جوامع میکروبی و بیوفیلم‌ها

در طبیعت، میکروب‌ها به ندرت به تنهایی زندگی می‌کنند؛ آن‌ها جوامع ساختاریافته و بیوفیلم‌های متصل به سطح را تشکیل می‌دهند که خواص جمعی آن‌ها به طور قابل توجهی با خواص سلول‌های منفرد آزاد متفاوت است.

Definition

جوامع میکروبی مجموعه‌هایی از میکروارگانیسم‌های در حال تعامل هستند که یک محیط را به اشتراک می‌گذارند، و بیوفیلم‌ها جوامع ساختاریافته‌ای از سلول‌ها هستند که به سطحی متصل شده و در یک ماتریکس خارج سلولی خودتولید شده قرار گرفته‌اند.

Scope

این موضوع به تعاملاتی می‌پردازد که جوامع میکروبی را ساختار می‌دهند، از جمله رقابت، همکاری، و تبادل متابولیکی؛ تشکیل، معماری، و چرخه زندگی بیوفیلم‌ها؛ ماتریکس خارج سلولی و فیزیولوژی تغییر یافته سلول‌های بیوفیلم؛ حسگری حد نصاب (quorum sensing) و رفتار هماهنگ؛ و پیامدهای اکولوژیکی و عملی زندگی در جوامع و بر روی سطوح.

Core questions

• چگونه تعاملات بین میکروب‌ها جوامع را ساختار می‌دهند؟
• بیوفیلم‌ها چگونه تشکیل و توسعه می‌یابند؟
• چرا سلول‌های بیوفیلمی متفاوت از سلول‌های آزاد رفتار می‌کنند؟
• میکروب‌ها چگونه رفتار گروهی را هماهنگ می‌کنند؟

Key concepts

• تعاملات جامعه و تبادل متابولیکی
• تشکیل و معماری بیوفیلم
• ماتریکس پلیمری خارج سلولی
• حسگری حد نصاب (Quorum sensing)
• فیزیولوژی تغییر یافته سلول‌های بیوفیلم

Key theories

حالت رشد بیوفیلم

کاسترتون و همکاران استدلال کردند که بیوفیلم‌های متصل به سطح و محصور در ماتریکس، یک حالت غالب و متمایز از زندگی میکروبی هستند که در آن سلول‌ها در مقایسه با سلول‌های آزاد، فیزیولوژی تغییر یافته و تحمل بیشتری نشان می‌دهند.

Mechanisms

میکروب‌ها در جوامع از طریق رقابت برای منابع، تبادل مشارکتی متابولیت‌ها، و سیگنال‌دهی شیمیایی با یکدیگر تعامل دارند. تشکیل بیوفیلم با اتصال به یک سطح آغاز می‌شود، و سپس رشد، تولید یک ماتریکس خارج سلولی که سلول‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، و بلوغ به یک جامعه ساختاریافته ادامه می‌یابد؛ سلول‌های درون بیوفیلم‌ها اغلب بیان ژن تغییر یافته و تحمل بیشتری نسبت به استرس‌ها نشان می‌دهند. رفتارهای هماهنگ مانند حسگری حد نصاب (quorum sensing) به جمعیت‌ها اجازه می‌دهد تا به طور جمعی به تراکم خود پاسخ دهند.

Clinical relevance

بیوفیلم‌ها بر روی سطوح طبیعی، سیستم‌های صنعتی، و دستگاه‌های پزشکی تشکیل می‌شوند، جایی که تحمل آن‌ها نسبت به عوامل ضدمیکروبی و دفاع میزبان به آلودگی پایدار و عفونت‌های مزمن کمک می‌کند، و این امر زیست‌شناسی جامعه و بیوفیلم را در زمینه‌های محیطی، صنعتی، و مرتبط با سلامت مهم می‌سازد.

History

شناخت این که بیشتر میکروب‌ها در محیط‌های طبیعی و بالینی به جای سلول‌های آزاد، در بیوفیلم‌های متصل به سطح زندگی می‌کنند، در اواخر قرن بیستم رشد کرد، و بررسی‌هایی مانند بررسی کاسترتون و همکاران در سال ۱۹۹۹ بیوفیلم‌ها را به عنوان یک علت شایع عفونت‌های پایدار و یک شیوه متمایز از زندگی میکروبی برجسته کردند.

Key figures

• J. William Costerton
• E. Peter Greenberg

Seminal works

• costerton1999
• madigan2018

Frequently asked questions

چرا حذف بیوفیلم‌ها دشوارتر از باکتری‌های آزاد است؟

سلول‌های موجود در بیوفیلم توسط یک ماتریکس خارج سلولی محافظت می‌شوند و اغلب فیزیولوژی تغییر یافته‌ای از خود نشان می‌دهند که این عوامل در مجموع تحمل آن‌ها را نسبت به عوامل ضدمیکروبی و دفاع میزبان در مقایسه با همان سلول‌هایی که آزادانه رشد می‌کنند، افزایش می‌دهد. به همین دلیل بیوفیلم‌ها با آلودگی و عفونت پایدار مرتبط هستند.