Biofilm jako wielokomórkowy organizm tworzony przez bakterie cd.

2.ASPEKTY MEDYCZNE ORAZ WYKORZYSTANIE STRUKTUR BIOFILMU W TECHNOLOGII

Mówiąc o pojęciach z zakresu medycyny należy uświadomić sobie składa Naszego organizmu. Może się to wydawać niewyobrażalne, ale ludzkie ciało zawdzięcza swoją wysoką wagę m.in. dzięki 90 % komórkom pochodzenia bakteryjnego. Mikroorganizmy w toku ewolucji znalazły miejsce wyjątkowe dla przeżycia. Część np. bakterii żyje w symbiozie kiedy pozostała „czeka” na korzystny warunki swojego gospodarza. Wtedy borykamy się z problemami infekcji. Wszystko wynika z zachwiania homeostazy człowieka oraz wyjątkowej ekspresji genów „oportunistów” żyjących we wszystkich śluzowych powierzchniach, trawiennych obszarach jak i w poszczególnych warstwach skóry.

Pojęcie biofilmu w środowisku medycznym zostało wprowadzone w 1990 roku. Zaczęto wtedy badać zależności pomiędzy stanem pacjenta , a odpowiednimi substancjami (w głównej mierze antybiotykami) wpływającymi na rozwój mikroorganizmów. Czasem wnioskowanie o tym co jest czynnikiem infekcyjnym wyjaśniano na podstawie autentycznego „zarażania” pacjenta. W taki np. sposób odkryto „inicjatora” choroby wrzodowej żołądka.

2.1.CYKL Życiowy organizmów bakteryjnych na przykładzie pseudomonas aeruginosa

Bakterie planktonowe, które swobodnie unoszą się np. w krwi obwodowej człowieka w pewnym momencie dokonują adhezji do powierzchni błon czy też struktur o właściwościach porowatych. Taka cecha budowy materiału sprawia lepsze przyłączenie co będzie z kolei skutkowało większą szansą na rozwój. Po kilku minutach w wyniku autoindukowania następuje produkcja wspomnianego EPS. EPS jest polimerem powodującym spójność pomiędzy komórkami (w naszym przypadku Pseudomonas aeruginosa). W momencie utworzenia się dużych aglomeratów następuje proces odrywania się mniej stabilnych części żywych. W dalszych etapach oddzielone od koloni macierzystej pozostałe grupy komórek wędrują i powtarzają rozwój w podobny sposób jaki ich prekursorzy.

2.2.ekspresja genetyczna mikroorganizmów i jej konsekwencje

Rozpatrując organizmy prokaryotyczne można zauważyć, że można zinaktywować potencjalną bakterię działając na jej sekwencje genomowe. Dzieje się tak z wiadomego powodu: DNA jest jakby „instrukcją” do tworzenia cech określających późniejsze funkcjonowanie życia organizmów.

Geny, które tworzą cząsteczki DNA odgrywają decydującą rolę w funkcjonowaniu komórki. Metabolizm bakteryjny inicjuje produkcję różnego typu substancji, które z kolei mogą wpływać na inne. Mamy tu do czynienia ze zjawiskiem występowania inducerów, czyli związków wpływających aktywacyjnie na komórki.

Jeżeli zauważyć, że biofilm jest „społecznością” bakteryjną to można domniemywać niezwykłego nagromadzenia metabolitów. To z kolei łatwo tłumaczy lepszy poziom aktywności metabolicznej gdy komórki są bardzo blisko siebie i w dodatku połączone między sobą stabilizującą substancją. Ta ekspresja mikroorganizmów jest powodem fascynujących rozważań nad komunikacją mającą miejsce w biofilmie. Udowodniono, że istnieje zjawisko Quorum sensing oznaczające nic innego jak zmysł tłoku. Rozpatrując procesy ewolucyjne można zauważyć, że zjawisko to jest doskonałym bodźcem do alarmowania komórek o stanie środowiska [2].

U form planktonowych (dokładnie w ich populacjach) sygnały chemiczne nie są skoncentrowane w sposób wystarczający. Należy pamiętać, że głównym celem sygnału jest spowodowanie w przeciwnym organizmie ekspresji genetycznej o charakterze obronnym. Jest to sposób walki o przetrwanie. W macierzy EPS sytuacja ekspresji genów ma się odwrotnie. Można wywnioskować z poprzednich akapitów, że Quorum sensing jest „cichym systemem mowy” drobnoustrojów. Główny mechanizm tego procesu kryje się w wydzielaniu HSL czyli laktonu homoseryny. HSL jest inducerem „uruchamiającym” nie tylko geny HSL w pozostałych komórkach, ale także powodującym ekspresję odcinków DNA kodujących czynniki odpowiedzialne za ochronę mikroorganizmów [3].

Odkrycie, że proste komórki są zdolne do skoordynowanego zachowania dało nowe oblicze ukazujące strategię ich przeżycia. Jest to też dobry dowód na to, że komórka potrafi zasygnalizować oraz uregulować różnicowanie komórek do subpopulacji, które przeprowadzają różnego typu działania w „mikrobowej społeczności”. W latach 90-tych udowodniono, że morska bakteria z rodzaju Pseudoalteromonas występuje w 2óch subpopulacjach. W rezultacie występował tam podział funkcji. Jedna grupa pozostała związana do powierzchni. Druga subpopulacja odpowiadała za procesy rozmnażania i wypuszczania komórek potomnych do środowiska. Miało to na celu rozproszenie biofilmu.

Inicjowanie procesów tworzenia się subpopulacji ma swoje negatywne odzwierciedlenie w lecznictwie. Nadmierna ekspresja genetyczna powoduje częstsze rekombinacje materiałów genetycznych mikroorganizmów. W skali globalnej powstają różnego rodzaju genotypy, w których inhibicja procesów transkrypcji jest trudna do zahamowania. Co więcej, bakterie w toku ewolucji wyspecjalizowały się (podobnie jak większość znanych Nam organizmów) w produkowaniu odpowiednich białek mających na cele ochronę przed negatywnym skutkiem działania np. promieniowania czy też antybiotyków. Kluczowymi proteinami są białka szoku termicznego. W wyniku czynników stresowych następują ekspresja genów odpowiedzialnych za indukowanie produkcji tych białek. Wyróżnia się dwie klasy białek Hsp (Heat Shock Proteins). Są to proteazy, które inicjują rozpad źle sfałdowanych protein oraz białka opiekuńcze (określane w literaturze jako białka chaperonowe) zapobiegające nadmiernej agregacji polipeptydów.

1.1.ZASTOSOWANIE BIOFILMU W procesACH technologicznYCH

Mikroorganizmy w odniesieniu do człowieka mogą być uznawane za negatywny czynnik zagrażający zdrowiu. Jednak wykorzystując fakt ich nieograniczonego występowania w środowisku można domniemywać o ich właściwościach.

Najlepszym przykładem jest proces bioremediacji. Jest to technologia usuwania zanieczyszczeń – w głównej mierze substancji ropopochodnych z gleby za pomocą właściwości metabolicznych mikroorganizmów. Ogólnie mówiąc wykorzystuje się ich naturalne zdolności do rozkładu węglowodorów.

Glebę poddawaną oczyszczaniu przygotowuje się w taki sposób aby spełnić wymagania ekologiczne bakterii. Dodatkowym atutem wykorzystywania tej technologii jest uzyskiwanie biogazu, który jest doskonałym źródłem energii [1].

Autorzy: Natalia NIEDZWIECKA, Przemysław STACHEWICZ

literatura

[1] BOJANOWSKA I. Bioremediacja metali ciężkich i innych zanieczyszczeń z gleby, praca przeglądowa
[2] JAWORSKI A., SERWECIŃSKA L., STĄCZEK P. Quorum sensing – komunikowanie się komórek w populacjach bakterii przy udziale chemicznych cząsteczek sygnałowych, POSTĘPY BIOLOGII KOMóRKI, tom 32, 2005
[3] SCHLESINGER MILTON J. Heat Shock Proteins, The Journal of Biological Chemistry Vol. 265, No. 21, Issue of July 25, pp. 12111-12114, 1990
[4] http://www.erc.montana.edu/, 14 marca 2008