Biokile (biofilm): mikroobide limakiht — moodustumine, näited ja kaitse

Biokile (biofilm): kuidas mikroobide limakiht tekib, näited (hammastel, kividel), mõju tervisele ja kaitse antibiootikumide, kuivamise ja immuunsuse eest — kuidas ennetada ja eemaldada.

Biokile on mis tahes mikroorganismide rühm, mis kleepub rakupinnale.

Need kleepuvad rakud loovad keharakkudest väljaspool limane kiht. Biokile rakud toodavad rakuväliseid polüsahhariide, valke, lipiide ja DNA-d. Kuna neil on kolmemõõtmeline struktuur, on nad mikroorganismide jaoks kogukondlik elustiil. Neid on piltlikult kirjeldatud kui "mikroobide linnu".

Biokilebakterid saavad jagada toitaineid ja on kaitstud kohaliku keskkonna kahjulike tegurite, näiteks kuivamise, antibiootikumide ja peremeesorganismi immuunsüsteemi eest. Näitena võib tuua hammastel elavate bakterite kile. Biokiled moodustuvad ka anorgaanilistel objektidel, näiteks vees olevatel kividel.

Moodustumine

Biokile moodustumine on tavaliselt mitmeastmeline protsess:

• Algne kontakt ja pöörduv kleepumine — üksikud mikroobid kohtuvad pinnaga ja kinnituvad nõrgemate jõudude (nt hüdrofoobsus, elektrostaatika) abil.
• Püsiv kinnitumine — mikroorganismid toodavad rakuväliseid polümeere (EPS), mis kindlustavad tugeva seotuse pinnaga.
• Microkolooniate moodustumine — rakud paljunevad ja moodustavad mikrokolooniaid, mille sees tekib heterogeensus ja toitainete voogude jagunemine.
• Küpsus — biokile areneb komplekssesse 3D-struktuuri, millel on kanalid ja diferentsieerunud rakusituatsioonid; sel perioodil toimub tihti aktiivne rakkude vahelise suhtluse ehk quorum sensing reguleerimine.
• Hajumine — osa rakkudest vabaneb kihtidest ja levib uutele pindadele, et alustada uusi kolooniaid.

Koosseis ja omadused

• EPS (extracellular polymeric substances) — sisaldab polüsahhariide, valke, lipiide ja vaba DNA-d, mis moodustavad limase maatriksi.
• Mitmekesine kooslus — biokile võib koosneda ühest või paljudest mikroorganismidest (bakterid, seened, algloomad, viirused) ja nende vaheline suhtlus määrab kogukonna käitumise.
• Muudetud füsioloogia — biokile sees elavad rakud väljendavad teistsuguseid geene ja metaboliseerivad aineid erinevalt planktoonsetest rakkudest, mis muudab nad sageli vähem tundlikuks antibiootikumidele.
• Kaitsefunktsioon — EPS ja kogukondlik struktuur vähendavad desinfektantide ja immuunsüsteemi toimimist ning takistavad kuivamist.

Näited

• Hammaskile (dental plaque) — mitme bakteri kooslus, mis võib põhjustada kaariese ja igemehaigusi.
• Meditsiiniseadmetel — kateetrid, proteesid ja implantaatide pinnad võivad katta biofilmid, mis viivad krooniliste infektsioonideni.
• Hingamisteedes — näiteks Pseudomonas aeruginosa biokiled kopsupõletiku ja tsüstilise fibroosi patsientidel.
• Keskkond — kivide ja taimede pinnal vees (periphyton), laevade kere biofouling, torusüsteemide setetes ja reoveepuhastites (biokilepõhised reaktorid).
• Tööstus — biokiled võivad ummistada torusid ja mõjutada protsesside efektiivsust, kuid neid kasutatakse ka tahtlikult reoveepuhastuses ja bioremedia­tsioonis.

Tervis ja tööstuslik tähtsus

Biokiled on ühest küljest tervisele kahjulikud, kuna nad aitavad mikroobidel ellu jääda ja põhjustada pikaajalisi või korduvaid infektsioone. Teisest küljest on biofilmid kasulikud näiteks reoveepuhastuses, kus need lagundavad orgaanilist ainet ja eemaldavad saasteaineid. Meditsiinis on biokiletega seotud probleemide lahendamine keskne uurimisteema, sest tavalised antibiootilised ravimid töötavad tihti kehvemini biofilmides elavate rakkude vastu.

Kaitse ja kontroll

Biokilete vältimiseks ja eemaldamiseks kasutatakse mitmeid strateegiaid:

• Mehaaniline puhastamine — harjamine, hõõrumine või vee surve eemaldab sageli pinnal olevaid biokilde (näiteks hammaste puhastamine või torude puhastamine).
• Pinnakatted ja materjalid — anti-adhesiivsed või antimikroobsed kattekihid (nt hõbeda-, tsingi- või ravimiga immutatud pinnad) vähendavad mikroobide kinnitumist.
• Keemilised ja ensümaatilised preparaadid — desinfektsioonivahendid, antibiootikumide kombinatsioonid ja ensüümid, mis lõhustavad EPS-i.
• Quorum sensing'i inhibiitorid — ained, mis häirivad rakkudevahelist suhtlust ja takistavad biokile küpsemist.
• Bakteriofaagid ja fagiteraapia — viirused, mis nakatavad ja lüüsivad baktereid biofilmides; uuritakse kombineerituna ensüümide ja antibiootikumidega.
• Hooldus ja ennetus — hügieeniprotseduurid ning meditsiiniseadmete nõuetekohane käsitlus vähendavad biokile tekkimise riski.

Uurimismeetodid

Biokilete uurimiseks kasutatakse mitmeid meetodeid, sealhulgas konfokaalne laser-eskaneeriv mikroskoopia (3D-struktuuri visualiseerimiseks), kristallvioletne värvimisassay (kui palju materjali on pinnal), vooluraku süsteemid (reaalajas jälgimiseks) ja elektronmikroskoopia.

Kokkuvõtlikult on biokile mikroobide kollektiivne eluvorm, mis annab neile ellujäämise eeliseid kuid tekitab ka väljakutseid meditsiinis, tööstuses ja keskkonnahoolduses. Uuringud jätkuvad, et leida tõhusamaid ja ohutumaid viise biokile kontrollimiseks ning samal ajal ära kasutada nende kasulikke omadusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on biokile?

K: Mida toodavad biokile rakud?

K: Miks peetakse biokilesid mikroorganismide kogukondlikuks eluviisiks?

K: Kuidas on biofilme metafooriliselt kirjeldatud?

K: Millised on mõned kahjulikud tegurid, mille eest biofilmi bakterid on kaitstud?

K: Mis on näide biokilest?

K: Kas biokile võib tekkida ka anorgaanilistel objektidel?

Otsing