BIOFILM: CIRI, BENTUK, JENIS DAN CONTOH - BIOLOGI - 2024

The biofilm atau biofilm adalah komunitas mikroorganisme yang melekat pada permukaan, yang tinggal di sebuah matriks ekstraselular zat polimer diri - dihasilkan. Mereka awalnya dijelaskan oleh Antoine von Leeuwenhoek, ketika dia memeriksa "kula binatang" (demikian dinamai untuknya), pada piring bahan dari giginya sendiri pada abad ke-17.

Teori yang mengkonseptualisasikan biofilm dan menjelaskan proses pembentukannya belum dikembangkan sampai tahun 1978. Diketahui bahwa kemampuan mikroorganisme untuk membentuk biofilm tampaknya bersifat universal.

Gambar 1. Biofilm yang diproduksi oleh Staphylococcus aureus dalam kateter. Sumber: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. melalui https://commons.wikimedia.org

Biofilm dapat berada di lingkungan yang bervariasi seperti sistem alami, saluran air, tangki penyimpanan air, sistem industri, serta di berbagai media seperti perangkat medis dan perangkat untuk pasien rumah sakit (seperti kateter, misalnya).

Melalui penggunaan pemindaian mikroskop elektron dan mikroskop laser pemindaian confocal, ditemukan bahwa biofilm bukanlah endapan sel yang tidak terstruktur dan homogen dan endapan lumpur yang terkumpul, melainkan struktur heterogen yang agak kompleks.

Biofilm adalah komunitas kompleks dari sel terkait di permukaan, tertanam dalam matriks polimer terhidrasi tinggi yang airnya bersirkulasi melalui saluran terbuka dalam struktur.

Banyak organisme yang telah berhasil bertahan hidup jutaan tahun di lingkungan, misalnya spesies dari genera Pseudomonas dan Legionella, menggunakan strategi biofilm di lingkungan selain lingkungan asli mereka.

Karakteristik biofilm

Karakteristik kimia dan fisik dari matriks biofilm

Zat ekstraseluler polimerik yang disekresikan oleh mikroorganisme biofilm, makromolekul polisakarida, protein, asam nukleat, lipid dan biopolimer lainnya, kebanyakan molekul yang sangat hidrofilik, menyeberang untuk membentuk struktur tiga dimensi yang disebut matriks biofilm.

- Struktur matriks sangat viskoelastik, memiliki sifat karet, tahan terhadap traksi dan kerusakan mekanis.

-Matriks memiliki kemampuan untuk melekat pada permukaan antarmuka, termasuk ruang internal media berpori, melalui polisakarida ekstraseluler yang bertindak sebagai gusi yang melekat.

-Matriks polimerik sebagian besar bersifat anionik dan juga mencakup zat anorganik seperti kation logam.

-Ini memiliki saluran air di mana oksigen, nutrisi dan zat limbah bersirkulasi yang dapat didaur ulang.

Matriks biofilm ini bekerja sebagai alat perlindungan dan kelangsungan hidup terhadap lingkungan yang merugikan, penghalang terhadap penyerang fagositik dan terhadap masuknya dan difusi disinfektan dan antibiotik.

Karakteristik ekofisiologis biofilm

-Pembentukan matriks dalam gradien non-homogen, menghasilkan berbagai habitat mikro, yang memungkinkan keanekaragaman hayati ada di dalam biofilm.

-Di dalam matriks, bentuk kehidupan seluler sangat berbeda dari kehidupan bebas, tidak terkait. Mikroorganisme biofilm tidak dapat bergerak, sangat dekat satu sama lain, berasosiasi dalam koloni; fakta ini memungkinkan terjadinya interaksi yang intens.

-Interaksi antar mikroorganisme dalam biofilm meliputi komunikasi melalui sinyal kimiawi dalam kode yang disebut “quorum sensing”.

-Ada interaksi penting lainnya seperti transfer gen dan pembentukan mikro-konsorsium yang sinergis.

-Fenotipe biofilm dapat dijelaskan dalam istilah gen yang diekspresikan oleh sel terkait. Fenotipe ini diubah sehubungan dengan laju pertumbuhan dan transkripsi gen.

-Organisme di dalam biofilm dapat mentranskripsi gen yang tidak mentranskripsi bentuk kehidupan planktonik atau kehidupan bebasnya.

-Proses pembentukan biofilm diatur oleh gen tertentu, ditranskripsikan selama adhesi sel awal.

-Dalam ruang terbatas dari matriks, terdapat mekanisme kerjasama dan persaingan. Persaingan menghasilkan adaptasi konstan dalam populasi biologis.

-Sistem pencernaan eksternal kolektif dihasilkan, yang mempertahankan enzim ekstraseluler di dekat sel.

-Sistem enzimatis ini memungkinkan untuk menyerap, mengakumulasi dan memetabolisme, melarutkan, koloid dan / atau nutrisi yang tersuspensi.

-Matriks berfungsi sebagai area daur ulang eksternal umum, penyimpanan komponen sel yang dilisis, juga berfungsi sebagai arsip genetik kolektif.

-Fungsi biofilm sebagai pelindung struktural terhadap perubahan lingkungan seperti pengeringan, aksi biosida, antibiotik, respon imun inang, oksidator, kation logam, radiasi ultraviolet dan juga pertahanan terhadap banyak predator seperti protozoa fagositik dan serangga.

-Matriks biofilm merupakan lingkungan ekologi yang unik untuk mikroorganisme, yang memungkinkan cara hidup yang dinamis bagi komunitas biologis. Biofilm adalah ekosistem mikro sejati.

Pembentukan biofilm

Pembentukan biofilm adalah proses di mana mikroorganisme berubah dari keadaan hidup bebas, bersel tunggal, nomaden menjadi keadaan menetap multiseluler, di mana pertumbuhan selanjutnya menghasilkan komunitas terstruktur dengan diferensiasi sel.

Perkembangan biofilm terjadi sebagai respons terhadap sinyal lingkungan ekstraseluler dan sinyal yang dihasilkan sendiri.

Para peneliti yang telah mempelajari biofilm setuju bahwa adalah mungkin untuk membangun model hipotetis umum untuk menjelaskan pembentukannya.

Model pembentukan biofilm terdiri dari 5 tahap:

1. Adhesi awal ke permukaan.
2. Pembentukan monolayer.
3. Migrasi untuk membentuk mikrokoloni multilayer.
4. Produksi matriks ekstraseluler polimer.
5. Pematangan biofilm tiga dimensi.

Gambar 2. Proses pembentukan biofilm. Sumber: D. Davis, melalui Wikimedia Commons

Adhesi awal ke permukaan

Pembentukan biofilm dimulai dengan adhesi awal mikroorganisme ke permukaan padat, di mana mereka tidak dapat bergerak. Telah ditemukan bahwa mikroorganisme memiliki sensor permukaan dan protein permukaan terlibat dalam pembentukan matriks.

Pada organisme non-bergerak, ketika kondisi lingkungan mendukung, produksi perekat pada permukaan luarnya meningkat. Dengan cara ini, ia meningkatkan kapasitas adhesi sel-sel dan permukaan selnya.

Dalam kasus spesies bergerak, mikroorganisme individu terletak di permukaan dan ini adalah titik awal menuju perubahan radikal dalam cara hidup mereka dari bergerak bebas nomaden, menjadi menetap, hampir sesil.

Oleh karena itu, kemampuan untuk bergerak hilang dalam pembentukan matriks, berbagai struktur seperti flagela, silia, pilus, dan fimbria ikut serta, selain zat perekat.

Kemudian, dalam kedua kasus (mikroorganisme bergerak dan non-bergerak), agregat kecil atau mikrokoloni terbentuk dan kontak sel-sel yang lebih intens dihasilkan; perubahan fenotipik adaptif ke lingkungan baru terjadi dalam sel berkerumun.

Pembentukan monolayer dan microcolonies dalam multilayers

Produksi zat polimer ekstraseluler dimulai, pembentukan awal dalam lapisan tunggal terjadi dan perkembangan selanjutnya dalam lapisan banyak.

Produksi matriks ekstraseluler polimer dan pematangan biofilm tiga dimensi

Akhirnya, biofilm mencapai tahap kematangannya, dengan arsitektur tiga dimensi dan adanya saluran yang melaluinya air, nutrisi, bahan kimia komunikasi, dan asam nukleat bersirkulasi.

Matriks biofilm mempertahankan sel dan menyatukannya, meningkatkan interaksi tingkat tinggi dengan komunikasi antar sel dan pembentukan konsorsium sinergis. Sel-sel biofilm tidak sepenuhnya tidak dapat bergerak, mereka dapat bergerak di dalamnya dan juga terlepas.

Jenis biofilm

Jumlah spesies

Menurut jumlah spesies yang berpartisipasi dalam biofilm, biofilm dapat diklasifikasikan menjadi:

• Biofilm suatu spesies. Misalnya biofilm yang dibentuk oleh Streptococcus mutans atau Vellionela parvula.
• Biofilm dari dua spesies. Misalnya, asosiasi Streptococcus mutans dan Vellionella parvula dalam biofilm juga telah ditemukan.
• Biofilm polimikroba, terdiri dari banyak spesies . Misalnya plak gigi.

Lingkungan pelatihan

Juga tergantung pada lingkungan tempat mereka terbentuk, biofilm dapat berupa:

• Alam
• Industri
• Lokal
• Ramah

Gambar 3. Biofilm bakteri termofilik di Mickey Hot Springs, Oregon, AS. Sumber: Amateria1121, dari Wikimedia Commons

Jenis antarmuka tempat mereka dibuat

Di sisi lain, menurut jenis antarmuka tempat mereka dibentuk, dimungkinkan untuk mengklasifikasikannya menjadi:

• Biofilm antarmuka padat-cair , seperti yang terbentuk di akuaduk dan tangki, pipa dan tangki air pada umumnya.
• Biofilm antarmuka padat-gas (SAB untuk akronimnya dalam bahasa Inggris Sub Aereal Biofilm); yang merupakan komunitas mikroba yang berkembang pada permukaan mineral padat, yang terpapar langsung ke atmosfer dan radiasi matahari. Mereka ditemukan di gedung-gedung, bebatuan gurun pasir, pegunungan, antara lain.

Contoh biofilm

-Plak gigi

Plak gigi telah dipelajari sebagai contoh menarik dari komunitas kompleks yang hidup dalam biofilm. Biofilm plat gigi keras dan tidak elastis, karena adanya garam anorganik, yang memberikan kekakuan pada matriks polimerik.

Mikroorganisme plak gigi sangat bervariasi dan terdapat antara 200 hingga 300 spesies terkait dalam biofilm.

Di antara mikroorganisme tersebut adalah:

• Genus Streptococcus ; terdiri dari bakteri aciduric yang menghilangkan mineralisasi enamel dan dentin, dan memicu karies gigi. Misalnya jenis mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis dan S. milleri.
• Genus Lactobacillus , terdiri dari bakteri asidofilik yang mendenaturasi protein dentin. Misalnya spesies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Genus Actinomyces , yang merupakan mikroorganisme aciduric dan proteolitik. Diantaranya, spesies: viscosus, A. odontoliticus dan A. naeslundii.
• Dan genera lainnya , seperti: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis dan Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilm dalam air hitam

Contoh menarik lainnya adalah air limbah rumah tangga, di mana mikroorganisme nitrifikasi yang mengoksidasi amonium, nitrit, dan bakteri nitrifikasi autotrofik hidup dalam biofilm yang menempel pada pipa.

Di antara bakteri pengoksidasi amonium dalam biofilm ini, spesies yang dominan secara numerik adalah spesies dari genus Nitrosomonas, didistribusikan ke seluruh matriks biofilm.

Komponen mayoritas dalam kelompok oksidan nitrit adalah genus Nitrospira, yang terletak hanya di bagian dalam biofilm.

- Biofilm subaerie

Biofilm subaerie dicirikan oleh pertumbuhan yang tidak merata pada permukaan mineral padat seperti batuan dan bangunan perkotaan. Biofilm ini menunjukkan asosiasi yang dominan dari jamur, alga, cyanobacteria, bakteri heterotrofik, protozoa, serta hewan mikroskopis.

Secara khusus, biofilm SAB memiliki mikroorganisme chemolytotrophic, yang mampu memanfaatkan bahan kimia mineral anorganik sebagai sumber energi.

Mikroorganisme kemolitotrofik memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa anorganik seperti H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ dan memanfaatkan energi potensial listrik yang dihasilkan oleh oksidasi dalam metabolisme mereka.

Di antara spesies mikroba yang ada dalam biofilm subaerial adalah:

• Bakteri dari genus Geodermatophilus; cyanobacteria dari genera C hrococcoccidiopsis, coccoid dan spesies berserabut seperti Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Ganggang hijau dari genera Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia dan Stichococcus.
• Bakteri heterotrofik (dominan dalam biofilm subaerial): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. dan Rhodococcus sp.
• Bakteri dan jamur kemoorganotrofik seperti Actynomycetales (streptomycetes dan Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria dan Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

Film -Bio agen penyebab penyakit manusia

Banyak bakteri yang dikenal sebagai agen penyebab penyakit manusia hidup dalam biofilm. Diantaranya adalah: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans dan Legionella pneumophyla.

Wabah -Bubonic

Yang menarik adalah penularan penyakit pes melalui gigitan kutu, adaptasi yang relatif baru dari agen bakteri yang bertanggung jawab atas penyakit ini, Yersinia pestis.

Bakteri ini tumbuh sebagai biofilm yang menempel pada sistem pencernaan bagian atas vektor (kutu). Selama gigitan, kutu memuntahkan biofilm yang mengandung Yersinia pestis di dermis, sehingga memicu infeksi.

Kateter vena rumah sakit

Organisme yang diisolasi dari biofilm pada kateter vena sentral yang dieksplorasi termasuk serangkaian bakteri Gram-positif dan Gram-negatif yang menakjubkan, serta mikroorganisme lainnya.

Beberapa penelitian ilmiah melaporkan bakteri Gram-positif dari biofilm pada kateter vena: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. dan Streptococcus pneumoniae.

Di antara bakteri Gram-negatif yang diisolasi dari biofilm ini, yang dilaporkan adalah: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. . dan Serratia marcescens.

Organisme lain yang ditemukan dalam biofilm ini adalah: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis dan Mycobacterium chelonei.

-Dalam industri

Mengenai operasi industri, biofilm menghasilkan penghalang pipa, kerusakan peralatan, gangguan dalam proses seperti perpindahan panas saat menutupi permukaan penukar, atau korosi bagian logam.

Industri makanan

Pembentukan film dalam industri makanan dapat menciptakan masalah kesehatan dan operasional masyarakat yang signifikan.

Patogen terkait dalam biofilm dapat mencemari produk makanan dengan bakteri patogen dan menyebabkan masalah kesehatan masyarakat yang serius bagi konsumen.

Di antara biofilm patogen yang terkait dengan industri makanan adalah:

Listeria monocytogenes

Patogen ini digunakan pada tahap awal pembentukan biofilm, flagela dan protein membran. Membentuk biofilm pada permukaan baja mesin pengiris.

Dalam industri susu, biofilm Listeria monocytogenes dapat diproduksi dalam cairan susu dan produk susu. Residu susu dalam pipa, tangki, wadah, dan perangkat lain mendukung pengembangan biofilm dari patogen ini yang menggunakannya sebagai nutrisi yang tersedia.

Pseudomonas

Biofilm bakteri ini dapat ditemukan di fasilitas industri makanan, seperti lantai, saluran air, dan permukaan makanan seperti daging, sayuran, dan buah-buahan, serta turunan susu rendah asam.

Pseudomonas aeruginosa mengeluarkan beberapa zat ekstraseluler yang digunakan dalam pembentukan matriks polimerik biofilm, dengan melekat pada sejumlah besar bahan anorganik seperti baja tahan karat.

Pseudomonas dapat hidup berdampingan di dalam biofilm bersama dengan bakteri patogen lain seperti Salmonella dan Listeria.

Salmonella

Spesies salmonella adalah agen penyebab zoonosis pertama dari etiologi bakteri dan wabah keracunan makanan.

Studi ilmiah menunjukkan bahwa Salmonella dapat menempel sebagai biofilm pada permukaan beton, baja, dan plastik di fasilitas pabrik pengolahan makanan.

Spesies salmonella memiliki struktur permukaan dengan sifat yang melekat. Selain itu, ia menghasilkan selulosa sebagai zat ekstraseluler, yang merupakan komponen utama dari matriks polimer.

Escherichia coli

Ini menggunakan protein flagela dan membran pada langkah awal pembentukan biofilm. Ini juga menghasilkan selulosa ekstraseluler untuk menghasilkan kerangka tiga dimensi dari matriks di biofilm.

Resistensi biofilm terhadap disinfektan, germisida, dan antibiotik

Biofilm menawarkan perlindungan bagi mikroorganisme yang menyusunnya, terhadap tindakan disinfektan, germisida, dan antibiotik. Mekanisme yang memungkinkan fitur ini adalah sebagai berikut:

• Penetrasi agen antimikroba yang tertunda melalui matriks biofilm tiga dimensi, karena difusi yang sangat lambat dan kesulitan dalam mencapai konsentrasi efektif.
• Tingkat pertumbuhan yang berubah dan metabolisme mikroorganisme yang rendah di biofilm.
• Perubahan respons fisiologis mikroorganisme selama pertumbuhan biofilm, dengan ekspresi gen resistensi yang berubah.

Referensi

1. Biofilm Bakteri. (2008). Topik Terkini dalam Mikrobiologi dan Imunologi. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM dan Costerton, JW (2002). Biofilm: mekanisme kelangsungan hidup mikroorganisme yang relevan secara klinis. Tinjauan Mikrobiologi Klinis. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC dan Wingender, F. (2010). Matriks biofilm. Ulasan Alam Mikrobiologi. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Kehidupan di bebatuan. Mikrobiologi Lingkungan. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB dan Kolter, R. (2000). Pembentukan biofilm sebagai perkembangan mikroba. Review Tahunan Mikrobiologi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW dan Stoodley, P. (2004). Biofilm bakteri: dari lingkungan alam hingga penyakit menular. Ulasan Alam Mikrobiologi. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. dan Mattick, J. (2002). DNA ekstraseluler diperlukan untuk pembentukan biofilm bakteri. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487