند با شرایط اسمزی بیشتر، محدودیت اکسیژن بیشتر وتراکم سلولی بیشتر نسبت به محیط کشت مایع مقابله کنند.

        باکتری Bacillus subtilis به محض کلنیزاسیون ریشه مقدارزیادی بیوفیلم تولید کرده،

مانع کلنیزاسیون ریشه به وسیله بقیه میکروارگانیسم ها می شود،

استرین های مختلف باکتری با تولید بیوفیلم با عوامل بیماریزا روی ریشه رقابت مکانی ایجاد می کنند.

سورفکتین یک لیپوپپتید و بیو سورفکتانت [موادی که سبب کاهش کشش سطحی می شوند] مهم با نیمه عمر زیاد و دامنه عملکرد وسیع است

و در نگهداری ساختار خارجی بیوفیلم نقش مهمی ایفا می کند.

این باکتری به محض کلنیزاسیون ریشه، مقدار زیادی بیوفیلم و سورفکتین تولید می کند که مانع کلنیزاسیون ریشه به وسیله بقیه میکروارگانیسم ها می شود.

ژن های موثر بر تشکیل بیوفیلم باکتری های گیاهی: 

اولین توصیف ژن های اختصاصی مربوط به نقش تنظیمی این ژن ها روی تشکیل بیوفیلم با استفاده از ژن گزارشگر lacZ توسط داگوستینو و همکاران در سال 1991 و داویس و همکاران در 1993 بود که منجر به اثبات بیان بیشتر برخی ژن ها در هنگام بروز فنوتیپ بیوفیلم شد.

ژن yqxM ژنی با عملکرد ناشناخته است که با ژن های سیپ دبلیو و تی ای اس ای در یک اپرون قرار دارند.

این اپرون که در اوایل فاز سکون بیان می شود، نقش اساسی در تولید پروتئین های موجود در بیوفیلم باکتری باسیلوس سابتیلیس ایفا می کند.

ژن اس آی پی دبلیو سیگنالی از نوع پپتیداز

ژن تی ای اس ای آنتی بیوتیکی با ساختار پروتئینی وابسته به مسیر اس ای پی دبلیو را تولید می کند.

وای کیو ایکس ام با تجمع زیاد نمک تحریک می شود وترشح آن نیز تحت کنترل ژن اس ای پی دبلیو است.

یکسری از دانشمندان و همکاران شان  ژن هایی را که در تشکیل بیوفیلم دخیل بودند بررسی کردند.

نتایج این بررسی ها نشان داد که تولید بیوفیلم ها با دخالت اپرون پانزده ژنی ای پی اس ای او که تحت کنترل منفی پروتئین تنظیمی اس آی ان آر است،

هدایت می شود واپرون سه ژنی وای کیو ایکس ام، اس آی پی دبلیو وتی ای اس ای برای تشکیل بیوفیلم ضروری است

که این اپرون نیز بوسیله اس آی ان آر بصورت منفی کنترل می شود.

اس آی ان ار بوسیله یک پپتید کوچک به نام اس آی ان آی و دو پروتئین دیگر با عملکرد ناشناخته ای به نام های وای ام سی ای و وای یک بی اف ممانعت می شود.

در این تحقیق،

استرین های آزمایشگاهی برخلاف استرین های وحشی، پلیکل نازک، ضعیف وشکننده با کلونی های تخت وبدون شکل مشخص تولید می کنند.

بنابر تحقیقات انجام گرفته، اس آی ان ار تنظیم کننده اصلی در تولید بیوفیلم است و ژن های موجود در اپرون فوق،

مهم ترین ژن های تحت کنترل اس آی ان آر و موثر بر تشکیل بیوفیلم هستند.

با ایجاد جهش بر روی ژن های تی ای اس ای و اس آی پی دبلیو ضرورت بیان این دو ژن در توسعه بیوفیلم اثبات شده است.

بیوفیلم در باکتری های بیماریزای گیاهی:

باکتری ها در مرحله تشکیل بیوفیلم بهتر از سلولهای منفرد با شرایط خشکی کنار می آیند.

  • باکتری pseudomonas syringae pv. syringae روی برگ لوبیا تشکیل بیوفیلم می دهد.
  • Agrobacterium tumefaciens نیز روی سطوح غیرزنده و ریشه تشکیل بیوفیلم می دهد.
  • Xyllela fastidosaعامل بیماری پیرس انگور وکلروز رنگارنگ مرکبات، عناصر چوبی را بصورت بیوفیلم کلنیزه می کند.
  • باکتری Clavibacter michiganesis subsp. sepidonicus سبب پوسیدگی حلقوی باکتریایی در سیب زمینی می شود.

این باکتری گرم مثبت، توده های بزرگ باکتریایی تشکیل می دهد

که در یک ماده زمینه اگزوپلیمری قرار می گیرند وبه آوندهای چوبی متصل می شوند.

  • باکتری پنتوئی عامل پژمردگی ذرت بافت چوب را کلنیزه می کند.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید
بستن
دکمه بازگشت به بالا