بیوفیلم چیست؟ نحوه تشکیل و مهار بیوفیلم

بیوفیلم چیست؟

بیوفیلم‌ها (Biofilm) مجموعه‌ای از یک یا چند نوع میکروارگانیسم هستند که می‌توانند در سطوح مختلف رشد کنند. میکروارگانیسم‌هایی که بیوفیلم‌ها را تشکیل می‌دهند می‌توانند از خانواده‌ی قارچ‌ها، باکتری‌ها یا آغازیان باشند. یکی از آشناترین مثال‌های بیوفیلم پلاک‌های دندانی هستند؛ لایه‌ای نازک از باکتری که بر سطح دندان‌ها شکل می‌گیرد.

انواع دیگری از بیوفیلم‌ها وجود دارند که می‌توانند بر سطوح بی‌جان نظیر مواد معدنی و فلزات رشد کنند. آن‌ها در زیر آب و روی زمین یافت می‌شوند؛ می‌توانند روی بافت‌های گیاهی و حیوانی و یا روی دستگاه‌هایی که به شکل مصنوعی درون بدن ایمپلنت می‌شوند، نظیر ضربان‌ساز قلبی و کاتترها رشد کنند. همه‌ی سطوح نام برده شده یک ویژگی مشترک دارند: مرطوب بودن. بیوفیلم‌ها برای مدت زمانی بسیار طولانی در این محیط‌ها رشد کرده‌اند. بقایای فسیلی در نزدیک به ۳.۲ بیلیون سال گذشته یافت شده‌اند. برای مثال، فسیل‌های بیوفیلمی که ۳.۲ بیلیون سال گذشته در سنگ‌های اعماق اقیانوس در شرایطی هیدروترمال رشد کرده‌اند، یافت شده‌اند.(۱)

مراحل تشکیل بیوفیلم

مراحل تشکیل بیوفیلم در باکتری‌ها از یک مدل کلی پیروی می‌کند؛ به این صورت که در اولین مرحله اتصال و استقرار میکروارگانیسم با سطح زنده یا غیر زنده اتفاق می‌افتد. اتصال اولیه با سطح غیر اختصاصی بوده و توسط پیوندهای آب‌گریزی، واندروالسی و الکترواستاتیک صورت می‌پذیرد. در این حالت وضعیت میکروارگانیسم از فرم پالنکتونی به فرم ثابت تغییر می‌یابد.

پس از اتصال اولیه، پروتئین‌های سطح میکروب متصل‌شونده به ماتریکس به صورت اختصاصی اتصال باکتری را به سطح قوی‌تر می‌کند، با تکثیر باکتری میکروکلنی باکتریایی تشکیل می‌شود و به دنبال آن ساختار سه بعدی که همان بیوفیلم بالغ است شکل می‌گیرد. این بیوفیلم بالغ پس از مدتی متلاشی شده اما سلول‌های باکتریایی آزاد شده می‌توانند در مکان‌های دیگر ایجاد عفونت و کانون جدید بیوفیلمی نمایند.

تشکیل بیوفیلم به وسیله تعاملات بین سلولی (بین باکتریایی) به نام سیستم حد نصاب شکل می‌گیرد. سیستم حد نصاب یک فرآیند وابسته به غلظت است که هم در باکتری‌های گرم مثبت و هم باکتری‌های گرم منفی وجود دارد. در این سیستم، باکتری‌ها به واسطه مولکول‌های کوچکی به نام ملکول‌های خودالقاگر با هم ارتباط برقرار می‌کنند. زمانی که تراکم باکتریایی در یک محیط به یک حد خاصی می‌رسد غلظت این مولکول‌های انتقال دهنده به حد آستانه رسیده و تغییرات وسیعی را در سطح بیان ژنی القا می‌کنند. این تغییرات در سطح بیان ژن، فاکتورهای تهاجمی مختلفی از جمله بیوفیلم را در باکتری تحت تأثیر (القا یا سرکوب) قرار می‌دهد. تغییرات محیط پیرامون میکروارگانیسم باعث تبدیل شدن فرم پالنکتونی به فرم بیوفیلمی می‌شود. در گذر از فاز پلانکتونی به فاز بیوفیلمی بیان ژن در سلول باکتریایی دستخوش تغییرات فراوانی می‌شود. مولکول‌های سطح سلول، مسیرهای متابولیسمی خاص و تولید فاکتورهای مختلف به ماندگاری باکتری در شرایط بیوفیلم کمک می‌کنند.

در فاز بیوفیلمی باکتری در یک ماتریکس خارج سلولی خودساز محصور می‌شود. این ماتریکس ۳۰ درصد حجم توده بیوفیلم را تشکیل می‌دهد. ماتریکس از پلیمرهای خارج سلولی، پروتئین‌های متصل شونده به کربوهیدرات، پیلی، DNA خارج سلولی، تاژک و سایر فیبرهای چسبنده تشکیل شده است. وظیفه این ماتریکس خارج سلولی، حفظ ساختار سه بعدی بیوفیلم می‌باشد. مواد غذایی به دام افتاده درون ماتریکس تأمین کننده نیازغذایی باکتری‌ها در بیوفیلم می‌باشد. آب نیز به واسطه خاصیت هیدروفیلی پلی ساکارید ماتریکس، برای حفظ حیات باکتری‌ها تأمین می‌گردد.

در پاسخ به تغییرات محیطی آنزیم‌هایی از باکتری محصور شده در بیوفیلم ترشح می‌شود که این آنزیم‌ها روی ترکیبات ماتریکس خارج سلولی تأثیر می‌گذارند. ترکیبات ماتریکس مسئول ایجاد حالت خشک شده و کاملا مقاوم و مستحکم این ساختار می‌باشند. این خصوصیت به کنار هم قرار گرفتن سلول‌های باکتریایی کمک می‌کند. جهت ایجاد ارتباط بین سلولی مانند انتقال DNA که در فاز بیوفیلمی بسیار زیاد اتفاق می‌افتد، کنار هم قرار داشتن سلول‌های باکتریایی از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین این ماتریکس خارج سلولی باکتری را از گزند مواد شیمیایی ضدباکتریایی، ترکیبات اکسیدکننده و تأثیرات مخرب اشعه در امان نگه می‌دارد.(۲)

باکتری‌های تشکیل دهنده بیوفیلم

هم باکتری‌های گرم مثبت و هم گرم منفی می‌توانند بیوفیلم ایجاد کنند. از جمله مهم‌ترین باکتری‌هایی که توانایی تشکیل بیوفیلم را دارند می‌توان باکتری‌های گرم مثبت انتروکوکوس فکالیس، استافیلوکوکوس اورئوس، استافیلوکوکوس اپیدرمیدیس، استرپتوکوکوس‌های گروه ویریدانس و باکتری‌های گرم منفی اشریشیا کلی، کلبسیلا پنومونیه، پروتئوس میرابیلیس و سودوموناس آئروژینوزا را نام برد.

باکتری‌هایی که توانایی تشکیل بیوفیلم را دارند به دلیل مقاومت بالا می‌توانند عفونت‌های مزمن مانند التهاب پایدار و آسیب بافتی ایجاد کنند. بیوفیلم باکتریایی ایجادشده در این حالت به درمان توسط آنتی بیوتیک‌های معمول مقاوم می‌باشد. ایجاد بیوفیلم می‌تواند باعث چندین مشکل در زمینه پزشکی شود که از جمله آن‌ها، عفونت وسایل خارجی مانند کاتترها، لوله‌های حلقی و لنزهای تماسی و همچنین عفونت بافت‌های زنده مانند عفونت اندوکارد، عفونت زخم و عفونت اپیتلیوم ریه به‌خصوص در مبتلایان به سیستیک فیبروزیس می‌باشد.(۲)

دلایل شکل‌گیری بیوفیلم

برای میکروارگانیسم‌ها، زندگی کردن در یک بیوفیلم با مزایای خاصی همراه است. اجتماعاتِ میکروبی معمولاً نسبت به استرس‌ها بسیار مقاوم‌ترند. فاکتورهای استرس‌زای بالقوه نظیر کمبود آب، افزایش یا کاهش pH محیط یا وجود مواد سمی برای میکروب، نظیر آنتی‌بیوتیک‌ها، آنتی‌میکروب‌ها یا فلزات سنگین را شامل می‌شوند.
توجیهات بسیاری برای سختی و مقاومت بالای بیوفیلم‌ها وجود دارد. برای مثال، لایه‌ی EPS که آن‌ها را می‌پوشاند، به عنوان یک عامل فیزیکی در برابر عوامل ذکر شده عمل می‌کند. این لایه می‌تواند به کمبود آب کمک کند یا در برابر اشعه‌ی UV  که میکروارگانیسم‌ها را تهدید می‌کند، مقاومت ایجاد کند. به‌علاوه، مواد مضر نظیر فلزات و آنتی‌بیوتیک‌ها با نزدیک شدن به EPS یا خنثی می‌شوند یا با اتصال به آن، از کار می‌افتند. به علاوه، این مواد پیش از رسیدن به سلول‌های عمقی‌تر بیوفیلم، غلظت اثرگذار خود را در مواجه با سلول‌های سطحی از دست می‌دهند.

با همه‌ی این اوصاف، برای برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها امکان نفوذ به EPS و هجوم به لایه‌های مختلف بیوفیلم وجود دارد. در این جا نیز مکانیسم دفاعی دیگری به کار می‌آید: وجود باکتری‌هایی که از نظر فیزیولوژیک به خواب رفته‌اند. همه‌ی آنتی‌بوتیک‌ها برای اثرگذاری، به فعالیت‌های سلولی میکروب‌ها نیازمندند. در صورتی که باکتری غیرفعال باشد، چیز زیادی برای آنتی‌بیوتیک باقی نمی‌ماند.
یکی دیگر از روش‌های محافظت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها، وجود سلول‌های باکتری خاصی با نام “پرسیستر” (persisters) است. این سلول‌ها تقسیم نمی‌شوند و در برابر بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌ها مقاومند. بنا بر مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۰ منتشر شد، پرسیسترها با تولید موادی که ساختارهای هدف آنتی‌بیوتیک را هدف قرار می‌دهند، در برابر آن‌ها مقاومت می‌کنند.
در حالت کلی، میکروارگانیسم‌هایی که با یکدیگر تحت عنوان بیوفیلم زندگی می‌کنند، از وجود سلول‌های مختلف در اجتماع خود مزایایی کسب می‌کند.(۲)

معرفی ترکیبات ضد بیوفیلمی

ترکیبات ضد بیوفیلمی به ترکیباتی گفته می‌شود که به نحوی مانع از ایجاد فاز بیوفیلمی در باکتری‌های مستعد می‌شود. این ترکیبات با تحت تأثیر قرار دادن قسمت‌های مختلف این ساختار سه‌بعدی، سبب ایجاد نارسایی‌هایی در سطح بیوفیلم شده و مانع از ایجاد یا گسترش آن‌ها می‌شوند. این ترکیبات به دو گروه ترکیبات ضدبیوفیلمی غیرگیاهی و ترکیبات ضدبیوفیلمی گیاهی تقسیم بندی می‌شوند.(۲)

ترکیبات ضد بیوفیلمی غیر گیاهی

ترکیبات ضدبیوفیلمی غیر گیاهی دسته‌ای از ترکیبات هستند که منشأ غیرگیاهی دارند. در ادامه به ارائه چند نمونه از این ترکیبات پرداخته شده است:

پوشش سطحی و مهار ایجاد بیوفیلم

از این گروه می‌توان به پوشش ضدمیکروبی اشاره کرد. پوشاندن سطح با آنتی بیوتیک‌ها، مواد بیوساید و ترکیبات یونی یکی از روش‌های مهار تشکیل بیوفیلم می‌باشد. این روش با مهار اتصال باکتری با سطح و همچنین کشتن باکتری‌های متصل شده، از مراحل اولیه تشکیل بیوفیلم ممانعت می‌کند. اما اثربخشی این روش برای مدت زمان محدودی (تا یک هفته) است، بعد از این مدت مواد ضدمیکروبی کارایی خود را از دست داده یا اثر آنها بسیار کم می‌شود.

راه دیگر مهار ایجاد بیوفیلم، ایجاد تغییرات فیزیکی بر روی سطح است. تشکیل بیوفیلم با اتصال اولیه باکتری به سطح انجام می‌گیرد. میزان آبگریزی و بار الکتریکی سطح نقش مهمی در توانایی باکتری جهت تشکیل بیوفیلم دارد بنابراین هر عاملی که باعث آبدوست کردن سطح شود تعامل باکتریایی با سطح و در نتیجه بیوفیلم را کاهش می‌دهد.

مهارکنندگان سیستم حد نصاب بیوفیلم

مراحل تشکیل بیوفیلم تحت کنترل سیستم حد نصاب است. دراین سیستم باکتری‌ها برای تجمع خود و تشکیل بیوفیلم به وسیله مواد شیمیایی مترشحه از خودشان با هم ارتباط برقرار می‌کنند. هر تکنیک یا ماده‌ای که در این فرآیند اختلال ایجاد کند را مهار کننده سیستم حد نصاب می‌گویند. یکی از راهکارهای مهار تشکیل بیوفیلم تداخل در سیگنال بین باکتری‌ها یا همان سیستم حد نصاب است. از جمله مواد شناخته شده‌ای که نقش QSI دارد ماده‌ای است به اسم furanones Bromated که اولین بار از جلبک قرمز pulchra Delisea به دست آمد. اما امروزه ساختارهای شبیه به آن به صورت مصنوعی سنتز می‌شود. این ماده از تشکیل بیوفیلم در استرپتوکوکوس‌های ویریدانس مانند استرپتوکوکوس موتانس که در تشکیل بیوفیلم و پلاک دندان اهمیت زیادی دارد با مهار QS ممانعت می‌کند.

باکتریوفاژها و مهار بیوفیلم

استفاده از باکتریوفاژهای لیتیک می‌تواند به عنوان یک روش جایگزین آنتی بیوتیک‌ها و یا مکمل آنها در درمان عفونت‌ها به کار برده شود. باکتریوفاژها برای انسان مضر نیستند و برای باکتری میزبان کاملاً اختصاصی عمل می‌کنند. فاژها قادر به حذف بیوفیلم در باکتری میزبان خود هستند. به عنوان مثال فاژ T4 می‌تواند درون بیوفیلم تشکیل شده باکتری اشریشیا کلی تکثیر یابد و با کشتن این باکتری ساختار فیزیکی بیوفیلم را تخریب کند.

بسیاری از فاژها پلیمرازهایی تولید می‌کنند که پلیمر خارج سلولی بیوفیلم را تجزیه می‌کند. برای باکتری کلبسیلا آئروژنز فاژ تجزیه کننده اگزوپلی ساکارید و کپسول شناسایی شده است. همچنین فاژ لیزین یا اندولیزین جزو مواد ضدمیکروبی علیه باکتری‌های گرم مثبت محسوب می‌شوند که به خاصیت ضد بیوفیلمی فاژ کمک می‌کنند.

از جمله اشکالات استفاده از فاژ به عنوان یک مکانیسم ضد بیوفیلمی این است که ذرات فاژی اختصاصی میزبان هستند، بنابراین طیف اثر محدودی دارند. همچنین ممکن است در باکتری‌ها مقاومت فاژی ایجاد شود. یکی دیگر از معایب فاژ این است که بعضی از فاژها حامل ژن‌های مربوط به فاکتور تهاجم هستند که امکان انتقال این ژن‌ها به باکتری درمان شده با فاژ وجود دارد.

آنزیم‌های ضد بیوفیلمی

از آنجایی که باکتری‌های بیوفیلم درون ماتریکس خارج سلولی محصور شده‌اند، تخریب ماتریکس بیوفیلم می‌تواند به عنوان روشی جهت تخریب بیوفیلم تشکیل شده، مورد استفاده قرار گیرد. پروتئازها، گلیکوزیدازها و دئوکسی ریبونوکلئازها از جمله این آنزیم‌ها هستند. B Dispersin یک آنزیم تجزیه کننده ماتریکس بیوفیلم می‌باشد. این ماده یک گلیکوزیداز بوده که از باکتری اکتینوباسیلوس اکتینومیست–کومیتنس به دست می‌آید. این آنزیم ماده پلی ان_ استیل گلوکزآمین که در ساختار ماتریکس بیوفیلم اکثر باکتری‌ها حضور دارد را تجزیه می‌کند.

باکتری سودوموناس آئروژینوزا توانایی تولید پلی ساکارید آلژینات و همچنین آنزیم تجزیه کننده آلژینات را دارد. آلژینات جزء اصلی ساختار ماتریکس بیوفیلم این باکتری است. مطالعات نشان می‌دهد افزایش وجود آنزیم تجزیه کننده آلژینات باعث حساسیت بیوفیلم سودوموناس آئروژینوزا به آنتی بیوتیک‌ها می‌شود. با افزودن آنزیم به محیط پیرامون باکتری و همچنین افزایش بیان ژن کدکننده آنزیم تجزیه کننده آلژینات می‌توان به این هدف دست یافت.

سورفاکتانت‌ها و بیوسورفاکتانت‌های ضد بیوفیلمی

پوشاندن سطح با بیوسورفاکتانت‌ها می‌تواند باعث عدم اتصال باکتری‌ها به سطح و متعاقب آن مهار تشکیل بیوفیلم شود. بیوسورفاکتانت‌ها ترکیبات میکروبی هستند که توانایی تغییر خاصیت فیزیکوشیمیایی سطوح را دارند. این تغییر ممکن است اتصال باکتریایی را به سطوح تحت تأثیر قرار دهد.

سورفاکتانت‌ها ترکیبات شیمیایی هستند که معمولاً جهت پاک کردن سطوح در کارخانجات مواد غذایی از آن‌ها استفاده می‌شود. بیوسورفاکتانت‌ها در مقایسه با سورفاکتانت‌ها سمیت کمتر و زیست تخریب پذیری  یا تجزیه بیشتری دارند. سورفاکتین یک لیپوپپتید است که توسط باکتری باسیلوس سابتیلیس تولید می‌شود. این ماده توانایی تغییر سطوح را دارد و تشکیل بیوفیلم باکتریایی را دچار اختلال می‌کند. همچنین گلیکولیپید ترشح شده از باکتری سودوموناس آئروژینوزا به نام رامنولیپید نیز این خاصیت را داراست. جذب بیوسورفاکتانت‌ها روی سطوح می‌تواند میزان آبگریزی سطح را تحت تأثیر قرار دهد که به دنبال آن تعامل باکتری با سطح و تشکیل بیوفیلم دچار اختلال می‌شود. گزارش شده است که غلظت ۰/۵ درصد سورفاکتین باعث کاهش معنی‌دار چسبندگی باکتری لیستریا منوسیتوژنز و انتروباکتر ساکازاکی می‌شود.(۳)

مشتقات گیاهی دارای خاصیت ضد بیوفیلمی

تلاش محققان جهت معرفی ترکیباتی با خاصیت ضد بیوفیلمی منجر به شناخت ترکیبات گیاهی شده است که به صورت طبیعی گیاهان برای محافظت از خود در برابر استقرار باکتریایی از آن‌ها استفاده می‌کنند. این ترکیبات که وزن ملکولی کمتر از یک کیلو دالتون دارند را اصطلاحاً “Parvome “میگویند (Parve به معنای کوچک و ome به معنای گروه). از جمله این ترکیبات می‌توان آلکالوئیدها، ترپنوئیدها، فالونوئید و کومارین‌ها، پپتیدها، گلیکوزیدها، نوکلئوزیدها و پلی‌فنل‌ها را نام برد.

تأثیرات بیوفیلم بر زندگی انسان‌ها

با توجه به محیط‌های گسترده‌ای که بیوفیلم‌ها در آن‌ها حضور دارند، نباید از اثرات مختلفشان برروی زندگی انسان‌ها غافل شویم. همانطور که تشکیل بیوفیلم درون بدن انسان ممکن است بیماری‌ها و عفونت‌های بسیار سختی را سبب شود، استفاده درست و مؤثر از آن نیز می‌تواند در فرایندهای مختلف مورد توجه زیست‌شناسان قرار گیرد. در ادامه‌، مثال‌هایی را  مطالعه خواهید کرد.

سلامت و بیماری

پژوهش‌هایی که تا کنون روی‌ بیوفیلم‌های قارچی و باکتریایی انجام شده است، حضور آنان را در بسیاری از مشکلات سلامتی نشان می‌دهد. در سال ۲۰۰۲، سازمان سلامت جهانی اظهار کرد که بیش از ۸۰ درصد از عفونت‌های انسانی توسط بیوفیلم‌ها ایجاد می‌شوند. بیوفیلم‌ها می‌توانند روی ابزار پزشکی ایمپلنت‌شده در بدن نظیر دریچه‌های قلب مصنوعی، مفصل‌های مصنوعی، کاتترها یا ضربان‌سازها رشد کنند و موجب عفونت شوند. این واقعه نخستین بار در سال ۱۹۸۰ زمانی که باکتری‌هایی روی کاتتر و ضربان‌ساز قلبی رشد کرد، مشاهده شد.

بیوفیلم‌ها را هم‌چنین با عفونت‌های اندوکاردیت، پنومونیا در افراد مبتلا به سیستیک فیبروزیس و سایر عفونت‌های خطرناک مرتبط دانسته‌اند. علت این‌که امروزه تشکیل بیوفیلم‌ها به یک نگرانی تبدیل شده است، این است که باکتری‌های موجود در این ساختارها مقاومت شدیدی به آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر مواد ضدعفونی‌کننده نشان می‌دهند و به سختی می‌توان آن‌ها را کنترل کرد. در حقیقت در مقایسه با باکتریِ منفرد، بیوفیلم‌ها تا ۱۵۰۰ برابر به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاومند که درمان عفونت‌های ناشی از آنان را به یک چالش اساسی تبدیل می‌کند.

بنا بر پژوهشی که در سال ۲۰۱۴ در ژورنال Cold Spring Harbor Perspectives منتشر شد، بیوفیلم‌های قارچی نیز می‌توانند با رشد روی ایمپلت‌ها سبب عفونت شوند. برای مثال، گونه‌های مخمری از جنس کاندیدا می‌توانند روی ایمپلنت‌های سینه، ضربان‌سازها و دریچه‌های قلب مصنوعی رشد کنند. کاندیدا هم‌چنین می‌تواند روی بافت‌های بدن انسان رشد کرده و به مشکلاتی نظیر واژینیتیس (التهاب واژن) یا کاندیدیازیس اوروفاریژیال (یا رشد مخمری در دهان یا گلو) بیانجامد. با این حال، باید در نظر داشت که این بیوفیلم‎ها ویژگی مقاومت دارویی را ندارند.

زیست پالایی (Bioremediation)

در برخی موارد، بیوفیلم‌ها می‌توانند مفید باشد. در حالت کلی، زیست‌پالایی به معنای استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای دست‌یابی به یک محصول خاص، نظیر آنزیم‌ها، یا برای تولید ترکیبات درمانی است. امروزه می‌توان از بیوفیلم‌ها برای تصفیه‌ی آب از فلزات سنگینِ آلوده‎کننده نظیر کروم، مواد منفجره نظیر TNT و یا مواد رادیواکتیو مانند اورانیوم استفاده کرد.
این میکروب‌ها قادر به تخریب یا تغییر آن‌ها، به نحوی که دیگر نتوانند سمیت ایجاد کنند، می‌باشند. یکی از مثال‌های موجود در این زمینه، نیتریفیکاسیون است؛ به معنای تبدیل آنیون موجود در آب به نیتریت و نیترات از طریق اکسیداسیون. بنابر پژوهشی که در ژورنال Water Research در سال ۲۰۱۳ منتشر شده است، این عمل می‎‌تواند توسط باکتری‌های اتوتروف انجام شود که به عنوان بیوفیلم روی سطوح پلاستیکی رشد می‌کنند. تنها رشد بیوفیلم‌ها درسطحی با اندازه‌ی چند سانتی‌متر می‌تواند مقادیر زیادی از آب را پاک‌سازی کند.

ماده‌ی منفجره‌ی TNT که برای بسیاری از ما آشنا است، به عنوان یک آلوده‌کننده‌ی خاک، آب و آب‌های زیرزمینی شناخته شده است. ساختار این ماده از بنزن، حلقه‌ی شش‌وجهیِ آروماتیک که از اتم کربن ساخته شده است، به علاوه‌ی سه گروه نیترو و یک گروه متیل ساخته شده است. بسیاری از میکروارگانیسم‌ها با کاهش سه گروه نیترو این فرآیند را انجام می‌دهند در حالی که برخی دیگر به حلقه‌ی آروماتیک حمله می‌کنند. میکروارگانیسم‌‌ها از طریق فرآیند احیا سبب تجزیه‌ی TNT می‌شوند. محققان دریافته‌اند که مخمر Yarrowia lipolytica قادر است از هردو روش، عمدتاً با کاهش حلقه‌ی آروماتیک، آلودگی ناشی از TNT را از بین ببرد.

سلول‌های سوختیِ میکروبیال

در سلول‌های سوختی میکروبیال، از باکتری برای تبدیل پسماند‌های ارگانیک به الکتریسیته استفاده می‌کنند. میکروب‌های مورد استفاده روی سطح الکترود می‌نشینند و الکترون‌ها را منتقل می‌کنند که در نهایت سبب تولید جریان برق می‌شود. در مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۱ منتشر شد، مشخص شد که برخی باکتری‌ها می‌توانند از مواد زائد، جریان برق را تولید کنند که روشی ارزان و تمیز بدین منظور است.

کشت بیوفیلمی جلبک‌ها

در سال‌های اخیر، دانشمندان دانشگاه واشنگتن توانسته ­اند راهی را پیدا کنند که جلبک­‌های دریایی را به­ جای چند هفته، در چند روز و با بازدهی بیشتر کشت دهند. در واقع هدف محققان این است که  جلبک‌­های دریایی را به علت پتانسیل بالای زیستی آن، در محیط آزمایشگاهی کارامدتر و سریع­تر کشت دهند.
دانشمندان به تازگی راکتورهای بیوفیلمی را برای رشد جلبک توسعه داده ولی این راکتورها به دلیل تغییرات گسترده PH و دما و کمبود منابع گاز دی‌اکسیدکربن، بازدهی مناسبی ندارند.
تیمی از دانشکده مهندسی شیمی و بیومهندسی در دانشگاه واشنگتن موفق به ابداع رآکتوری بیوفیلمی جدیدی شده ­اند که قادر است گازها را بازیافت کرده و میزان کمتری آب و نور نسبت به رآکتورهای مرسوم مصرف کند.
جلبک تولید شده میزان قابل توجهی چربی دارد که برای تولید سوخت‌­های زیستی بسیار مناسب­ هستند و میزان این چربی­‌ها از چربی­‌های تولید شده به‌وسیله راکتورهای مرسوم بسیار بیشتر است. به دلیل وجود قشای جداشدنی، این سیستم برای کشت مناسب ­تر از سایر سیستم‌ها می­ باشد.
این سیستم بی­‌نظیر به جلبک اجازه می‌دهد که همزمان و مثل فرایند یک گیاه، هم عمل فتوسنتز را انجام داده و هم ­این که کربن لازم خود را مصرف کرده و مثل یک گیاه تنفس نماید. خوراک تغذیه جلبک گلیسرول، محصول زیستی ارزان تولید شده از سوخت­‌های زیستی، اوره و ماده شیمیای ارزان دیگری که تأمین کننده نیتروژن لازم برای جلبک، می­‌باشند.  این سیستم طوری طراحی شده‌­است که کربن ­دی ­اکسید و اکسیژن در آن بازیافت می­ شوند.(۳)

جمع بندی مقاله بیوفیلم

اصطلاح بیوفیلم به اجتماعی از سلول‌ها گفته می‌شود که روی یک سطح تثبیت شده (جاندار یا غیرجاندار) و عموماً به وسیله یک ماتریکس از مواد پلیمری خارج سلولی با منشأ میکروبی احاطه شده‌اند. توانایی باکتری‌ها برای چسبیدن به سطوح مختلف، به ویژه در ارگانیسم‌های بیماری‌زا و پاتوژن که از این خاصیت برای شروع بیماری استفاده می‌کنند به عنوان یک پدیده مهم شناخته شده است. چسبیدن به سطح مزایای مهمی مثل حفاظت در مقابل عوامل ضد میکروبی، کسب صفات ژنتیکی جدید و در دسترس بودن مواد مغذی و عملیات متابولیکی دارد که سبب افزایش مقاومت و سازگاری باکتری در حالت بیوفیلمی می‌شود.

بیوفیلم در مکان‌های مختلفی تشکیل می‌شود، ولی تشکیل آن در صنایع معمولاً باعث آسیب و کاهش راندمان می‌شود. همان‌طور که مشاهده کردید علاوه بر فواید مختلف نظیر کاربرد در پاکسازی آلودگی‌های فلزات سنگین و همچنین ساخت سلول سوختی میکروبیال، دارای خطرات بسیاری نیز می‌باشد. این ساختارهای مقاوم باعث ۸۰ درصد بیماری‌های عفونی انسانی هستند که به دلیل مقاوم بودن و نبود راه‌های قطعی و سریع درمان در برابر این باکتری‌های پاتوژن درصد بسیار بالایی را شامل می‌شود. علاوه بر این، رشد بیوفیلم‌ها در قطعات به‌کار رفته در بدن انسان نظیر کاتترها و… نیز از خطرات دیگر این ساختارها می‌باشند.

گستردگی اثر بیوفیلم‌ها از مواد بی‌جان تا ایجاد بیماری‌های مختلف در انسان و حیوانات، مقاومت نسبت به آنتی بیوتیک‌های رایج و معمول مورد استفاده در عفونت‌های ساده، توانایی بالقوه هر کدام از سلول‌های درون بیوفیلم به ایجاد ساختار سه بعدی بیوفیلم جدید و وجود ساختارها و سلول‌های تخصص‌یافته نظیر پرسیستر سبب شده‌است که بیوفیلم یکی از چالش‌های دنیای زیست‌شناسی و پزشکی در دهه‌های اخیر شناخته شده و راه‌های درمانی متعددی برای آن در نظر گرفته شود. امید است با پیشرفت روزافزون علم زیست‌شناسی و پزشکی، علاوه بر کشف راه‌های مطمئن‌تر جهت درمان بیماری‌های ناشی از این باکتری‌های پاتوژن، استفاده‌های بیوتکنولوژیکی مفیدی نیز از آنها صورت گیرد.

منابع مقاله بیوفیلم

۱- Wikipedia.org

۲- مقاله بیوفیلم‌های باکتریایی: دکتر رحمانی‌فر و دکتر ضیغمی، دانشگاه علوم پزشکی زنجان

۲- Virtualdr.ir