الأغشية الحيوية هي مجموعة من نوع واحد أو أكثر من الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تنمو على العديد من الأسطح المختلفة. تشمل الكائنات الحية الدقيقة التي تشكل الأغشية الحيوية البكتيريا والفطريات والبروتستورات.
أحد الأمثلة الشائعة على لوحة بيوفيلم لطب الأسنان ، وهو تراكم لزج للبكتيريا التي تتشكل على أسطح الأسنان. حثالة البركة هي مثال آخر. تم العثور على الأغشية الحيوية تنمو على المعادن والفلزات. تم العثور عليها تحت الماء وتحت الأرض وفوق الأرض. يمكن أن تنمو على الأنسجة النباتية والأنسجة الحيوانية ، وعلى الأجهزة الطبية المزروعة مثل القسطرة وأجهزة تنظيم ضربات القلب.
كل من هذه الأسطح المميزة لها ميزة تعريف مشتركة: فهي رطبة. وفقًا لمقالة نشرتها مجلة ميكروب عام 2007 ، فإن هذه البيئات "مغمورة بالمياه بشكل دوري أو مستمر". تزدهر الأغشية الحيوية على الأسطح الرطبة أو الرطبة.
لقد أثبتت الأغشية الحيوية نفسها في مثل هذه البيئات لفترة طويلة جدًا. يعود تاريخ الأدلة الأحفورية على الأغشية الحيوية إلى حوالي 3.25 مليار سنة مضت ، وفقًا لمقال نشر عام 2004 في مجلة Nature Reviews Microbiology. على سبيل المثال ، تم العثور على الأغشية الحيوية في صخور حرارية مائية في أعماق البحار عمرها 3.2 مليار عام في بيلبارا كراتون في أستراليا. توجد الأغشية الحيوية المماثلة في البيئات الحرارية المائية مثل الينابيع الساخنة وفتحات أعماق البحار.
تشكيل الأغشية الحيوية
يبدأ تكوين البيوفيلم عندما تتلامس الكائنات الحية الدقيقة العائمة بحرية مثل البكتيريا مع سطح مناسب وتبدأ في وضع الجذور ، إذا جاز التعبير. تحدث هذه الخطوة الأولى من التعلق عندما تنتج الكائنات الحية الدقيقة مادة لزجة تعرف باسم مادة بوليمرية خارج الخلية (EPS) ، وفقًا لمركز هندسة البيوفيلم في جامعة ولاية مونتانا. EPS هو شبكة من السكريات والبروتينات والأحماض النووية (مثل DNA). إنها تمكن الكائنات الحية الدقيقة في الغشاء الحيوي من الالتصاق ببعضها البعض.
ويتبع المرفق فترة نمو. تبنى طبقات أخرى من الكائنات الحية الدقيقة و EPS على الطبقات الأولى. في النهاية ، ينشئون بنية ثلاثية الأبعاد منتفخة ومعقدة ، وفقًا لمركز هندسة البيوفيلم. تتقاطع القنوات المائية مع الأغشية الحيوية المتقاطعة وتسمح بتبادل العناصر الغذائية والنفايات ، وفقًا لما جاء في مقال في ميكروب.
تساعد الظروف البيئية المتعددة في تحديد مدى نمو الأغشية الحيوية. تحدد هذه العوامل أيضًا ما إذا كانت مصنوعة من طبقات قليلة فقط من الخلايا أو أكثر بشكل ملحوظ. قال روبين جيرلاخ ، الأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة ولاية مونتانا - بوزمان: "إن ذلك يعتمد حقًا على الأغشية الحيوية". على سبيل المثال ، يمكن للكائنات الحية الدقيقة التي تنتج كمية كبيرة من EPS أن تنمو إلى أغشية بيولوجية سميكة إلى حد ما حتى لو لم يكن لديها الكثير من العناصر الغذائية. من ناحية أخرى ، بالنسبة للكائنات الحية الدقيقة التي تعتمد على الأكسجين ، فإن الكمية المتاحة يمكن أن تحد من مقدار نموها. عامل بيئي آخر هو مفهوم "إجهاد القص". وأوضح جيرلاش: "إذا كان لديك تدفق مرتفع جدًا عبر غشاء بيولوجي ، كما هو الحال في الخور ، فإن الغشاء الحيوي غالبًا ما يكون رقيقًا إلى حد ما. إذا كان لديك غشاء حيوي في مياه بطيئة التدفق ، مثل البركة ، فقد يصبح سميكًا جدًا".
أخيرًا ، يمكن للخلايا الموجودة داخل الغشاء الحيوي أن تترك الطية وتثبت نفسها على سطح جديد. إما أن تنفصل كتلة من الخلايا ، أو تنفجر خلايا فردية من الغلاف الحيوي وتسعى إلى منزل جديد. تُعرف هذه العملية الأخيرة باسم "تشتت البذور" ، وفقًا لمركز هندسة الأغشية الحيوية.
لماذا تشكل بيوفيلم؟
بالنسبة للكائنات الحية الدقيقة ، فإن العيش كجزء من فيلم حيوي يأتي بمزايا معينة. قال غيرلاخ لـ Live Science: "مجتمعات الميكروبات عادة ما تكون أكثر مقاومة للتوتر". تشمل الضغوطات المحتملة نقص المياه أو ارتفاع أو انخفاض درجة الحموضة أو وجود مواد سامة للكائنات الحية الدقيقة مثل المضادات الحيوية أو مضادات الميكروبات أو المعادن الثقيلة.
هناك العديد من التفسيرات المحتملة لصلابة الأغشية الحيوية. على سبيل المثال ، يمكن أن يعمل غطاء EPS اللطيف كحاجز وقائي. يمكن أن يساعد في منع الجفاف أو يعمل كدرع ضد الأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المواد الضارة مثل مضادات الميكروبات أو المبيض أو المعادن تكون إما مقيدة أو محايدة عندما تتلامس مع EPS. وبالتالي ، يتم تخفيفها إلى تركيزات ليست مميتة جيدًا قبل أن تتمكن من الوصول إلى خلايا مختلفة عميقة في الغشاء الحيوي ، وفقًا لمقال عام 2004 في Nature Reviews Microbiology.
ومع ذلك ، من الممكن أن تخترق بعض المضادات الحيوية EPS وتشق طريقها عبر طبقات الأغشية الحيوية. هنا ، يمكن أن تلعب آلية وقائية أخرى: وجود البكتيريا الخاملة من الناحية الفسيولوجية. من أجل العمل بشكل جيد ، تتطلب جميع المضادات الحيوية مستوى من النشاط الخلوي. لذا ، إذا كانت البكتيريا خامدة من الناحية الفسيولوجية في البداية ، فليس هناك الكثير لتعطيل المضاد الحيوي.
هناك طريقة أخرى للحماية من المضادات الحيوية ، وهي وجود خلايا بكتيرية خاصة تعرف باسم "البكتريا". لا تنقسم هذه البكتيريا وهي مقاومة للعديد من المضادات الحيوية. وفقًا لمقالة نشرتها عام 2010 في مجلة Cold Spring Harbour Perspectives in Biology ، "تستمر" الوظيفة عن طريق إنتاج مواد تمنع أهداف المضادات الحيوية.
بشكل عام ، الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش معًا كفيلم حيوي تستفيد من وجود مختلف أفراد المجتمع. واستشهد جيرلاخ بمثال الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية والمتغايرة التي تعيش معًا في الأغشية الحيوية. تستطيع المغذيات الذاتية ، مثل البكتيريا الضوئية أو الطحالب ، إنتاج طعامها الخاص في شكل مادة عضوية (تحتوي على الكربون) ، في حين لا تستطيع المغايرات إنتاج طعامها وتتطلب مصادر خارجية للكربون. وقال: "في هذه المجتمعات متعددة الكائنات الحية ، غالبًا ما يعبرون".
الأغشية الحيوية ونحن
بالنظر إلى النطاق الواسع من البيئات التي نواجه فيها الأغشية الحيوية ، فليس من المستغرب أنها تؤثر على العديد من جوانب الحياة البشرية. في الأسفل يوجد بعض الأمثلة.
الصحة والمرض
مع تقدم البحث على مر السنين ، تم تضمين الأغشية الحيوية - البكتيرية والفطرية - في مجموعة متنوعة من الحالات الصحية. في نداء عام 2002 لتقديم طلبات المنح ، لاحظت المعاهد الوطنية للصحة (NIH) أن الأغشية الحيوية شكلت "أكثر من 80 في المئة من الالتهابات الميكروبية في الجسم".
يمكن أن تنمو الأغشية الحيوية على الأجهزة الطبية المزروعة مثل صمامات القلب التعويضية والأطراف الصناعية المشتركة والقسطرة وأجهزة تنظيم ضربات القلب. وهذا بدوره يؤدي إلى الالتهابات. وقد لوحظت هذه الظاهرة لأول مرة في الثمانينيات عندما تم العثور على الأغشية الحيوية البكتيرية على القسطرات الوريدية وأجهزة تنظيم ضربات القلب. من المعروف أيضًا أن الأغشية الحيوية البكتيرية تسبب التهاب الشغاف والالتهاب الرئوي المعدي لدى المصابين بالتليف الكيسي ، وفقًا لمقال عام 2004 في دورية Nature Microbiology ، من بين أنواع العدوى الأخرى.
قال إيه سي ماتين ، أستاذ علم الأحياء الدقيقة وعلم المناعة في ستانفورد: "إن السبب الذي يجعل تكوين البيوفيلم سببًا كبيرًا للقلق هو أن البكتيريا داخل البيوفيلم تكون أكثر مقاومة للمضادات الحيوية والمطهرات الرئيسية الأخرى التي يمكنك استخدامها للسيطرة عليها". جامعة. في الواقع ، عند مقارنتها بالبكتيريا الطافية ، يمكن أن تنمو تلك التي تنمو كغشاء حيوي أكثر بـ 1500 مرة مقاومة للمضادات الحيوية والعوامل البيولوجية والكيميائية الأخرى ، وفقًا لما جاء في مقال في Microbe. ووصف ماتين مقاومة البيوفيلم مقترنة بالزيادة العامة في مقاومة المضادات الحيوية بين البكتيريا بأنها "الضربة المزدوجة" وتحديا كبيرا لعلاج الالتهابات.
يمكن أن تسبب الأغشية الحيوية الفطرية العدوى عن طريق النمو على الأجهزة المزروعة. أنواع الخميرة مثل أعضاء الجنس المبيضات ينمو على زراعة الثدي وأجهزة تنظيم ضربات القلب والصمامات القلبية الاصطناعية وفقًا لمقال عام 2014 نشر في مجلة Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine. المبيضات تنمو الأنواع أيضًا على أنسجة جسم الإنسان ، مما يؤدي إلى أمراض مثل التهاب المهبل (التهاب المهبل) وداء المبيضات البلعومي (عدوى خميرة تتطور في الفم أو الحلق). ومع ذلك ، لاحظ المؤلفون أن مقاومة الأدوية لم تظهر في هذه الحالات.
المعالجة الحيوية
في بعض الأحيان ، تكون الأغشية الحيوية مفيدة. وقال جيرلاخ "المعالجة البيولوجية بشكل عام هي استخدام الكائنات الحية أو منتجاتها - على سبيل المثال الإنزيمات - لمعالجة المركبات الضارة أو تدهورها". وأشار إلى أن الأغشية الحيوية تستخدم في معالجة مياه الصرف وملوثات المعادن الثقيلة مثل الكرومات والمتفجرات مثل مادة TNT والمواد المشعة مثل اليورانيوم. وقال: "يمكن للميكروبات أن تحط منها أو تغير حركتها أو حالتها السامة وبالتالي تجعلها أقل ضرراً على البيئة وعلى البشر".
النترجة باستخدام الأغشية الحيوية هو أحد أشكال معالجة مياه الصرف الصحي. أثناء النترجة ، يتم تحويل الأمونيا إلى نتريت ونترات من خلال الأكسدة. يمكن القيام بذلك عن طريق البكتيريا ذاتية التغذية ، التي تنمو على شكل أغشية حيوية على الأسطح البلاستيكية ، وفقًا لمقال نشر عام 2013 في مجلة Water Research. يبلغ حجم هذه الأسطح البلاستيكية بضعة سنتيمترات فقط ويتم توزيعها عبر الماء.
يعتبر مادة TNT المتفجرة (2،4،6 - ترينيتروتولوين) ملوثًا للتربة والمياه السطحية والمياه الجوفية. يتكون التركيب الكيميائي لـ TNT من البنزين (حلقة عطرية سداسية مصنوعة من ست ذرات كربون) مرتبطة بثلاث مجموعات نيترو (NO)2) ومجموعة ميثيل واحدة (CH3). تحلل الكائنات الحية الدقيقة مادة TNT عن طريق الاختزال ، وفقًا لمقال نشر عام 2007 في مجلة علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي. تقلل معظم الكائنات الحية الدقيقة من مجموعات النيترو الثلاث ، بينما يهاجم بعضها الحلقة العطرية. وجد الباحثون - أيرات زيغانشين وروبين جيرلاخ وزملاؤه - أن سلالة الخميرة Yarrowia lipolytica كان قادرًا على تحطيم TNT بكلتا الطريقتين ، على الرغم من مهاجمة الحلقة العطرية في المقام الأول.
خلايا الوقود الميكروبية
تستخدم خلايا الوقود الميكروبية البكتيريا لتحويل النفايات العضوية إلى كهرباء. وقال جيرلاخ إن الميكروبات تعيش على سطح قطب كهربائي وتنقل الإلكترونات إليه ، مما يخلق في النهاية تيارًا. يشير مقال نشر عام 2011 في مجلة Illumin ، وهي مجلة على الإنترنت لجامعة جنوب كاليفورنيا ، إلى أن البكتيريا التي تشغل خلايا الوقود الميكروبية تكسر الطعام والنفايات الجسدية. وهذا يوفر مصدر طاقة منخفض التكلفة وطاقة مستدامة ونظيفة.
بحث متقدم باستمرار
عالمنا يعج بالأغشية الحيوية. في الواقع ، بحلول منتصف القرن العشرين ، تم العثور على المزيد من البكتيريا على الأسطح الداخلية للحاويات التي تحمل ثقافات بكتيرية ، من الطفو بحرية في الثقافة السائلة نفسها ، وفقًا لمقال عام 2004 في Nature Reviews Microbiology. يعد فهم هذه الهياكل الميكروبية المعقدة مجالًا نشطًا للبحث.
وقال جيرلاخ "إن الأغشية الحيوية مجتمعات مذهلة. وقد قارنها بعض الناس بالكائنات متعددة الخلايا لأنه يوجد تفاعل كبير بين الخلايا المفردة". "نحن مستمرون في التعرف عليهم ، ونستمر في التعرف على كيفية السيطرة عليهم بشكل أفضل ؛ سواء لتقليل الضرر ، كما هو الحال في مجال الطب ، أو لزيادة الفائدة كما هو الحال في المعالجة البيولوجية. لن ننفد أسئلة مثيرة للاهتمام في هذا المجال ".
