Biokile

Allikas: Vikipeedia

Biokile ehk biofilm on limakihiga ümbritsetud mikroorganismide kooslus, mis tekib piirpindadele. Enamasti tekivad nad veepinnale või vee ja tahke faasi piirile. Põhimõtteliselt võib biokile tekkida igasugustele pindadele, ka näiteks õlitilgakestele vees. Piirpinda, millele biokile tekib, nimetatakse substraadiks.

Biokiledesse koondusid mikroorganismid juba väga ürgsel ajal. Vanimad seni leitud fossiilid, umbes 3,2 miljardi aasta vanused stromatoliidid on tekkinud nn mikroobsete mattide (biokile tüüp) kivistumisel. Mõned uurijad arvavad koguni, et esimesed mikroobid tekkisid biokiledes,[1] samas kui teised leiavad, et üksikult elamine ja biokilede moodustamine eksisteerisid kõrvuti.[2] Enamik mikroorganisme elab keskkonnas biokilede koosseisus. [2] [3]

Staphylococcus aureuse biokile kateetril

Tavaelus nimetatakse biokilet näiteks katuks.

Struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Biokiled on heterogeensed: ekstratsellulaarse maatriksiga ümbritsetud rakkude mikrokolooniate vahel liigub vedelik, milles on lahustunud toitained, hapnik ja muud osakesed.[4] Samuti eemaldatakse biokilest vedeliku liikumise abil jääkained.[2] Ekstratsellulaarse maatriksi, mille põhikomponendid on eksopolüsahhariidid, aga ka valgud, toodavad rakud ise. Lisaks leidub seal rakuvälist DNAd, millel on biokile struktuuri moodustumisel arvatavasti küllaltki suur roll, ja surnud rakke.[5]

Iga biokilekooslus on ainulaadse struktuuriga, mis oleneb biokilet moodustavate organismide liigist ja on määratud vastusena keskkonnatingimustele geeniregulatsiooni, selektsiooni või mõlemaga. Sarnastes tingimustes moodustuvad sarnase struktuuriga biokiled: kiirevoolulistes vetes tekivad filamentsed mikrokolooniad, mille üks ots on kinnitunud ja teine võngub vabalt vooluga kaasa, liikumatutes vetes jällegi seenekujulised struktuurid.[2] Biokiled võivad koosneda nii ühest kui ka mitmest mikroobiliigist. Mitmest liigist koosnevad biokiled on keskkonnas valdavad, aga uurimistööd tehakse tavaliselt ühe liigi biokiledega, millel, asustades proteeside pinda ja olles osalised erinevates nakkustes, on inimeste tervise seisukohast suurem tähtsus.[6] Üksteisest mõnesaja mikromeetri kaugusel võivad paikneda aeroobsed ja anaeroobsed tsoonid, mis võimaldavad aeroobsetel ja anaeroobsetel mikrorganismidel lähestikku elada.

Areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Biokile arengus on viis etappi: (1) esmane kinnitumine, (2) pöördumatu kinnitumine, (3) küpsemine I, (4) küpsemine II, (5) rakkude vabanemine.

Biokile moodustumine algab rakkude kinnitumisega pinnale adhesiinivalkude abil.[3] Arvatavasti käivitavad selle keskkonnasignaalid nagu muutused toitainete või hapniku kontsentratsioonis, pH väärtuses, osmolaarsuses. On näidatud, et biokile moodustub paremini karedatele pindadele ja hüdrofoobsetele materjalidele, näiteks teflonile. Esmane pinnale kinnitumine on pöörduv, rakud võivad ka pinnalt eralduda. Selles etapis on rakud logaritmilises kasvufaasis.

Pöördumatu kinnitumise käigus suhtlevad mikroobid hulgatunnetuse (ingl k quorum sensing) abil ja kui rakkude hulk ning sellega kaasnevalt ka signaali tugevus ületab kindla väärtuse, toimuvad muutused fenotüübis ja hakatakse sünteesima ekstratsellulaarset maatriksit. [3][7]

Esimesse küpsemisfaasi jõuab biokile, kui tema paksus ületab 10 µm.[7] Moodustuvad mikrokolooniad, kus rakud on tugevamini üksteisega seotud ja nende liikuvus väheneb. Rakkude heterogeenne paigutus saavutatakse dispersiinide abil, mis rakkude vahelisi kontakte katkestades loovad mikrokolooniate vahele veega täidetud kanalid, mille kaudu toimub toitainete difusioon rakkudeni ja jääkide väljutamine biokilest.[3] Teises küpsemisfaasis saavutab biokile oma maksimaalse paksuse. Mõne päeva pärast algavas viiendas faasis toimub aktiivne ja passiivne rakkude vabanemine biofilmi koosseisust. Selleks muutub nende fenotüüp taas planktilistele rakkudele omaseks. [3][7]

Kasulikkus mikroorganismidele[muuda | redigeeri lähteteksti]

Põhjuste kohta, miks mikroorganismid biokiledes elada eelistavad, on mitmeid hüpoteese. Esiteks on pinnad lihtsalt alad, mida on võimalik asustada ja mis pakuvad mikroobidele stabiilset elukeskkonda ning toimivad võib-olla ka katalüsaatorina, asetades rakud lähestikku.[2] Biokiles käituvad ainuraksed mitmerakulistele organismidele omaselt. See võimaldab või pikendab ellujäämist erinevates niššides.[8] Teiseks kaitseb ekstratsellulaarne maatriks biofilmi koostises elavaid mikroorganisme näiteks kiirguse, kuivamise, pH kõikumiste, fagotsütoosi ja antimikroobsete ainete eest. [3][2] Antimikroobsetele ainetele aitab vastu seista ka see, et biofilmis leidub tsoone, kus rakud on parajasti statsionaarses faasis ehk pole füsioloogiliselt aktiivsed ega jagune. Enamiku antibiootikumide toimemehhanism sisaldab aga mingi rakus toimuva protsessi takistamist, seega passiivsetele mikroobidele nad ei mõju. Näiteks ß-laktaamid, mis pärsivad bakterite rakukesta sünteesi, mõjuvad ainult aktiivselt jagunevatele rakkudele.[2]

Meditsiiniline tähtsus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Haiglatarvikutel (kateetrid, proteesid) funktsioneerib biokile haigustekitajate tagavarana, kust patogeenid võivad kergesti levida patsientidele. Peremehes kaitseb biokiles elamine mikroorganisme immuunsüsteemi rünnakute eest ja teda seostatakse seetõttu haigustekitajate pikaajalise püsimisega organismis.[8] On leitud, et biokiled osalevad paljude infektsioonide tekkes, ühe hinnangu kohaselt on kõigist nakkustest isegi 80% biokiledes elavate patogeenide põhjustatud.[9] Biokilesid on seostatud kuseteede põletike (näiteks Escherichia coli), keskkõrvapõletike (näiteks Haemophilus influenzae), hambakatu, igemepõletike, südame sisekesta põletike (Staphylococcus aureus), tsüstilise fibroosi patsientide infektsioonide (Pseudomonas aeruginosa) ja liigese- ning südameklapiproteeside infektsioonide (Staphylococcus aureus) tekitamisega.[10] Samuti takistavad biokiled põletikuliste nahahaavade ravimist.[11] On näidatud, et subterapeutilised β-laktaamsete antibiootikumide kontsentratsioonid kutsuvad esile Staphylococcus aureusel biokile moodustumise. Selliseid kontsentratsioone kasutatakse näiteks põllumajanduses loomade kasvu parandamiseks või haiguste ennetamiseks.[12]

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuigi puhastusvõime on väiksem kui aktiivmudal, kasutatakse biokilesid, mida asustavad mikroorganismid on võimelised orgaanilisi aineid lagundama, reovee puhastamisel. Eelised aktiivmuda ees on väiksem energiakulu ja mudateke. Biokilefiltrite kasutamisel põhipuhastina on vajalik korralik eel- ja järelpuhastus. Biokilefiltreid on mitut sorti, näiteks nõrgbiofiltrid, millele juhitud reovesi filtrist läbi nõrgub, ja sukelbiofiltrid, kus biokile on reovee sees. 2009. aastal kasutas 10% Eesti reoveepuhasteid biokilesüsteemi. [13]

Pärsia lahest on leitud kruusaosakestele biokilesid moodustavaid mikroobe, kes suudavad süsivesinikke lagundades rannaalasid puhastada. Potentsiaalselt saaks neid kasutada ka tööstusjäätmete õlist puhastamiseks, laborikatsetes on juba suudetud õliga reostunud merevett puhastada. [14]

Võitlus biokiledega[muuda | redigeeri lähteteksti]

Biofilmide põhjustatud biosaaste vältimiseks on kaks lähenemist: muuta pinnad biokile tekkimiseks sobimatuks või töötada välja võimalused juba moodustunud biokile lagundamiseks. Üks võimalus on katta pinnad valkudele resistentsete ainetega (näiteks polüetüleenglükool), mis takistaksid mikroobide kinnitumist. Mugavam oleks aga kasutada kattematerjale, mis mõjuvad mikroorganismidele surmavalt. Sellised on katted, mis eritavad keskkonda bakteritsiidseid aineid, näiteks antibiootikume, kvaternaarseid ammooniumsooli, hõbedat. Probleem tekib antibiootikumi- ja hõbedaresistentsete mikroobitüvede ilmnemisel. Sellega toime tulemiseks uuritakse praegu, kas oleks võimalik kasutusele võtta polükatioone, ensüüme või nanomaterjale. [15] Viimaseid peetakse koguni potentsiaalseks vahendiks suus tekkivate biokilede moodustumise takistamiseks.[16]

Veel üks võimalus biokilede moodustumise takistamiseks on hulgatunnetuse signaalide blokeerimine. Kuna hulgatunnetus ei osale bakterite kasvu regulatsioonis, ei tohiks selle välja lülitamine põhjustada selektiivset survet resistentsuse tekkele.[17] Samas on hulgatunnetuse signaalid küllaltki liigispetsiifilised ja ühte tüüpi signaalide blokeerimisel on biokile moodustamine takistatud ainult väikesel osal mikroobidest.[18]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Trevors, J. T. (2011) Hypothesized origin of microbial life in a prebiotic gel and the transition to a living biofilm and microbial mats. C R Biol. Aprill, 334(4):269-72. doi: 10.1016/j.crvi.2011.02.010
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Hall-Stoodley, L., Costerton, J. W., Stoodley, P. (2004) Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews Microbiology. 2: 95-108. doi:10.1038/nrmicro821
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Garnett, J. A., Matthews, S. (2012) Interactions in Bacterial Biofilm Development: A Structural Perspective. Curr Protein Pept Sci. 13(8): 739–755. doi: 10.2174/138920312804871166
  4. Donlan, R. M. (2002) Biofilms: microbial life on surfaces. Emerging Infectious Diseases. 8(9). doi: 10.3201/eid0809.020063
  5. Brandaa, S. S.,Vika, Å., Friedmanb, L., Kolter, R. (2005) Biofilms: the matrix revisited. Trends in Microbiology. 13(1): 20–26. doi: 10.1016/j.tim.2004.11.006
  6. O’Toole, G., Kaplan, H. B., Kolter, R. (2000) Biofilm Formation as Microbial Development. Annual Reviews Microbiology. 54:49–79.
  7. 7,0 7,1 7,2 Aparna, M. S., Yadav, S. (2008) Biofilms: microbes and disease. Braz J Infect Dis. 12(6):526-30. doi:10.1590/S1413-86702008000600016
  8. 8,0 8,1 Kostakioti, M., Hadjifrangiskou, M., Hultgren S. J. (2013) Bacterial biofilms: development, dispersal, and therapeutic strategies in the dawn of the postantibiotic era. Cold Spring Harb Perspect Med. Aprill 1;3(4):a010306. doi: 10.1101/cshperspect.a010306.
  9. "Uurimus mikroobsetest biokiledest (PA-03-047)". NIH, National Heart, Lung, and Blood Institute (29. september 2013).
  10. Lewis, K. (2001) Riddle of biofilm resistance. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 45(4): 999-1007. doi:10.1128/AAC.45.4.999-1007.2001
  11. Davis, S. C., Ricotti, C., Cazzaniga, A., Welsh, E., Eaglstein, W. H., Mertz, P. M. (2008) Microscopic and physiologic evidence for biofilm-associated wound colonization in vivo. Wound Repair and Regeneration. 16(1): 23-29. doi:10.1111/j.1524-475X.2007.00303.x
  12. Kaplan, J. B., Izano, E. A., Gopal, P., et al.. (2012) Low Levels of β-Lactam Antibiotics Induce Extracellular DNA Release and Biofilm Formation in Staphylococcus aureus. mBio. 3(4). doi:10.1128/mBio.00198-12
  13. Kristo Kärmas. Reovee puhastamise tehnoloogilised võimalused. (PDF) Kasutatud 29.09.2013. (eesti)
  14. Radwan, S. S., Al-Hasan, R. H. (2001). Potential application of coastal biofilm-coated gravel particles for treating oily waste. Aquatic Microbial Ecology. 23(2): 113-117. doi:10.3354/ame023113
  15. Banerjee, I., Pangule, R. C., Kane, R. S. (2011). Antifouling coatings: recent developments in the design of surfaces that prevent fouling by proteins, bacteria, and marine organisms. Adv Mater. 23(6):690-718. doi:10.1002/adma.201001215
  16. Allaker, R. P. (2010). The use of nanoparticles to control oral biofilm formation. J Dent Res. 89(11):1175-86. doi:10.1177/0022034510377794
  17. Njoroge, J., Sperandio, V. (2009). Jamming bacterial communication: new approaches for the treatment of infectious diseases. EMBO Mol Med. 1(4):201-210. doi:10.1002/emmm.200900032
  18. Estrela, A. B., Heck, M. G., Abraham, W. R. (2009). Novel approaches to control biofilm infections. Curr Med Chem. 16(12): 1512-1530

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]