จุลินทรีย์ในชุมชนและไบโอฟิล์ม

ในธรรมชาติ จุลินทรีย์ไม่ค่อยอยู่โดดเดี่ยว แต่จะรวมตัวกันเป็นชุมชนที่มีโครงสร้างและไบโอฟิล์มที่ยึดติดกับพื้นผิว ซึ่งมีคุณสมบัติโดยรวมที่แตกต่างอย่างชัดเจนจากเซลล์อิสระแต่ละเซลล์

Definition

ชุมชนจุลินทรีย์คือกลุ่มของจุลินทรีย์ที่มีปฏิสัมพันธ์กันและอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมเดียวกัน และไบโอฟิล์มคือชุมชนที่มีโครงสร้างของเซลล์ที่ยึดติดกับพื้นผิวและฝังตัวอยู่ในเมทริกซ์นอกเซลล์ที่ผลิตขึ้นเอง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมปฏิสัมพันธ์ที่สร้างโครงสร้างของชุมชนจุลินทรีย์ รวมถึงการแข่งขัน การร่วมมือ และการแลกเปลี่ยนเมแทบอไลต์ การก่อตัว สถาปัตยกรรม และวงจรชีวิตของไบโอฟิล์ม เมทริกซ์นอกเซลล์และสรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงไปของเซลล์ไบโอฟิล์ม การรับรู้จำนวน (quorum sensing) และพฤติกรรมที่ประสานงานกัน ตลอดจนผลกระทบทางนิเวศวิทยาและการปฏิบัติของชีวิตในชุมชนและบนพื้นผิว

Core questions

• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์สร้างโครงสร้างของชุมชนได้อย่างไร?
• ไบโอฟิล์มก่อตัวและพัฒนาได้อย่างไร?
• เหตุใดเซลล์ไบโอฟิล์มจึงมีพฤติกรรมแตกต่างจากเซลล์อิสระ?
• จุลินทรีย์ประสานงานพฤติกรรมกลุ่มได้อย่างไร?

Key concepts

• ปฏิสัมพันธ์ในชุมชนและการแลกเปลี่ยนเมแทบอไลต์
• การก่อตัวและสถาปัตยกรรมของไบโอฟิล์ม
• เมทริกซ์พอลิเมอร์นอกเซลล์
• การรับรู้จำนวน (Quorum sensing)
• สรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงไปของเซลล์ไบโอฟิล์ม

Key theories

รูปแบบการเจริญเติบโตของไบโอฟิล์ม

Costerton และคณะแย้งว่าไบโอฟิล์มที่ยึดติดกับพื้นผิวและถูกห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์เป็นรูปแบบที่โดดเด่นและแตกต่างกันของชีวิตจุลินทรีย์ ซึ่งเซลล์แสดงสรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงไปและมีความทนทานเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์อิสระ

Mechanisms

จุลินทรีย์ในชุมชนมีปฏิสัมพันธ์กันผ่านการแข่งขันเพื่อแย่งชิงทรัพยากร การแลกเปลี่ยนเมแทบอไลต์แบบร่วมมือกัน และการส่งสัญญาณทางเคมี การก่อตัวของไบโอฟิล์มเริ่มต้นด้วยการยึดติดกับพื้นผิว ตามด้วยการเจริญเติบโต การผลิตเมทริกซ์นอกเซลล์ที่ยึดเซลล์ไว้ด้วยกัน และการพัฒนาไปสู่ชุมชนที่มีโครงสร้าง เซลล์ภายในไบโอฟิล์มมักแสดงออกของยีนที่เปลี่ยนแปลงไปและมีความทนทานต่อความเครียดมากขึ้น พฤติกรรมที่ประสานงานกัน เช่น การรับรู้จำนวน (quorum sensing) ช่วยให้ประชากรตอบสนองร่วมกันต่อความหนาแน่นของพวกมัน

Clinical relevance

ไบโอฟิล์มก่อตัวบนพื้นผิวธรรมชาติ ระบบอุตสาหกรรม และอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่งความทนทานต่อสารต้านจุลชีพและการป้องกันของโฮสต์มีส่วนทำให้เกิดการปนเปื้อนอย่างต่อเนื่องและการติดเชื้อเรื้อรัง ทำให้ชีววิทยาของชุมชนและไบโอฟิล์มมีความสำคัญในบริบทที่เกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อม อุตสาหกรรม และสุขภาพ

History

การตระหนักว่าจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและทางคลินิกอาศัยอยู่ในไบโอฟิล์มที่ยึดติดกับพื้นผิวมากกว่าที่จะเป็นเซลล์ที่ลอยอิสระนั้นเพิ่มขึ้นตลอดช่วงปลายศตวรรษที่ 20 โดยมีการทบทวนวรรณกรรม เช่น ของ Costerton และคณะในปี 1999 ที่เน้นย้ำว่าไบโอฟิล์มเป็นสาเหตุทั่วไปของการติดเชื้อเรื้อรังและเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันของชีวิตจุลินทรีย์

Key figures

• J. William Costerton
• E. Peter Greenberg

Seminal works

• costerton1999
• madigan2018

Frequently asked questions

เหตุใดไบโอฟิล์มจึงกำจัดได้ยากกว่าแบคทีเรียที่ลอยอิสระ?

เซลล์ในไบโอฟิล์มได้รับการปกป้องด้วยเมทริกซ์นอกเซลล์และมักแสดงสรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งรวมกันแล้วจะเพิ่มความทนทานต่อสารต้านจุลชีพและการป้องกันของโฮสต์เมื่อเทียบกับเซลล์เดียวกันที่เจริญเติบโตอย่างอิสระ นี่คือเหตุผลที่ไบโอฟิล์มเกี่ยวข้องกับการปนเปื้อนและการติดเชื้ออย่างต่อเนื่อง