Biofilm: ciri-ciri, bentukan, jenis dan contohnya

biofilm atau biofilm adalah komunitas mikroorganisme yang melekat pada permukaan, yang tinggal di sebuah matriks ekstraselular zat polimer diri – dihasilkan. Mereka awalnya dijelaskan oleh Antoine von Leeuwenhoek, ketika dia memeriksa “hewan” (dengan demikian dibaptis olehnya), di atas sepiring bahan dari giginya sendiri pada abad ketujuh belas.

Teori yang mengkonseptualisasikan biofilm dan menjelaskan proses pembentukannya belum dikembangkan sampai tahun 1978. Ditemukan bahwa kemampuan mikroorganisme untuk membentuk biofilm tampaknya bersifat universal.

Gambar 1. Biofilm yang dihasilkan oleh Staphylococcus aureus dalam kateter. Sumber: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. melalui https://commons.wikimedia.org

Biofilm dapat berada di lingkungan yang beragam seperti sistem alami, saluran air, tangki penyimpanan air, sistem industri, serta di berbagai media seperti perangkat medis dan perangkat untuk permanen pada pasien rumah sakit (seperti kateter, misalnya).

Melalui penggunaan mikroskop elektron pemindaian dan mikroskop laser pemindaian confocal, ditemukan bahwa biofilm tidak homogen, endapan sel tidak terstruktur dan akumulasi lumpur, melainkan struktur heterogen yang kompleks.

Biofilm adalah komunitas kompleks dari sel-sel terkait pada permukaan, tertanam dalam matriks polimer yang sangat terhidrasi yang airnya berperedaran melalui saluran terbuka dalam struktur.

Banyak organisme yang telah berhasil bertahan hidup selama jutaan tahun di lingkungan, misalnya spesies dari genus Pseudomonas dan Legionella , menggunakan strategi biofilm di lingkungan selain lingkungan asalnya.

Indeks artikel

Karakteristik biofilm

Karakteristik kimia dan fisik dari matriks biofilm

Substansi ekstraseluler polimer yang disekresikan oleh mikroorganisme dari biofilm, makromolekul polisakarida, protein, asam nukleat, lipid dan biopolimer lainnya, sebagian besar molekul yang sangat hidrofilik, menyeberang untuk membentuk struktur tiga dimensi yang disebut matriks biofilm.

-Struktur matriks sangat viskoelastik, memiliki sifat karet, tahan terhadap traksi dan kerusakan mekanis.

-Matriks memiliki kemampuan untuk melekat pada permukaan antarmuka, termasuk ruang internal media berpori, melalui polisakarida ekstraseluler yang bertindak sebagai gusi yang melekat.

-Matriks polimer sebagian besar anionik dan juga mencakup zat anorganik seperti kation logam.

-Ini memiliki saluran air di mana oksigen, nutrisi, dan zat limbah berperedaran yang dapat didaur ulang.

-Matriks biofilm ini bekerja sebagai sarana perlindungan dan kelangsungan hidup terhadap lingkungan yang merugikan, penghalang terhadap penjajah fagosit dan terhadap masuknya dan difusi desinfektan dan antibiotik.

Karakteristik ekofisiologis biofilm

-Pembentukan matriks dalam gradien non-homogen menghasilkan berbagai habitat mikro, yang memungkinkan keanekaragaman hayati ada di dalam biofilm.

-Dalam matriks, bentuk kehidupan seluler secara radikal berbeda dari kehidupan bebas, tidak terkait. Mikroorganisme biofilm tidak bergerak, sangat dekat satu sama lain, berasosiasi dalam koloni; fakta ini memungkinkan terjadinya interaksi yang intens.

-Interaksi antara mikroorganisme dalam biofilm termasuk komunikasi melalui sinyal kimia dalam kode yang disebut “penginderaan kuorum”.

-Ada interaksi penting lainnya seperti transfer gen dan pembentukan mikro-konsorsium sinergis.

-Fenotipe biofilm dapat dijelaskan dalam hal gen yang diekspresikan oleh sel terkait. Fenotipe ini diubah sehubungan dengan laju pertumbuhan dan transkripsi gen.

-Organisme dalam biofilm dapat menyalin gen yang tidak menyalin bentuk planktonik atau kehidupan bebasnya.

-Proses pembentukan biofilm diatur oleh gen tertentu, ditranskripsi selama adhesi sel awal.

-Dalam ruang terbatas matriks, ada mekanisme kerja sama dan kompetisi. Kompetisi menghasilkan adaptasi konstan dalam populasi biologis.

-Sebuah sistem pencernaan eksternal kolektif dihasilkan, yang mempertahankan enzim ekstraseluler dekat dengan sel.

-Sistem enzimatik ini memungkinkan untuk menyerap, mengakumulasi dan memetabolisme, terlarut, koloid dan / atau nutrisi tersuspensi.

-Matriks berfungsi sebagai area daur ulang eksternal umum, penyimpanan komponen sel yang lisis, juga berfungsi sebagai arsip genetik kolektif.

-Biofilm berfungsi sebagai penghalang struktural pelindung terhadap perubahan lingkungan seperti pengeringan, aksi biosida, antibiotik, respon imun inang, agen pengoksidasi, kation logam, radiasi ultraviolet dan juga merupakan pertahanan terhadap banyak predator seperti protozoa fagositik dan serangga.

-Matriks biofilm merupakan lingkungan ekologi yang unik untuk mikroorganisme, yang memungkinkan cara hidup yang dinamis bagi komunitas biologis. Biofilm adalah mikroekosistem sejati.

Pembentukan biofilm

Pembentukan biofilm adalah proses di mana mikroorganisme beralih dari keadaan uniseluler nomaden yang hidup bebas ke keadaan menetap multiseluler, di mana pertumbuhan selanjutnya menghasilkan komunitas terstruktur dengan diferensiasi seluler.

Perkembangan biofilm terjadi sebagai respons terhadap sinyal lingkungan ekstraseluler dan sinyal yang dihasilkan sendiri.

Para peneliti yang telah mempelajari biofilm setuju bahwa adalah mungkin untuk membangun caral hipotetis umum untuk menjelaskan pembentukannya.

Model pembentukan biofilm ini terdiri dari 5 tahap:

  1. Adhesi awal ke permukaan.
  2. Pembentukan lapisan tunggal.
  3. Migrasi untuk membentuk mikrokoloni multilayer.
  4. Produksi matriks ekstraseluler polimer.
  5. Pematangan biofilm tiga dimensi.

Gambar 2. Proses pembentukan biofilm. Sumber: D. Davis [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], melalui Wikimedia Commons

Adhesi awal ke permukaan

Pembentukan biofilm dimulai dengan adhesi awal mikroorganisme ke permukaan padat, di mana mereka menjadi tidak bergerak. Telah ditemukan bahwa mikroorganisme memiliki sensor permukaan dan protein permukaan terlibat dalam pembentukan matriks.

Pada organisme yang tidak bergerak, ketika kondisi lingkungan menguntungkan, produksi adhesin pada permukaan luarnya meningkat. Dengan cara ini, ia meningkatkan kapasitasnya untuk adhesi sel-sel dan permukaan sel.

Dalam kasus spesies bergerak, mikroorganisme individu terletak di permukaan dan ini adalah titik awal menuju perubahan radikal dalam cara hidup mereka dari bergerak bebas nomaden, menetap, hampir tidak bergerak.

Kemampuan untuk bergerak karena itu hilang dalam pembentukan matriks, struktur yang berbeda seperti flagela, silia, pilus dan fimbria berpartisipasi, selain zat perekat.

Kemudian, dalam kedua kasus (mikroorganisme bergerak dan tidak bergerak), agregat kecil atau mikrokoloni terbentuk dan kontak sel-sel yang lebih intens dihasilkan; perubahan fenotipik adaptif terhadap lingkungan baru terjadi pada sel yang berkerumun.

Pembentukan monolayer dan mikrokoloni dalam multilayers

Produksi zat polimer ekstraseluler dimulai, pembentukan awal di monolayer terjadi dan perkembangan selanjutnya di multilayer.

Produksi matriks ekstraseluler polimer dan pematangan biofilm tiga dimensi

Akhirnya, biofilm mencapai tahap kedewasaannya, dengan arsitektur tiga dimensi dan adanya saluran yang melaluinya air, nutrisi, bahan kimia komunikasi, dan asam nukleat berperedaran.

Matriks biofilm mempertahankan sel dan menyatukannya, mempromosikan interaksi tingkat tinggi dengan komunikasi antar sel dan pembentukan konsorsium sinergis. Sel-sel biofilm tidak sepenuhnya bergerak, mereka dapat bergerak di dalamnya dan juga melepaskan diri.

Jenis-jenis biofilm

Jumlah spesies

Menurut jumlah spesies yang berpartisipasi dalam biofilm, yang terakhir dapat diklasifikasikan menjadi:

  • Biofilm suatu spesies. Misalnya, biofilm yang dibentuk oleh Streptococcus mutans atau Vellionella parvula.
  • Biofilm dari dua spesies. Misalnya, asosiasi Streptococcus mutans dan Vellionela parvula dalam biofilm juga telah ditemukan .
  • Biofilm polimikrobial, terdiri dari banyak spesies . Misalnya plak gigi.

Lingkungan pelatihan

Juga tergantung pada lingkungan di mana mereka terbentuk, biofilm dapat:

  • Alami
  • Industri
  • Lokal
  • Ramah

Gambar 3. Biofilm bakteri termofilik di Mickey Hot Springs, Oregon, AS. Sumber: Amateria1121 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], dari Wikimedia Commons

Jenis antarmuka tempat mereka dihasilkan

Di sisi lain, menurut jenis antarmuka di mana mereka dibentuk, adalah mungkin untuk mengklasifikasikan mereka menjadi:

  • Biofilm antarmuka padat-cair , seperti yang terbentuk di saluran air dan tangki, pipa dan tangki air pada umumnya.
  • Biofilm antarmuka gas padat (SAB untuk akronimnya dalam Bahasa Inggris Sub Aeral Biofilms); yang merupakan komunitas mikroba yang berkembang pada permukaan mineral padat, yang terpapar langsung ke atmosfer dan radiasi matahari. Mereka ditemukan di gedung-gedung, bebatuan gurun yang gundul, pegunungan, dan lain-lain.

Contoh biofilm

-Plak gigi

Plak gigi telah dipelajari sebagai contoh menarik dari komunitas kompleks yang hidup dalam biofilm. Biofilm pelat gigi keras dan tidak elastis, karena adanya garam anorganik, yang memberikan kekakuan pada matriks polimer.

Mikroorganisme plak gigi sangat bervariasi dan terdapat antara 200 hingga 300 spesies yang berasosiasi dalam biofilm.

Di antara mikroorganisme tersebut adalah:

  • genus Streptokokus ; terdiri dari bakteri aciduric yang demineralisasi email dan dentin, dan memulai karies gigi. Misalnya spesies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis dan S. milleri.
  • Genus Lactobacillus , terdiri dari bakteri acidophilic mendenaturasi protein dentin. Misalnya, spesies: casei, L. fermentum, L. acidophillus .
  • Genus Actinomyces , yang merupakan mikroorganisme aciduric dan proteolitik. Di antaranya, spesies: viscosus, A. odontoticus dan A. naeslundii.
  • Dan genus lainnya , seperti: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis dan Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilm dalam air hitam

Contoh lain yang menarik adalah air limbah domestik, di mana mikroorganisme nitrifikasi yang mengoksidasi amonium, nitrit dan bakteri nitrifikasi autotrofik hidup dalam biofilm yang menempel pada pipa.

Di antara bakteri pengoksidasi amonium dalam biofilm ini, spesies yang dominan secara numerik adalah genus Nitrosomonas, yang tersebar di seluruh matriks biofilm.

Komponen mayoritas dalam kelompok oksidan nitrit adalah dari genus Nitrospira, yang hanya terletak di bagian dalam biofilm.

– Biofilm Subaerie

Biofilm subaerie dicirikan oleh pertumbuhan yang tidak merata pada permukaan mineral padat seperti batu dan bangunan perkotaan. Biofilm ini menyajikan asosiasi dominan jamur, alga, cyanobacteria, bakteri heterotrofik, protozoa, serta hewan mikroskopis.

Secara khusus, biofilm SAB memiliki mikroorganisme chemolytotrophic, yang mampu memanfaatkan bahan kimia mineral anorganik sebagai sumber energi.

Mikroorganisme kemolitotrofik memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa anorganik seperti H 2 , NH 3 , NO 2 , S, HS, Fe 2+ dan memanfaatkan energi potensial listrik yang dihasilkan oleh oksidasi dalam metabolismenya.

Di antara spesies mikroba yang ada dalam biofilm subaerial adalah:

  • Bakteri dari genus Geodermatophilus; cyanobacteria dari genus C hrococcoccidiopsis, coccoid dan spesies berfilamen seperti Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Ganggang hijau dari genus Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia dan Stichococcus.
  • Bakteri heterotrofik (dominan dalam biofilm subaerial): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp ., Paenibacillus sp ., Pseudomonas sp . dan Rhodococcus sp .
  • Bakteri dan jamur kemoorganotrofik seperti Actynomycetales (streptomycetes dan Geodermatophilaceae) , Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria dan Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

– Biofilm agen penyebab penyakit manusia

Banyak bakteri yang dikenal sebagai agen penyebab penyakit manusia hidup dalam biofilm. Di antaranya adalah: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans dan Legionella pneumophyla.

-Pes pes

Yang menarik adalah penularan penyakit pes melalui gigitan kutu, adaptasi yang relatif baru dari agen bakteri penyebab penyakit ini, Yersinia pestis.

Bakteri ini tumbuh sebagai biofilm yang menempel pada sistem pencernaan bagian atas vektor (kutu). Selama gigitan, kutu memuntahkan biofilm yang mengandung Yersinia pestis di dermis, sehingga memulai infeksi.

– Kateter vena rumah sakit

Organisme yang diisolasi dari biofilm pada kateter vena sentral yang dieksplan termasuk bakteri Gram-positif dan Gram-negatif yang menakjubkan, serta mikroorganisme lainnya.

Beberapa penelitian ilmiah melaporkan sebagai bakteri gram positif biofilm dalam kateter vena: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis , Stppreptococcus spp . dan Streptokokus pneumonia.

Di antara bakteri Gram-negatif diisolasi dari biofilm ini dilaporkan: Acinetobacter spp , Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp, Providencia .. Spp . dan Serratia marcescens.

Organisme lain yang ditemukan dalam biofilm ini adalah: Candida spp ., Candida albicans, Candida tropicalis dan Mycobacterium chelonei.

-Dalam industri

Mengenai operasi industri, biofilm menghasilkan penghalang pipa, kerusakan peralatan, gangguan dalam proses seperti perpindahan panas saat menutupi permukaan penukar, atau korosi pada bagian logam.

Industri makanan

Pembentukan film dalam industri makanan dapat menimbulkan masalah kesehatan dan operasional yang signifikan.

Patogen terkait dalam biofilm dapat mencemari produk makanan dengan bakteri patogen dan menyebabkan masalah kesehatan masyarakat yang serius bagi konsumen.

Di antara biofilm patogen yang terkait dengan industri makanan adalah:

Listeria monocytogenes

Patogen ini digunakan pada tahap awal pembentukan biofilm, flagela dan protein membran. Membentuk biofilm pada permukaan baja mesin pengiris.

Dalam industri susu, biofilm Listeria monocytogenes dapat diproduksi dalam susu cair dan produk susu. Residu susu dalam pipa, tangki, wadah dan perangkat lain mendukung pengembangan biofilm patogen ini yang menggunakannya sebagai nutrisi yang tersedia.

Pseudomonas spp .

Biofilm bakteri ini dapat ditemukan di fasilitas industri makanan, seperti lantai, saluran air dan pada permukaan makanan seperti daging, sayuran dan buah-buahan, selain turunan asam rendah dari susu.

Pseudomonas aeruginosa mengeluarkan beberapa zat ekstraseluler yang digunakan dalam pembentukan matriks polimer biofilm, mengikuti sejumlah besar bahan anorganik seperti stainless steel.

Pseudomonas dapat hidup berdampingan dalam biofilm dalam hubungannya dengan bakteri patogen lain seperti Salmonella dan Listeria .

Salmonella sp .

Spesies Salmonella adalah agen penyebab pertama zoonosis etiologi bakteri dan wabah keracunan makanan.

Studi ilmiah telah menunjukkan bahwa Salmonella dapat melekat sebagai biofilm pada permukaan beton, baja dan plastik di fasilitas pabrik pengolahan makanan .

Spesies Salmonella memiliki struktur permukaan dengan sifat yang melekat. Selain itu, menghasilkan selulosa sebagai zat ekstraseluler, yang merupakan komponen utama dari matriks polimer.

Escherichia coli

Ini menggunakan flagela dan protein membran pada langkah awal pembentukan biofilm. Ini juga menghasilkan selulosa ekstraseluler untuk menghasilkan kerangka tiga dimensi matriks dalam biofilm.

Resistensi biofilm terhadap desinfektan, germisida dan antibiotik

Biofilm menawarkan perlindungan terhadap mikroorganisme yang menyusunnya, terhadap aksi disinfektan, germisida, dan antibiotik. Mekanisme yang memungkinkan fitur ini adalah sebagai berikut:

  • Keterlambatan penetrasi agen antimikroba melalui matriks tiga dimensi biofilm, karena difusi yang sangat lambat dan sulitnya mencapai konsentrasi efektif.
  • Perubahan laju pertumbuhan dan rendahnya metabolisme mikroorganisme dalam biofilm.
  • Perubahan respon fisiologis mikroorganisme selama pertumbuhan biofilm, dengan ekspresi gen resistensi yang berubah.

Referensi

  1. Biofilm Bakteri. (2008). Topik Saat Ini di Mikrobiologi dan Imunologi. Editor Tony Romeo. Jilid 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. hal.301
  2. Donlan, RM dan Costerton, JW (2002). Biofilm: mekanisme kelangsungan hidup mikroorganisme yang relevan secara klinis. Ulasan Mikrobiologi Klinis. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, HC dan Wingender, F. (2010). Matriks biofilm. Ulasan Alam Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Kehidupan di bebatuan. Mikrobiologi Lingkungan. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O’Toole, G., Kaplan, HB dan Kolter, R. (2000). Pembentukan biofilm sebagai perkembangan mikroba. Tinjauan Tahunan Mikrobiologi 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW dan Stoodley, P. (2004). Biofilm bakteri: dari lingkungan alami hingga penyakit menular. Ulasan Alam Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. dan Mattick, J. (2002). DNA ekstraseluler diperlukan untuk pembentukan biofilm bakteri. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / sains.295.5559.1487