Đặc điểm màng sinh học, sự hình thành, loại và ví dụ



các màng sinh học o màng sinh học chúng là những cộng đồng vi sinh vật gắn liền với một bề mặt, sống trong một ma trận tự tạo của các chất đa bào ngoại bào. Chúng ban đầu được mô tả bởi Antoine von Leeuwenhoek, khi ông kiểm tra "animas" (do ông được rửa tội), trên một mảng vật liệu của răng của chính ông trong thế kỷ thứ mười bảy.

Lý thuyết khái niệm hóa màng sinh học và mô tả quá trình hình thành của chúng đã không được phát triển cho đến năm 1978. Người ta phát hiện ra rằng khả năng vi sinh vật hình thành màng sinh học dường như là phổ quát.

Màng sinh học có thể tồn tại trong các môi trường đa dạng như hệ thống tự nhiên, cống, bể chứa nước, hệ thống công nghiệp, cũng như trong nhiều phương tiện như thiết bị y tế và thiết bị vĩnh viễn ở bệnh nhân bệnh viện (ví dụ như ống thông)..

Thông qua việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi laser quét đồng tiêu, người ta đã phát hiện ra rằng màng sinh học không đồng nhất, không có cấu trúc của các tế bào và phù sa tích lũy, nhưng cấu trúc không đồng nhất phức tạp.

Màng sinh học là các cộng đồng phức tạp của các tế bào liên kết trên một bề mặt, được bao gồm trong một ma trận polymer hydrat hóa cao mà nước lưu thông qua các kênh mở của cấu trúc.

Nhiều sinh vật đã thành công trong sự tồn tại hàng triệu năm của chúng trong môi trường, ví dụ như các loài của chi Pseudomonas và Legionella, họ sử dụng chiến lược màng sinh học trong các môi trường khác với môi trường bản địa của họ.

Chỉ số

  • 1 Đặc điểm của màng sinh học
    • 1.1 Đặc tính hóa học của ma trận màng sinh học
    • 1.2 Đặc điểm sinh lý học của màng sinh học
  • Hình thành 2 màng sinh học
    • 2.1 Độ bám dính ban đầu lên bề mặt
    • 2.2 Sự hình thành của một lớp đơn và microcolon trong nhiều lớp
    • 2.3 Sản xuất ma trận ngoại bào polymer và sự trưởng thành của màng sinh học ba chiều
  • 3 loại màng sinh học
    • 3.1 Số lượng loài
    • 3.2 Môi trường đào tạo
    • 3.3 Loại giao diện nơi chúng được tạo
  • 4 ví dụ về màng sinh học
    • 4.1-Mảng bám răng
    • 4.2 -Bio phim trong nước đen
    • 4.3 - Màng sinh học dưới không
    • 4.4 - Màng sinh học của các tác nhân gây bệnh cho người
    • 4.5 - Bệnh dịch hạch
    • 4.6 - Catheter tĩnh mạch bệnh viện
    • 4.7 - Trong ngành
  • 5 Kháng sinh học đối với chất khử trùng, diệt khuẩn và kháng sinh
  • 6 tài liệu tham khảo

Đặc điểm của màng sinh học

Đặc tính hóa lý của ma trận màng sinh học

-Các chất đa bào ngoại bào được tiết ra bởi các vi sinh vật biofilm, các đại phân tử của polysacarit, protein, axit nucleic, lipid và các chất sinh học khác, hầu hết đều rất kỵ nước, liên kết chéo tạo thành cấu trúc ba chiều được gọi là ma trận sinh học..

-Cấu trúc của ma trận có độ nhớt cao, có đặc tính cao su, chống chịu lực kéo và vỡ cơ học.

-Ma trận có khả năng bám dính vào các bề mặt xen kẽ, bao gồm cả không gian bên trong của môi trường xốp, thông qua các polysacarit ngoại bào hoạt động như nướu dính.

-Ma trận polymer chủ yếu là anion và cũng bao gồm các chất vô cơ như cation kim loại.

-Nó có các kênh nước thông qua đó oxy, chất dinh dưỡng và các chất thải lưu thông có thể được tái chế.

-Ma trận của màng sinh học này, hoạt động như một phương tiện bảo vệ và tồn tại trong môi trường bất lợi, chống lại những kẻ xâm lược thực bào và chống lại sự xâm nhập và khuếch tán của thuốc khử trùng và kháng sinh.

Đặc điểm sinh lý học của màng sinh học

-Sự hình thành của ma trận trong các gradient không đồng nhất tạo ra nhiều loại vi sinh vật, cho phép đa dạng sinh học tồn tại trong màng sinh học.

-Trong ma trận, cách sống của tế bào hoàn toàn khác với cuộc sống tự do, không liên quan. Các vi sinh vật của màng sinh học là bất động, rất gần nhau, liên kết trong các khuẩn lạc; thực tế này cho phép các tương tác mạnh mẽ xảy ra.

-Tương tác giữa các vi sinh vật màng sinh học bao gồm giao tiếp thông qua các tín hiệu hóa học trong một mã gọi là "cảm biến đại biểu".

-Có những tương tác quan trọng khác như chuyển gen và hình thành các vi điều khiển hiệp đồng.

-Kiểu hình màng sinh học có thể được mô tả dưới dạng các gen được biểu thị bởi các tế bào liên quan. Kiểu hình này được thay đổi liên quan đến tốc độ tăng trưởng và phiên mã di truyền.

-Các sinh vật trong màng sinh học có thể phiên mã các gen không phiên mã các dạng sinh vật phù du hoặc tự do của chúng.

-Quá trình hình thành màng sinh học được điều hòa bởi các gen cụ thể, được phiên mã trong quá trình kết dính tế bào ban đầu.

-Trong không gian hạn chế của ma trận, có các cơ chế hợp tác và cạnh tranh. Sự cạnh tranh tạo ra sự thích nghi liên tục trong quần thể sinh học.

-Một hệ thống tiêu hóa bên ngoài tập thể được tạo ra, giữ lại các enzyme ngoại bào gần các tế bào.

-Hệ thống enzyme này cho phép cô lập, tích lũy và chuyển hóa, hòa tan, keo và / hoặc các chất dinh dưỡng lơ lửng.

-Ma trận có chức năng như một khu vực bên ngoài phổ biến của tái chế, lưu trữ các thành phần của các tế bào ly giải, cũng phục vụ như một kho lưu trữ di truyền tập thể.

-Màng sinh học hoạt động như một hàng rào cấu trúc bảo vệ chống lại sự thay đổi của môi trường như làm khô, tác dụng của chất diệt khuẩn, kháng sinh, phản ứng miễn dịch của vật chủ, tác nhân oxy hóa, cation kim loại, tia cực tím và cũng là một biện pháp bảo vệ chống lại nhiều động vật ăn thịt như động vật nguyên sinh và thực vật.

-Ma trận của màng sinh học tạo thành một môi trường sinh thái độc đáo cho các vi sinh vật, cho phép một lối sống năng động cho cộng đồng sinh học. Màng sinh học là hệ sinh thái vi mô thực sự.

Hình thành màng sinh học

Sự hình thành của màng sinh học là một quá trình trong đó các vi sinh vật chuyển từ trạng thái sống đơn bào, sống tự do sang trạng thái tĩnh tại đa bào, trong đó sự tăng trưởng tiếp theo tạo ra các cộng đồng có cấu trúc với sự biệt hóa tế bào.

Sự phát triển màng sinh học xảy ra để đáp ứng với các tín hiệu môi trường ngoại bào và tín hiệu tự tạo.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu màng sinh học đồng ý rằng có thể xây dựng một mô hình giả thuyết tổng quát để giải thích sự hình thành của chúng.

Mô hình hình thành màng sinh học này bao gồm 5 giai đoạn:

  1. Bám dính ban đầu lên bề mặt.
  2. Hình thành một đơn lớp.
  3. Di chuyển để hình thành microcolonies trong nhiều lớp.
  4. Sản xuất ma trận ngoại bào polymer.
  5. Sự trưởng thành của màng sinh học ba chiều.

Bám dính ban đầu lên bề mặt

Sự hình thành của màng sinh học bắt đầu bằng sự kết dính ban đầu của vi sinh vật với bề mặt rắn, nơi chúng bất động. Người ta đã phát hiện ra rằng các vi sinh vật có cảm biến bề mặt và các protein bề mặt có liên quan đến sự hình thành ma trận.

Ở các sinh vật không di động, khi điều kiện môi trường thuận lợi, việc sản xuất chất kết dính trên bề mặt bên ngoài của chúng được tăng lên. Theo cách này, khả năng bám dính tế bào và bề mặt tế bào của nó tăng lên.

Trong trường hợp của các loài di động, các vi sinh vật riêng lẻ nằm trên một bề mặt và đây là điểm khởi đầu cho một sự thay đổi căn bản trong lối sống di động du cư của chúng, ít vận động, gần như không hoạt động.

Khả năng di chuyển bị mất vì trong quá trình hình thành ma trận, các cấu trúc khác nhau tham gia như Flagella, cilia, pilus và fimbrias, bên cạnh các chất kết dính.

Sau đó, trong cả hai trường hợp (vi sinh vật di động và không di động), các tập hợp nhỏ hoặc vi khuẩn được hình thành và một tiếp xúc tế bào - tế bào mạnh hơn được tạo ra; Những thay đổi kiểu hình thích nghi xảy ra với môi trường mới, trong các tế bào được nhóm lại.

Sự hình thành của một lớp đơn và microcolon trong nhiều lớp

Việc sản xuất các chất đa bào ngoại bào bắt đầu, sự hình thành đơn lớp ban đầu xảy ra và sự phát triển tiếp theo trong đa lớp.

Sản xuất ma trận ngoại bào polymer và sự trưởng thành của màng sinh học ba chiều

Cuối cùng, màng sinh học đạt đến giai đoạn trưởng thành, với kiến ​​trúc ba chiều và sự hiện diện của các kênh qua đó nước, chất dinh dưỡng, các hợp chất hóa học truyền thông và axit nucleic lưu thông..

Ma trận của màng sinh học giữ lại các tế bào và giữ chúng lại với nhau, thúc đẩy mức độ tương tác cao với giao tiếp giữa các tế bào và hình thành các tập đoàn hiệp đồng. Các tế bào của màng sinh học không hoàn toàn bất động, chúng có thể di chuyển bên trong nó và cũng tự tách ra.

Các loại màng sinh học

Số lượng loài

Theo số lượng loài tham gia vào màng sinh học, loại thứ hai có thể được phân loại thành:

  • Màng sinh học của một loài. Ví dụ, màng sinh học được hình thành bởi Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Màng sinh học của hai loài. Ví dụ: hiệp hội của Streptococcus mutans và Vellionela parvula trong màng sinh học.
  • Màng sinh học đa hình, được tạo thành từ nhiều loài. Ví dụ, mảng bám răng.

Môi trường đào tạo

Cũng theo môi trường nơi chúng được hình thành, màng sinh học có thể là:

  • Tự nhiên
  • Công nghiệp
  • Trong nước
  • Bệnh viện

Loại giao diện nơi chúng được tạo

Mặt khác, tùy thuộc vào loại giao diện nơi chúng được hình thành, có thể phân loại chúng theo:

  • Biofilms rắn-lỏng, như những người hình thành trong cống và bể, đường ống và bể nước nói chung.
  • Biofilms khí rắn (SAB cho các chữ viết tắt bằng tiếng Anh Sub Aereal Biofilms); đó là những cộng đồng vi sinh vật phát triển trên bề mặt khoáng chất rắn, tiếp xúc trực tiếp với khí quyển và bức xạ mặt trời. Chúng được tìm thấy trong các tòa nhà, đá sa mạc trần trụi, núi, trong số những người khác.

Ví dụ về màng sinh học

-Các mảng bám răng

Các mảng bám răng đã được nghiên cứu, như một ví dụ thú vị của một cộng đồng phức tạp sống trong màng sinh học. Các màng sinh học của các tấm nha khoa cứng và không đàn hồi, do sự hiện diện của muối vô cơ, tạo ra độ cứng cho ma trận polymer.

Các vi sinh vật của mảng bám răng rất đa dạng và có từ 200 đến 300 loài liên quan đến màng sinh học.

Trong số các vi sinh vật này, là:

  • Giới tính Liên cầu khuẩn; cấu thành bởi vi khuẩn axituric khử khoáng men răng và ngà răng, và bắt đầu sâu răng. Ví dụ: các loài: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis và S. milleri.
  • Giới tính Lactobacillus, hình thành bởi vi khuẩn biến tính acidophilic của protein ngà răng. Ví dụ: các loài: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Giới tính Actinomyces, đó là các vi sinh vật axit và phân giải protein. Trong số này, các loài: nhớt, A. odontoliticus và A. naeslundii.
  • Và các thể loại khác, như: Candida albicans, Bacteroides forsythus, porphyromonas gingivalis và Actinobacillus Actinomycetecomitans.

-Màng sinh học trong nước đen

Một ví dụ thú vị khác là nước thải sinh hoạt, nơi chúng sống trong các màng sinh học gắn liền với đường ống, vi sinh vật nitrat hóa oxy hóa amoni, nitrit và vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng.

Trong số các vi khuẩn oxy hóa amoni của các màng sinh học này, chúng được tìm thấy là loài chiếm ưu thế về số lượng, thuộc chi Nitrosomonas, phân phối trên toàn bộ ma trận màng sinh học.

Các thành phần chính trong nhóm các chất oxy hóa nitrite là các thành phần của chi Nitrospira, chỉ nằm ở phần bên trong của màng sinh học.

-Màng sinh học dưới không

Các màng sinh học dưới màng cứng được đặc trưng bởi sự tăng trưởng trong các mảng trên bề mặt khoáng chất rắn như đá và các công trình đô thị. Những màng sinh học này có sự liên kết vượt trội của nấm, tảo, vi khuẩn lam, vi khuẩn dị dưỡng, động vật nguyên sinh, cũng như động vật cực nhỏ.

Đặc biệt, màng sinh học SAB sở hữu các vi sinh vật hóa học, có khả năng sử dụng các chất hóa học vô cơ khoáng sản làm nguồn năng lượng.

Các vi sinh vật hóa học có khả năng oxy hóa các hợp chất vô cơ như H2, NH3, KHÔNG2, S, HS, Đức tin2+ và tận dụng các sản phẩm năng lượng tiềm năng điện của quá trình oxy hóa trong quá trình chuyển hóa của chúng.

Trong số các loài vi sinh vật có trong màng sinh học phụ, là:

  • Vi khuẩn thuộc chi Tràm da; vi khuẩn lam của chi Chrococcoccidiopsis, coccoid và các loài dạng sợi như Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Tảo xanh của chi Tảo lục, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia và Stichococcus.
  • Vi khuẩn dị dưỡng (chiếm ưu thế trong màng sinh học dưới màng cứng): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. và Rhodococcus sp.
  • Vi khuẩn hóa học và nấm như Actynomycetales (streptomycetes và Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria vàacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilms của tác nhân gây bệnh của con người

Nhiều vi khuẩn được gọi là tác nhân gây bệnh của con người sống trong màng sinh học. Trong số này, là: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans và Legionella pneumophyla.

-Bệnh dịch hạch

Điều thú vị là truyền bệnh dịch hạch bằng bọ chét, một sự thích nghi tương đối gần đây của tác nhân vi khuẩn gây bệnh của bệnh này, Pestis Yersinia.

Vi khuẩn này phát triển như một màng sinh học gắn liền với hệ thống tiêu hóa trên của vec tơ (bọ chét). Trong một vết cắn, bọ chét lấy lại màng sinh học có chứa Pestis Yersinia trong lớp hạ bì và do đó nhiễm trùng bắt đầu.

-Catheter tĩnh mạch bệnh viện

Trong số các sinh vật được phân lập từ màng sinh học trong ống thông tĩnh mạch trung tâm được khám phá, có một loại vi khuẩn Gram dương và Gram âm đáng kinh ngạc, cũng như các vi sinh vật khác..

Một số nghiên cứu khoa học báo cáo là vi khuẩn gram dương của màng sinh học trong ống thông tĩnh mạch: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Tụ cầu khuẩn aureus, Staphylococcus biểu bì, Liên cầu khuẩn spp. và Streptococcus pneumoniae.

Trong số các vi khuẩn gram âm được phân lập từ các màng sinh học này được báo cáo: Vi khuẩn Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas aeruginosa spp. và Serratia marcescens.

Các sinh vật khác được tìm thấy trong các màng sinh học này là: Candida spp., Candida albicans, Candida nhiệt đới và Mycobacterium chelonei.

-Trong công nghiệp

Về khả năng hoạt động của ngành, màng sinh học tạo ra vật cản đường ống, làm hỏng thiết bị, gây nhiễu trong các quá trình như truyền nhiệt khi phủ bề mặt trao đổi hoặc ăn mòn các bộ phận kim loại.

Công nghiệp thực phẩm

Sự hình thành của các bộ phim trong các ngành công nghiệp của chi nhánh có thể tạo ra các vấn đề quan trọng về sức khỏe cộng đồng.

Các mầm bệnh liên quan trong màng sinh học có thể làm ô nhiễm các sản phẩm thực phẩm có vi khuẩn gây bệnh và gây ra các vấn đề sức khỏe cộng đồng nghiêm trọng ở người tiêu dùng.

Trong số các màng sinh học của mầm bệnh liên quan đến ngành công nghiệp thực phẩm, có:

Listeria monocytogenes

Tác nhân gây bệnh này sử dụng trong giai đoạn đầu hình thành màng sinh học, vi khuẩn Flagella và màng tế bào. Hình thành màng sinh học trên bề mặt thép của máy cắt lát.

Trong ngành công nghiệp sữa, màng sinh học có thể được sản xuất Listeria monocytogenes trong sữa nước và các sản phẩm từ sữa. Dư lượng sữa trong đường ống, bể chứa, thùng chứa và các thiết bị khác, ủng hộ sự phát triển của màng sinh học của mầm bệnh này sử dụng chúng làm chất dinh dưỡng có sẵn.

Pseudomonas spp.

Màng sinh học của những vi khuẩn này có thể được tìm thấy trong các cơ sở công nghiệp thực phẩm, chẳng hạn như sàn nhà, cống và trên bề mặt thực phẩm như thịt, rau và trái cây, cũng như các dẫn xuất có độ axit sữa thấp..

Pseudomonas aeruginosa bí mật một số chất ngoại bào được sử dụng trong việc hình thành ma trận polymer của màng sinh học, tuân thủ một lượng lớn vật liệu vô cơ như thép không gỉ.

Pseudomonas có thể cùng tồn tại trong màng sinh học kết hợp với các vi khuẩn gây bệnh khác như Salmonella và Listeria.

Salmonella spp.

Các loài Salmonella là tác nhân gây bệnh đầu tiên của zoonoses của nguyên nhân vi khuẩn và bùng phát nhiễm độc thực phẩm.

Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng Salmonella có thể bám dính dưới dạng màng sinh học, trên bề mặt xi măng, thép và nhựa, của các cơ sở của nhà máy chế biến thực phẩm.

Các loài Salmonella Chúng có cấu trúc bề mặt với các đặc tính tuân thủ. Ngoài ra, nó tạo ra cellulose như một chất ngoại bào, là thành phần chính của ma trận polymer.

Escherichia coli

Nó sử dụng Flagella và protein màng trong bước đầu hình thành màng sinh học. Nó cũng tạo ra cellulose ngoại bào để tạo ra mạng ba chiều của ma trận trong màng sinh học.

Kháng các màng sinh học với chất khử trùng, diệt khuẩn và kháng sinh

Màng sinh học cung cấp sự bảo vệ cho các vi sinh vật tạo nên nó, trước tác động của chất khử trùng, chất diệt khuẩn và thuốc kháng sinh. Các cơ chế cho phép tính năng này là như sau:

  • Sự thâm nhập của chất chống vi trùng bị trì hoãn thông qua ma trận ba chiều của màng sinh học, do khuếch tán rất chậm và khó đạt được nồng độ hiệu quả.
  • Thay đổi tốc độ tăng trưởng và chuyển hóa thấp của vi sinh vật trong màng sinh học.
  • Thay đổi phản ứng sinh lý của vi sinh vật trong quá trình tăng trưởng màng sinh học, với biểu hiện của gen kháng thay đổi.

Tài liệu tham khảo

  1. Màng sinh học vi khuẩn. (2008). Các chủ đề hiện tại về Vi sinh và Miễn dịch học. Biên tập viên Tony Romeo. Tập 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. và Costerton, J.W. (2002). Màng sinh học: cơ chế sinh tồn của vi sinh vật có liên quan trên lâm sàng. Đánh giá vi sinh lâm sàng.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. và Wingender, F. (2010). Ma trận màng sinh học. Tự nhiên Nhận xét Vi sinh. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Cuộc sống trên đá. Vi sinh vật môi trường. 9 (7): 1-24. doi: 10.111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. và Kolter, R. (2000). Hình thành màng sinh học khi phát triển vi sinh vật. Đánh giá hàng năm về Vi sinh vật.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. và Stoodley, P. (2004). Màng sinh học vi khuẩn: từ môi trường tự nhiên đến các bệnh truyền nhiễm. Tự nhiên Nhận xét Vi sinh. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. và Mattick, J. (2002). DNA ngoại bào cần thiết cho sự hình thành màng sinh học của vi khuẩn. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / khoa học.295.5559.1487