バイオフィルムの特性、形成、種類および例



の バイオフィルム ○ バイオフィルム それらは、細胞外高分子物質の自己生成マトリックスに住む、表面に付着した微生物の群集です。アントワン・フォン・レーウェンフックが最初に描いたのは、彼が17世紀の自分の歯の材料のプラークに「アニマ」（つまりバプテスマを施した）を調べたときです。.

バイオフィルムを概念化しその形成過程を記述する理論は1978年まで開発されていなかった。バイオフィルムを形成する微生物の能力は普遍的であるように思われることが発見された。.

バイオフィルムは、自然のシステム、水道管、貯水タンク、工業用システムのような様々な環境、ならびに医療機器および入院患者における永続性のための機器（例えばカテーテル）のような様々な媒体中に存在し得る。.

走査型電子顕微鏡および共焦点走査型レーザー顕微鏡の使用を通して、バイオフィルムは均一で構造化されていない細胞沈着物ではなく複雑な不均一構造であることが発見された。.

バイオフィルムは、水が構造の開放チャネルを通って循環する高度に水和したポリマーマトリックスに含まれる、表面上の関連細胞の複雑な群集である。.

例えば属の種のような、環境中で数百万年の生存に成功している多くの有機体 シュードモナス そして レジオネラ, 彼らは、ネイティブのネイティブ環境とは異なる環境でバイオフィルム戦略を使用します。.

索引

  • 1バイオフィルムの特徴
    • 1.1バイオフィルムマトリックスの化学的および物理的特性
    • 1.2バイオフィルムの生態生理学的特性
  • 2バイオフィルム形成
    • 2.1表面への初期接着
    • ２．２多層における単層および微小コロニーの形成
    • ２．３ポリマー細胞外マトリックスの製造および三次元バイオフィルムの成熟
  • 3種類のバイオフィルム
    • 3.1種の数
    • 3.2トレーニング環境
    • 3.3それらが生成されるインタフェースの種類
  • 4バイオフィルムの例
    • 4.1 - 歯垢
    • 4.2 - 黒海のバイオフィルム
    • 4.3 - 空中バイオフィルム
    • 4.4 - ヒト疾患の原因物質のバイオフィルム
    • 4.5 - 腺ペスト
    • 4.6 - 病院用静脈カテーテル
    • 4.7 - 業界で
  • 5殺菌剤、殺菌剤および抗生物質に対するバイオフィルムの抵抗
  • 6参考文献

バイオフィルムの特徴

バイオフィルムマトリックスの化学的および物理的特性

-バイオフィルム微生物、多糖類の高分子、タンパク質、核酸、脂質および他のバイオポリマーによって分泌される細胞外ポリマー物質は、そのほとんどが非常に親水性であり、バイオフィルムマトリックスと呼ばれる三次元構造を形成する。.

-マトリックスの構造は非常に粘弾性があり、ゴムの特性を持ち、牽引力と機械的破裂に強い.

-マトリックスは、接着性ガムとして作用する細胞外多糖を介して、多孔質媒体の内部空間を含む間期表面に接着する能力を有する。.

-ポリマーマトリックスは主にアニオン性であり、金属カチオンなどの無機物質も含む。.

-それは酸素、栄養素および老廃物が循環することができる循環する水路を持っています.

-バイオフィルムのこのマトリックスは、不利な環境での保護と生存の手段、食作用の侵略者に対する防御、消毒剤と抗生物質の侵入と拡散に対する障壁として働きます。.

バイオフィルムの生態生理学的特性

-不均一な勾配でのマトリックスの形成は、生物多様性がバイオフィルム内に存在することを可能にする様々な微小生息地を生み出す。.

-マトリックス内では、細胞の生活様式は自由生活とは根本的に異なり、関連性はありません。バイオフィルムの微生物は、コロニーの中で会合して、互いに非常に接近して固定化されています。この事実は激しい相互作用が起こることを可能にします.

-バイオフィルム微生物間の相互作用には、「クォーラムセンシング」と呼ばれるコードでの化学信号による伝達が含まれます。.

-遺伝子導入や相乗的なマイクロコントリビュータの形成など、他の重要な相互作用があります。.

-バイオフィルム表現型は、関連細胞によって発現される遺伝子に関して説明することができる。この表現型は成長速度と遺伝子転写に関して変化する.

-バイオフィルム内の生物は、それらの浮遊性または自由生命体を転写しない遺伝子を転写することができる.

-バイオフィルム形成過程は初期細胞接着の間に転写される特定の遺伝子によって調節される.

-マトリックスの限られたスペースには、協力と競争のメカニズムがあります。競争は生物学的集団において絶え間ない適応を生み出す.

-細胞外の酵素を細胞の近くに保持する集団の外部消化器系が生成されます.

-この酵素システムは隔離し、蓄積しそして代謝し、溶解し、コロイド状および／または懸濁した栄養素を可能にする。.

-マトリックスは、集団遺伝的アーカイブとしても機能する、リサイクル、溶解細胞の成分の貯蔵の共通の外部領域として機能する。.

-バイオフィルムは、乾燥、殺生物剤の作用、抗生物質、宿主の免疫反応、酸化剤、金属カチオン、紫外線などの環境変化に対する保護的な構造的バリアとして機能し、食作用性原生動物や昆虫などの多くの捕食動物に対する防御でもあります。.

-バイオフィルムのマトリックスは微生物のための独特の生態学的環境を構成し、それは生物学的コミュニティへの動的な生き方を可能にする。バイオフィルムは真のマイクロエコシステムです.

バイオフィルム形成

バイオフィルムの形成は、微生物が遊牧的な単細胞の自由生活状態から多細胞の座りがちな状態に移行するプロセスであり、その後の成長は細胞分化を伴う構造化された群集を生み出す。.

バイオフィルムの発達は細胞外環境シグナルと自己生成シグナルに反応して起こる.

バイオフィルムを研究した研究者は、彼らの形成を説明するために一般化された仮説モデルを構築することが可能であることに同意します.

このバイオフィルム形成モデルは、5つの段階で構成されています。

  1. 表面への初期接着.
  2. 単層の形成.
  3. 多層における微小コロニー形成への移行.
  4. 高分子細胞外マトリックスの製造.
  5. 三次元バイオフィルムの成熟.

表面への初期接着

バイオフィルムの形成は、微生物が固定化されている固体表面への微生物の初期付着から始まる。微生物は表面センサーを有し、表面タンパク質はマトリックスの形成に関与していることが発見された。.

非移動性生物においては、環境条件が良好であるとき、それらの外表面上でのアドヘシンの産生が増加する。このようにして、その細胞 - 細胞および細胞 - 表面接着容量は増加する.

移動種の場合、個々の微生物は表面上に位置しており、これは彼らの遊牧民の移動生活様式の根本的な変化、座りがちな、ほぼ固着への出発点です。.

マトリックスの形成において、粘着性物質の他に、べん毛、繊毛、線毛および線毛のような異なる構造が関与するため、運動能力が失われる。.

それから、両方の場合（移動性および非移動性微生物）、小さな凝集体またはミクロコロニーが形成され、そしてより強い細胞 - 細胞接触が生じる。適応表現型の変化は、グループ化された細胞において、新しい環境に起こる.

多層における単層と微小コロニーの形成

細胞外高分子物質の生産が始まり、最初の単層形成が起こり、その後の多層での発達.

高分子細胞外マトリックスの製造と三次元バイオフィルムの成熟

最後に、バイオフィルムは、立体構造と、水、栄養素、通信用化合物、核酸が循環するチャネルの存在によって、成熟段階に達します。.

バイオフィルムのマトリックスは細胞を保持し、それらを一緒に保ち、細胞間コミュニケーションおよび相乗的コンソーシアムの形成との高度な相互作用を促進する。バイオフィルムの細胞は完全に固定化されているのではなく、それらはその中を移動し、そしてまたそれら自身を引き離すことができる。.

バイオフィルムの種類

種の数

バイオフィルムに参加している種の数によると、後者は次のように分類することができます。

  • 種のバイオフィルム. 例えば、バイオフィルムは Streptococcus mutans ○ ベリオネラパルヴーラ.
  • 2種のバイオフィルム. たとえば、 Streptococcus mutans そして ベリオネラパルヴーラ バイオフィルム.
  • 多種のバイオフィルム. 例えば、歯垢.

トレーニング環境

また、それらが形成される環境に応じて、バイオフィルムは次のようになります。

  • ナチュラル
  • 工業用
  • 国内
  • 病院

それらが生成されるインタフェースの種類

一方、それらが形成されるインタフェースのタイプに応じて、それらを以下のように分類することが可能です。

  • 固液界面バイオフィルム, 水道管やタンク、パイプや水タンクで一般的に形成されるものとして.
  • 固気相間バイオフィルム （英語のSub Aereal Biofilmsにおける略語はSAB）。これは、固体鉱物表面に発生し、大気や日射に直接さらされる微生物群集です。彼らはとりわけ建物、裸の砂漠の岩、山々に見られる.

バイオフィルムの例

-歯垢

歯垢はバイオフィルムに住む複雑なコミュニティの興味深い例として研究されています。歯科用プレートのバイオフィルムは、ポリマーマトリックスに剛性を与える無機塩の存在のために、硬くそして弾性がない。.

歯垢の微生物は非常に多様であり、バイオフィルムに関連する200から300の種があります。.

これらの微生物には、次のものがあります。

  • 性別 連鎖球菌; エナメル質および象牙質を脱ミネラル化し、虫歯を引き起こす酸性尿酸細菌で構成されます。たとえば、 ミュータンス、S。ソブリヌス、S。サングイス、S。サリバリス、S。ミティス、S。オラリス そして S.ミレリ.
  • 性別 乳酸桿菌, 象牙質タンパク質の好酸性変性細菌によって形成される。たとえば、 casei、L. fermentum、L. acidophillus.
  • 性別 放線菌, それは、酸性およびタンパク質分解性微生物である。これらのうち、種： 粘度、A. odontoliticus そして A.ネスランディ.
  • そして他のジャンル, 好きです： カンジダ・アルビカンス、バクテロイデス・フォーサス、ポルフィロモナス・ジンジバリス そして Actinobacillus actinomycetecomitans.

-黒い水の中のバイオフィルム

もう一つの興味深い例は家庭排水であり、そこではそれらはパイプに付着したバイオフィルム、アンモニアを酸化する硝化微生物、亜硝酸塩および独立栄養硝化細菌に住んでいる。.

これらのバイオフィルムのアンモニウム酸化細菌の中で、それらは数的に優勢な種として発見されています。 ニトロソモナス, バイオフィルムマトリックス全体に分布.

亜硝酸酸化剤のグループ内の主成分は属のものです。 ニトロスピラ, バイオフィルムの内側部分にのみ存在する.

-サブエアリアルバイオフィルム

海中バイオフィルムは、岩石や都市建築物などの固体鉱物表面上のパッチの成長を特徴としています。これらのバイオフィルムは、真菌、藻類、シアノバクテリア、従属栄養細菌、原生動物、および顕微鏡動物の主要な関連性を持っています.

特に、SABバイオフィルムは、無機無機化学物質をエネルギー源として使用することができる化学栄養性微生物を保有しています.

化学栄養性微生物は、Ｈなどの無機化合物を酸化する能力を有する。2, NH3, いいえ2, S、HS、信仰2+ そしてそれらの新陳代謝の酸化の電位エネルギー積を利用する.

地下のバイオフィルムに存在する微生物種には、次のものがあります。

  • 属の細菌 Geodermatophilus; 属Cのシアノバクテリアhococococcidiopsis, ココイドと糸状種のような Calothrix、Gloeocapsa、Nostoc、Stigonema、Phormidium,
  • 属の緑藻 クロレラ、デスモコッカス、フィコルフィス、Printzina、Trebouxia、Trentepohlia、Stichococcus.
  • 従属栄養細菌（地下生物膜で優勢）： Arthrobacter sp。、Bacillus sp。、Micrococcus sp., ペニバチルス sp., シュードモナス sp. とロドコッカス sp.
  • 化学有機栄養細菌および真菌として 放線菌類（放線菌およびGeodermatophilaceae）, プロテオバクテリア、放線菌、アシドバクテリアおよびバクテロイド - サイトファガ - フラボバクテリウム.

-ヒト疾患の原因物質のバイオフィルム

人間の病気の原因物質として知られているバクテリアの多くはバイオフィルムに住んでいます。これらのうち、 コレラ菌、腸炎ビブリオ、ビブリオフィッシェリ、Vellionela parvula、ミュータンス連鎖球菌 そして レジオネラニューモフィラ.

-腺ペスト

ノミ咬傷による腺ペストの伝染、この病気の原因となるバクテリア剤の比較的最近の適応は興味深いです, Yersinia pestis.

この細菌は、ベクターの上部消化器系（ノミ）に付着したバイオフィルムとして増殖する。かみ傷の間に、ノミは含んでいるバイオフィルムを逆流させる Yersinia pestis 真皮では、感染が始まる.

-病院用静脈カテーテル

外植された中心静脈カテーテル内のバイオフィルムから単離された生物の中には、驚くほど多様なグラム陽性菌およびグラム陰性菌、ならびに他の微生物がある。.

いくつかの科学的研究は、静脈カテーテルのバイオフィルムのグラム陽性菌として報告しています。 コリネバクテリウム属、エンテロコッカス属、エンテロコッカス・フェカリス、エンテロコッカス・フェシウム、スタフィロコッカス spp., ブドウ球菌 黄色ブドウ球菌, 表皮ブドウ球菌, 連鎖球菌 spp. そして 肺炎球菌.

これらのバイオフィルムから分離されたグラム陰性菌の中には以下のものが報告されています。 アシネトバクター spp., アシネトバクター・カルコアセチカス、アシネトバクター・アニトラタス、エンテロバクター・クロアカエ、エンテロバクター・エロゲン、エシェリヒア・コリ、クレブシエラ・オキシトカ、シュードモナス・アエルギノーザ、シュードモナス・プチダ、プロテウス spp. そして セラチア・マルセッセンス.

これらのバイオフィルムに含まれるその他の生物は次のとおりです。 カンジダ spp., カンジダ・アルビカンス、カンジダ・トロピカリス そして マイコバクテリウムチェロネイ.

-業界では

業界の操作性に関して、バイオフィルムはパイプの閉塞、機器の損傷、交換器表面を覆うときの熱伝達などのプロセスにおける干渉、または金属部品の腐食を発生させる.

食品産業

消化管産業におけるフィルムの形成は、手術上および公衆衛生上の重要な問題を引き起こす可能性がある。.

バイオフィルム中の関連病原体は食品を病原菌で汚染し、消費者に深刻な公衆衛生問題を引き起こす可能性がある.

食品業界に関連する病原体のバイオフィルムの中には、次のものがあります。

リステリア菌

この病原体はバイオフィルム形成の初期段階で、べん毛および膜タンパク質を使用する。スライシングマシンのスチール表面にバイオフィルムを形成する.

乳製品業界では、バイオフィルムを製造することができます リステリア菌 液体牛乳および乳製品中。パイプ、タンク、容器および他の装置の酪農場の残りは利用可能な栄養素としてそれらを使用するこの病原体のバイオフィルムの開発を支持.

シュードモナス spp.

これらの細菌のバイオフィルムは、床、排水溝などの食品業界の施設や、肉、野菜、果物などの食品表面、さらには低乳酸度の誘導体に見られます。.

緑膿菌 ステンレス鋼のような大量の無機材料に付着しているバイオフィルムのポリマーマトリックスの形成に使用されるいくつかの細胞外物質の秘密.

シュードモナス のような他の病原性細菌と関連してバイオフィルム内に共存することができます。 サルモネラ菌 そして リステリア.

サルモネラ菌 spp.

の種 サルモネラ菌 細菌性病因の人獣共通感染症の最初の原因物質であり、食物毒素感染の発生.

科学的な調査はそれを示した サルモネラ菌 バイオフィルムの形で、食品加工工場の施設のセメント、鋼鉄、プラスチックの表面に付着することができる.

の種 サルモネラ菌 それらは付着特性を有する表面構造を有する。さらに、それは細胞外物質としてセルロースを生産します。そして、それはポリマーマトリックスの主成分です.

大腸菌

バイオフィルム形成の初期段階でべん毛および膜タンパク質を使用します。それはまたバイオフィルムのマトリックスの三次元格子を生成するために細胞外セルロースを作り出します.

殺菌剤、殺菌剤および抗生物質に対するバイオフィルムの耐性

バイオフィルムはそれを構成する微生物、消毒剤、殺菌剤および抗生物質の作用に対する保護を提供します。この機能を可能にするメカニズムは次のとおりです。

  • 非常にゆっくりした拡散と有効濃度に達することの困難さによる、バイオフィルムの三次元マトリックスを通る抗菌剤の浸透の遅延.
  • バイオフィルム中の微生物の成長速度の変化と低代謝.
  • 変化した耐性遺伝子の発現によるバイオフィルム増殖中の微生物の生理学的応答の変化.

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