Yüzeylerdeki Mikroorganizma Toplulukları: Biyofilmler


Elif Şenkuş – Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik

Mikroorganizmalar hemen hemen her yüzeye tutunup biyofilm olarak adlandırılan kompleks bir yapı geliştirme özelliğine sahiptirler. Biyofilmleri mikroorganizmaların kendi ürettiği ekstrasellüler polimerik matriks içinde yaşayan mikroorganizma toplulukları olarak tanımlayabiliriz. Biyofilmler insanları hayvanları ve çevreyi etkileyen birçok yüzeyde uygun ortam sağlandığında oluşabilirler. Örneğin insanların dişlerinde, idrar yollarında ve deride oluşabilirler. Ayrıca tıbbi cihazların, implant ve protezlerin yüzeyinde, endüstriyel su borularında ve canlıların yaşam alanı olan doğal sucul sistemlerde de oluşabilir. [1]


Biyofilmin Tarihçesi


İlk olarak Van Leeuwenhoek, diş yüzeyindeki mikroorganizmaları mikroskop ile gözlemlemiştir. Ve bu şekilde biyofilmler keşfedildi diyebiliriz. Heukelekian ve Heller deniz mikroorganizmalarındaki "şişe efekti"ni (bottle effect) gözlemledi. Şişe efekti bakteriyel büyümenin ve aktivitenin yüzeye temas ile artması ve bu organizmaların yüzeye bağlanabilir hale gelmesi anlamına geliyor. Daha sonra Zobel de yüzeylerdeki bakteri sayısının büyük bir oranda arttığını gözlemlemiştir. Fakat biyofilmlerin detaylı bir şekilde incelenmesi elektron mikroskobunun keşfi bile başlamıştır. 1973 yılında Characklis endüstriyel su sistemlerindeki mikrobiyal balçıklarla ilgili çalışmalar yapmıştır ve bu yapıların klor gibi dezefektanlara karşı oldukça dayanıklı olduğunu fark etmiştir. [1]


Biyofilmlerin Yapısal Bileşenleri


Biyofilmler tüm hücreleri bir arada tutmayı sağlayan ekstrasellüler polimerik matriks (EPS) içerirler. Matriks polisakkaritler, protein ve DNA’dan oluşur. Ekstrasellülar polimer matriksin yapısı mikroorganizmanın ihtiyaçlarına, bulunduğu çevreye göre değişiklik gösterebilir. Mineral, çamur ve toz parçaları, gibi hücresel olmayan materyaller de çevre şartlarına göre ekstrasellüler polimer matriksin içinde bulunabilir. Örneğin sucul sistemlerin ekstrasellüler matriksleri oldukça komplekstir. Fakat tıbbi cihazlardaki biyofilmler daha basit yapıda tek tip bir organizmadan ve onunla birleşmiş ekstrasellüler polimerik matriksten oluşur.


Ekstrasellüler polimer matriksin yapısında %98 oranında su bulunur. Biyofilm homojen bir tabaka değildir. Tam tersi heterojen bir tabakadan oluşur. Su kanalları hücreler için gerekli besinlerin ve oksijenin taşınmasına yardımcı olur. [1,2]


Şekil 1 :Yumuşak çelik üzerinde gelişmiş biyofilmin elektron mikroskobuyla görüntüsü [6]

Biyofilm Oluşumu ve Yüzeye Bağlanması


Bakteriler uygun ortam şartları sayesinde koloniler oluşturarak yüzeye tutunurlar ve ektsrasellüler polimerik matriks içinde çoğalarak biyofilm oluştururlar.


Biyofilmin yüzeye bağlanmasını etkileyen faktörleri ortamın pH'sı ve sıcaklığı, bakteri türü, bakteri hücre duvarının yapısı, bakteri sayısı, bağlandığı yüzeyin özelliği ortamdaki besin maddeleri ve miktarı olarak sıralayabiliriz.


Yüzey ve sulu ortam arasındaki katı-sıvı arayüz mikroorganizmaların bağlanması ve çoğalması için ideal bir çevre sağlar. [1,2]

Şekil 2 : Biyofilmin yüzeye tutunma ve gelişme aşamaları. [7]

Yüzeye Tutunma Aşamaları


1. Mikrobiyal tutunma: Bakterinin yüzeye tutunması flagella ve yüzeyle arasında fiziksel ve elektrostatik etkileşimler sayesinde olur. Geri dönüşümlü ve geri dönüşümsüz olarak ikiye ayrılır.


(a) Geri dönüşümlü tutunma

Bakteri ve yüzey arasındaki etkileşimin zayıf kuvvetlerle kurulması nedeniyle (van der waals bağları ve hidrofobik etkileşimler) bakteri yüzeye tutunduktan bir süre sonra bağlar bozulur.


(b) Geri dönüşümsüz tutunma

Bakteriler dipol-dipol etkileşimleri kovalent bağlar ve hidrojen bağları gibi güçlü bağlar sayesinde yüzeye geri dönüşümsüz tutunurlar.


2. Bakteri hücrelerinin EPS üreterek yüzeye bağlanması: Ekstrasellüler polimer matriksin yapısı bakteriye ve çevre şartlarına göre değişim göstermektedir.


3. Koloni oluşturma ve biyofilm yapısının olgunlaşması: Bakteriler EPS sayesinde yüzeyde çoğalırlar ve mikrokoloniler oluştururlar. Biyofilmler farklı türlerde mikrokoloniler içerebilirler. Mikrokoloniler arasındaki kanallar suyun ve besinlerin difüzyonuna yardımcı olur. Hücreler arası iletişimi sağlayan sinyal moleküllerinden oluşan QS (Quorum Sensing) sinyal sistemi bu aşamada devreye girer.


4. Olgun biyofilmdeki hücrelerin göçü: Biyofilmdeki bakterilerin bir kısmı koparak ayrılabilir. Göçlerin sebebi hem dış hem de iç etkenlere bağlı olabilir. [4,5]


QS Sistemi


QS sistemi bakterilerin hücre yoğunluğu hakkında bilgi paylaşmasına ve gen ekspresyonunun (gen ifadesi) ayarlamasına izin veren hücreler arası etkileşim sistemidir. Bu sayede bakteri değişen çevre şartlarını algılar ve bu şartlara göre adapte olmak için düzenlemeler yapar. QS sistemiyle farklı türdeki mikroorganizmalar arasında gerçekleşen etkileşim pozitif olabildiği gibi negatif de olabilir. [3,4]


Biyofilmlerin Antibiyotik Direnci


Biyofilmler antibiyotiklere karşı güçlü bir dirence sahiptirler. Aynı şekilde dezenfektanlara karşı da EPS sayesinde güçlü bir bariyere sahiptirler. [4]


Biyofilmlerin Neden Olduğu Sağlık Sorunları


Biyofilmler birçok mikrobiyal enfeksiyona neden olmaktadır. Biyofilmler hem abiyotik hem biyotik yüzeylerde oluşma yeteneğine sahip olduğu için ortaya çıkan problemler fazladır. Epitel hücreler ve mukoza üzerinde oluşabildiği gibi tıbbı cihazların üzerinde de oluşabilirler. Kistik fibrozis hastalığında da biyofilmler büyük bir rol oynar. Tıbbi cihazların dışında implantlar, protezler ve yapay kalp kapakçıklarında biyofilm oluşabilir. Enfeksiyonların tedavisi antibiyotik direncinden dolayı zorlaşmaktadır. Biyofilmler diş çürüklerinde de rol oynamaktadır. Escherichia coli’nin neden olduğu üriner sistem enfeksiyonlarına biyofilmi örnek verebiliriz. Bakteriler dışında mantarlar da biyofilme neden olabilirler. Örneğin, Candida albicans adlı mantar türü tıbbi cihazların üzerinde biyofilm oluşturabilir. [4]





Referanslar

1. Donlan, R.A. (2002). Biofilms: Microbial Life on Surfaces. Emerging Infectious Diseases. 8(9), 881–890. Doi: 10.3201/eid0809.020063

2. Lopez, D. , Vlamakis, H. , Kolter, R. (2010). Biofilms. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2(7), a000398. Doi: 10.1101/cshperspect.a000398

3. Rutherford, S.T. , Bassler, B.L. (2012) Bacterial Quorum Sensing: Its Role in Virulence and Possibilities for Its Control. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2(11), a012427. Doi: 10.1101/cshperspect.a012427

4. Temel, A. , Eraç, B. (2018) Bakteriyel Biyofilmler:Sapta Yöntemleri ve Antibiyotik Direncindeki Rolü Türk Mikrobiyoloji Cem Derg. 48(1), 1-13 Doi:10.5222/TMCD.2018.001

5. 24.07.2020 tarihinde https://acikders.ankara.edu.tr/mod/resource/view.php?id=34143 adresinden erişildi.

6. Şekil 1: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2732559/figure/F1/

7. Şekil 2: https://www.diatek.com.tr/uploads/biofilm%20model.jpg

8. Kapak Fotoğrafı: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2732559/figure/F2/

104 görüntüleme

Türkiye'nin Tek Popüler Genetik Bilim Dergisi

Bezelye Dergi ISSN: 2587-0173

Bizi Takip Et
  • Beyaz Facebook Simge
  • Beyaz Instagram Simge
  • White Twitter Icon
  • Icon-gmail
  • kisspng-white-logo-brand-pattern-three-d
  • images
  • medium
  • Dergilik
  • YouTube

© 2019 by Bezelye Dergi