# Biofilm

Biofilm *Staphylococcus aureus* na trajnom kateteru
 Vjerovatne cijanobakterije u vertikalnom presjeku silificiranog biofilma iz donje krede.
Vrlo plitko hipersalinsko okruženje urgonske karbonatne platforme Provanse, jugoistočna Francuska

> IUPAC definicija: *Agregat* mikroorganizama u kojima se ćelije, koje su često ugrađene u samoproizvedenu matricu vanćelijskih polimernih supstanci (EPS), lijepe jedna za drugu i/ili za površinu. Biofilm je sistem koji se može interno prilagoditi uslovima okoline od strane svojih stanovnika.
>
>
>

* Samoproizvedena matrica vanćelijske polimerne supstance, koja se također naziva sluz, je polimerni konglomerat koji se uglavnom sastoji od vaćelijskih *biopolimera* u različitim strukturnim oblicima.

**Biofilm** je sintrofijska zajednica mikroorganizama u kojoj se ćelije lijepe jedna za drugu, a često i za površinu. Ove prianjajuće ćelije se ugrađuju u sluzavi vanćelijski matriks koji se sastoji od vanćelijske polimerne supstance (EPS). Ćelije unutar biofilma proizvode EPS komponente, koje su obično polimerna kombinacija vanćelijskih polisaharida, proteina, lipida i DNK. Budući da imaju trodimenzijsku strukturu i predstavljaju zajednički način života mikroorganizama, metaforički su opisani kao "gradovi za mikrobe".

Biofilmovi se mogu formirati na živim (biotskim) ili neživim (abiotskim) površinama i mogu biti uobičajeni u prirodnim, industrijskim i bolničkim okruženjima. Mogu činiti mikrobiom ili biti njegov dio. Mikrobne ćelije koje rastu u biofilmu su fiziološki različite od planktonskih ćelija istog organizma, koje su, nasuprot tome, pojedinačne ćelije koje mogu plutati ili plivati u tečnom mediju. Biofilmovi se mogu formirati na zubima većine životinja kao zubni plak, gdje mogu uzrokovati karijes i bolest desni.

Mikrobi formiraju biofilm kao odgovor na niz različitih faktora, što može uključivati ćelijsko prepoznavanje specifičnih ili nespecifičnih mjesta vezivanja na površini, nutritivne signale, nedostatak svjetlosti ili, u nekim slučajevima, izlaganjem planktonskih ćelija subinhibitornim koncentracijama antibiotika. Ćelija koja pređe na biofilmski način rasta prolazi kroz fenotipsku promjenu u ponašanju u kojoj su veliki skupovi gena različito regulisani.

Biofilm se također može smatrati hidrogelom, što je složeni polimer koji sadrži mnogo puta više vode od svoje suhe težine. Biofilmovi nisu samo slojevi bakterijske sluzi, već biološki sistemi; bakterije se organiziraju u koordiniranu funkcionalnu zajednicu. Biofilmovi se mogu pričvrstiti na površinu poput zuba ili kamena i mogu uključivati jednu vrstu ili raznoliku grupu mikroorganizama. Subpopulacije ćelija unutar biofilma se diferenciraju, kako bi obavljale različite aktivnosti za pokretljivost, proizvodnju matrice i sporulaciju, podržavajući ukupni uspjeh biofilma. Bakterije biofilma mogu dijeliti hranjive tvari i zaštićene su od štetnih faktora u okolini, poput isušivanja, antibiotika i imunskog sistema domaćina. Biofilm obično počinje da se formira kada se slobodno plivajuća planktonska bakterija pričvrsti za površinu.

## Porijeklo i formiranje

### Porijeklo biofilmova

Smatra se da su biofilmovi nastali tokom primitivne Zemlje kao odbrambeni mehanizam za prokariote, jer su uslovi u to vrijeme bili preteški za njihov opstanak. Mogu se pronaći vrlo rano u fosilnim zapisima Zemlje (prije otprilike 3,25 milijardi godina) i kao arheje i kao bakterije, i obično štite prokariotske ćelije pružajući im homeostazu, podstičući razvoj složenih interakcija između ćelija u biofilmu.

### Formiranje biofilmova

Formiranje biofilma počinje pričvršćivanjem slobodno plutajućih mikroorganizama za površinu. Prve bakterije kolonizatorice biofilma mogu se u početku pričvrstiti za površinu slabom van der Waalsovom silom i hidrofobnim efektima. Ako se kolonisti ne odvoje odmah od površine, mogu se trajnije usidriti, koristeći strukture za prianjanje ćelija poput pilusa. Jedinstvena grupa arheja koje nastanjuju anoksične vode imaju slične strukture koje se nazivaju hami. Svaki hamus je duga cijev s tri kuke koje se koriste za međusobno pričvršćivanje ili za površinu, omogućavajući zajednici da se razvija. Hipertermofilni arheon *Pyrobaculum calidifontis* proizvodi snopove pilusa koji su homologni bakterijskim TasA filamentima, glavnoj komponenti vanćelijskog matriksa u bakterijskim biofilmovima, što doprinosi stabilnosti biofilma. TasA homologe kodiraju mnoge druge arheje, što ukazuje na mehanističke sličnosti i evolucijsku vezu između bakterijskih i arhejskih biofilmova.

 Biofilm zlatnih hidrofobnih bakterija; plafon pećine Zlatna kupola, lava tunel u Nacionalnom spomeniku Lava Beds
Hidrofobnost također može uticati na sposobnost bakterija da formiraju biofilmove. Bakterije sa povećanom hidrofobnošću imaju smanjeno odbijanje između supstrata i bakterije. Neke vrste bakterija nisu u stanju da se samostalno uspješno pričvrste za površinu zbog svoje ograničene pokretljivosti, već su umjesto toga usidre se za matricu ili direktno za druge, ranije bakterijske koloniste. Nepokretne bakterije ne mogu prepoznati površine niti se agregirati zajedno tako lahko kao pokretne bakterije.

Tokom kolonizacije površine, bakterijske ćelije mogu komunicirati koristeći kvorumski konsenzus (QS) proizvode kao što je N-acil homoserin-lakton (AHL). Nakon što kolonizacija započne, biofilm raste kombinacijom ćelijske diobe i regrutacije. Polisaharid nematrice obično zatvaraju bakterijske biofilmove. Egzopolisaharidi matrice mogu uhvatiti QS autoinduktore unutar biofilma kako bi spriječili detekciju predatora i osigurali preživljavanje bakterija. Pored polisaharida, ove matrice mogu sadržavati i materijal iz okolnog okruženja, uključujući, ali ne ograničavajući se na minerale, čestice tla i komponente krvi, poput eritrocita i fibrina.

Razvoj biofilma može omogućiti agregiranoj ćelijskoj koloniji da bude sve tolerantnija ili otporni na antibiotike. Ćelijska komunikacija ili kvorum sensing je uključena u formiranje biofilma kod nekoliko bakterijskih vrsta.

## Razvoj

 **Zrela struktura biofilma** Biofilm karakterizira heterogena okolina i prisustvo različitih subpopulacija. Struktura biofilma sastoji se od metabolički aktivnih (i rezistentnih i tolerantnih) i neaktivnih ćelija (vijabilnih, ali ne i kultivabilnih ćelija i perzistenata), kao i polimerne matrice koja se sastoji od polisaharida, vnćelijske DNK i proteina. Rast biofilma povezan je s povećanim nivoom mutacija i horizontalnim transferom gena koji je promoviran zbog zbijene i guste strukture. Bakterije u biofilmovima komuniciraju kvorum sensingom, koji aktivira gene koji učestvuju u proizvodnji faktora virulencije.
Biofilmovi su proizvod mikrobnog razvojnog procesa. Proces je sažet u pet glavnih faza razvoja biofilma, kao što je prikazano na dijagramu ispod:

 **Pet faza razvoja biofilma** (1) Početno pričvršćivanje, (2) Ireverzibilno pričvršćivanje, (3) Sazrijevanje I, (4) Sazrijevanje II i (5) Disperzija. Svaka faza razvoja na dijagramu je uparena sa fotomikrografijom biofilma *P. aeruginosa* u razvoju. Sve fotomikrografije su prikazane u istoj mjerilu.

## Raspršivanje

Disperzija ćelija iz kolonije biofilma je ključna faza životnog ciklusa biofilma. Raspršivanje omogućava biofilmovima da se šire i koloniziraju nove površine. Enzimi koji razgrađuju vanćelijski matriks biofilma, kao što su disperzin B i deoksiribonukleaza, mogu doprinijeti raspršivanju biofilma. Enzimi koji razgrađuju matriks biofilma mogu biti korisni kao agensi protiv biofilma. Dokazi su pokazali da je transmiter masnih kiselina, *cis*-2-decenska kiselina, sposoban izazvati disperziju i inhibirati rast kolonija biofilma. Ovaj spoj, koji luči *Pseudomonas aeruginosa*, inducira ciklo-heteromorfne ćelije kod nekoliko vrsta bakterija i kvasca *Candida albicans*.

Također je dokazano da dušik-oksid podstiče raspršivanje biofilmova nekoliko bakterijskih vrsta pri subtoksičnim koncentracijama. Dušik-oksid ima potencijal kao tretman za pacijente koji imaju hronične infekcije uzrokovane biofilmovima.

Općenito se pretpostavljalo da ćelije dispergirane iz biofilmova odmah prelaze u planktonsku fazu rasta. Međutim, studije su pokazale da se fiziologija dispergiranih ćelija iz biofilmova *Pseudomonas aeruginosa* znatno razlikuje od fiziologije planktonskih i biofilmovskih ćelija. Stoga je proces raspršivanja jedinstvena faza tokom prelaska iz biofilma u planktonski način života kod bakterija. Raspršene ćelije su visoko virulentne protiv makrofaga i *Caenorhabditis elegans*, ali visoko osjetljive na stres željeza, u poređenju sa planktonskim ćelijama.

Nadalje, biofilmovi *Pseudomonas aeruginos* prolaze kroz različitu prostorno-vremensku dinamiku tokom raspršivanja ili rastavljanja biofilma, sa kontrastnim posljedicama u rekolonizaciji i širenju bolesti. Disperzija biofilma inducirala je bakterije da aktiviraju gene za disperziju kako bi aktivno napuštale biofilmove kao pojedinačne ćelije konzistentnim brzinama, ali nisu mogle ponovo kolonizirati svježe površine. Nasuprot tome, rastavljanje biofilma degradacijom egzopolisaharida biofilma oslobodilo je nepokretne agregate pri visokim početnim brzinama, omogućavajući bakterijama da ponovo koloniziraju svježe površine i efikasno izazovu infekcije kod domaćina. Stoga je disperzija biofilma složenija nego što se ranije mislilo, gdje bakterijske populacije koje usvajaju različito ponašanje nakon odlaska biofilma mogu biti ključ za preživljavanje bakterijskih vrsta i širenje bolesti.

**Disperzija biofilma**

## Svojstva

Biofilmovi se obično nalaze na čvrstim supstratima uronjenim u ili izloženim vodenom rastvoru, iako se mogu formirati kao plutajuće podloge na tečnim površinama, a također i na površini lišća, posebno u klimama s visokom vlažnošću. Uz dovoljno resursa za rast, biofilm će brzo narasti i postati makroskopski (vidljiv golim okom). Biofilmovi mogu sadržavati mnogo različitih vrsta mikroorganizama, npr. bakterije, arheje, protozoe, fungi i alge; svaka grupa obavlja specijalizirane metaboličke funkcije. Međutim, neki organizmi će pod određenim uvjetima formirati filmove jedne vrste. Društvena struktura (saradnja/konkurencija) unutar biofilma uveliko ovisi o različitim prisutnim vrstama.

### Vanćelijski matriks

Skenirajući elektronski mikrograf biofilma miješane kulture, koji detaljno prikazuje prostorno heterogeni raspored bakterijskih ćelija i vanćelijskih epolimernih supstanci.
EPS matriks sastoji se od egzopolisaharida, proteina i nukleinskih kiselina. Veliki dio EPS-a je manje-više jako hidratiziran, međutim, javljaju se i hidrofobni EPS-ovi; jedan primjer je celuloza, koju proizvodi niz mikroorganizama. Ova matrica obavija ćelije unutar sebe i olakšava komunikaciju među njima putem biohemijskih signala, kao i razmjene gena. EPS matrica također hvata vanćelijske enzime i drži ih u neposrednoj blizini ćelija. Dakle, matrica predstavlja vanjski sistem za probavu i omogućava stabilne sinergijske mikrokonzorcije različitih vrsta. Otkriveno je da neki biofilmovi sadrže vodene kanale koji pomažu u distribuciji hranjivih tvari i signalnih molekula. Ova matrica je dovoljno jaka da se pod određenim uslovima biofilmovi mogu fosilizirati (stromatoliti).

Bakterije koje žive u biofilmu obično imaju značajno drugačija svojstva od slobodno plutajućih bakterija iste vrste, jer im gusto i zaštićeno okruženje filma omogućava da sarađuju i međusobno djeluju na različite načine. Jedna od prednosti ovog okruženja je povećana otpornost na deterdžente i antibiotike, jer gusti vanćelijski matriks i vanjski sloj ćelija štite unutrašnjost zajednice. U nekim slučajevima rezistencija na antibiotike može se povećati i do 5.000 puta. Lateralni transfer gena je često olakšan unutar bakterijskih i arhejskih biofilmova i može dovesti do stabilnije strukture biofilma. Vanćelijska DNK je glavna strukturna komponenta mnogih različitih mikrobnih biofilmova. Enzimska degradacija banćelijske DNK može oslabiti strukturu biofilma i osloboditi mikrobne ćelije sa površine.

Međutim, biofilmovi nisu uvijek manje osjetljivi na antibiotike. Naprimjer, oblik biofilma *Pseudomonas aeruginosa* nema veću otpornost na antimikrobne lijekove od planktonskih ćelija u stacionarnoj fazi, iako kada se biofilm uporedi sa planktonskim ćelijama u logaritamskoj fazi, biofilm ima veću otpornost na antimikrobne lijekove. Ova otpornost na antibiotike i u ćelijama u stacionarnoj fazi i u biofilmovima može biti posljedica prisustva persestrinskih ćelija.

## Staništa

 Bakterijski biofilm boji termalne izvore u Nacionalnom parku Yellowstone. Najduža podignuta površina bakterijskog biofilma duga je oko pola metra.
 Termofilne bakterije u odlivu Mickey Hot Springs, Oregon, debljine otprilike 20 mm.
Biofilmovi su sveprisutni u organskom životu. Gotovo svaka vrsta mikroorganizama ima mehanizme pomoću kojih se mogu prianjati za površine i jedna za drugu. Biofilmovi će se formirati na gotovo svakoj površini koja se ne odvaja od kože u nesterilnim vodenim ili vlažnim okruženjima. Biofilmovi mogu rasti u najekstremnijim okruženjima: od, na primjer, izuzetno vrućih, slanih voda toplih izvora, od vrlo kiselih do vrlo alkalnih, do smrznutih glečera.

Biofilmovi se mogu naći na stijenama i šljunku na dnu većine potoka ili rijeka i često se formiraju na površinama stajaće vode. Biofilmovi su važne komponente lanaca ishrane u rijekama i potocima, a njima se hrane vodeni beskičmenjaci kojima se mnoge ribe hrane. Biofilmovi se nalaze na površini i unutar biljaka. Oni mogu ili doprinijeti bolestima usjeva ili, kao u slučaju rizobija, koji fiksiraju dušik na kvržicama korijena, postojati simbiotski s biljkom. Primjeri bolesti usjeva povezanih s biofilmovima uključuju rak agruma, Pierceovu bolest grožđa i bakterijsku pjegavost biljaka poput paprika i paradajza.

### Perkolacijski filteri

Perkolacijski filteri u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda su veoma efikasni odstranjivači zagađivača iz istaložene otpadne vode. Oni rade tako što tečnost kaplje preko sloja tvrdog materijala koji je dizajniran da ima veoma veliku površinu. Na površini medija se razvija složeni biofilm koji apsorbuje, adsorbuje i metabolizira zagađivače. Biofilm brzo raste i kada postane previše debeo da bi zadržao svoj prianjanje na mediju, ispire se i zamjenjuje ga novoizrasli film. Isprani ("oljušteni") film se taloži iz tečnog toka, ostavljajući visoko prečišćenu otpadnu vodu.

### Filter sa sporim pijeskom

Filteri sa sporim pijeskom koriste se u prečišćavanju vode za obradu sirove vode radi proizvodnje pitke vode. Funkcionišu formiranjem biofilma koji se naziva hipogealni sloj ili *Schmutzdecke* u gornjih nekoliko milimetara sloja finog pijeska. *Schmutzdecke* se formira u prvih 10-20 dana rada i sastoji se od bakterija, gljivica, protozoa, rotifera i niza larvi vodenih insekata. Kako epigeni biofilm stari, razvija se više algi i mogu biti prisutni veći vodeni organizmi, uključujući neke briozoe, puževe i anelidne gliste. Površinski biofilm je sloj koji omogućava efikasno pročišćavanje u tretmanu vode za piće, a temeljni pijesak pruža potporni medij za ovaj sloj biološkog tretmana. Kako voda prolazi kroz hipogeni sloj, čestice stranih materija se zarobljavaju u sluzavoj matrici, a rastvorljivi organski materijal se adsorbira. Zagađivače metaboliziraju bakterije, gljive i protozoe. Voda proizvedena iz uzornog sporog pješčanog filtera je odličnog kvaliteta sa smanjenjem broja bakterijskih ćelija od 90-99%.

### Rizosfera

Mikrobi korisni za biljke mogu se kategorizirati kao rizobakterije koje podstiču rast biljaka. Ovi promotori rasta biljaka koloniziraju korijenje biljaka i pružaju širok raspon korisnih funkcija za svog domaćina, uključujući fiksaciju dušika, suzbijanje patogena, antigljivna svojstva i razgradnju organskih materijala. Jedna od tih funkcija je odbrana od patogenih bakterija i gljivica koje se prenose zemljištem putem indukovane sistemske otpornosti (ISR) ili inducirane sistemske reakcije izazvane patogenim mikrobima (sistemska stečena otpornost izazvana patogenima). Biljni eksudati djeluju kao hemijski signali za kolonizaciju bakterija specifičnih za domaćina. Koraci kolonizacije rizobakterija uključuju privlačenje, prepoznavanje, prianjanje, kolonizaciju i rast. Bakterije za koje se pokazalo da su korisne i formiraju biofilmove uključuju *Bacillus, Pseudomonas* i *Azospirillum*. Biofilmovi u rizosferi često rezultiraju sistemskom rezistencijom izazvanom patogenima ili biljkama. Molekularna svojstva na površini bakterije uzrokuju imunski odgovor kod biljke domaćina. Ove molekule povezane s mikrobima stupaju u interakciju s receptorima na površini biljnih ćelija i aktiviraju biohemijski odgovor za koji se smatra da uključuje nekoliko različitih gena na brojnim lokusima. Nekoliko drugih signalnih molekula povezano je i sa induciranim sistemskim odgovorima i sa sistemskim odgovorima izazvanim patogenima, kao što su jasmonska kiselina i etilen. Komponente ćelijske ovojnice kao što su bakterijske flagele i lipopolisaharidi, koje biljne ćelije prepoznaju kao komponente patogena. Pokazalo se da određeni metaboliti željeza koje proizvodi *Pseudomonas* također stvaraju inducirani sistemski odgovor. Ova funkcija biofilma pomaže biljkama da izgrade jaču otpornost na patogene.

Biljke koje su kolonizirane PGPR-om formirajući biofilm stekle su sistemsku otpornost i pripremljene su za odbranu od patogena. To znači da su geni potrebni za proizvodnju proteina koji djeluju na odbranu biljke od patogena eksprimirani, a biljka ima "zalihe" spojeva za oslobađanje kako bi se borila protiv patogena. Pripremljen odbrambeni sistem mnogo brže reaguje na infekciju izazvanu patogenima i može biti u stanju da odbije patogene prije nego što se oni uspiju uspostaviti. Biljke povećavaju proizvodnju lignina, jačajući ćelijske zidove i otežavajući patogenima prodiranje u ćeliju, a istovremeno prekidaju dotok hranjivih tvari već zaraženim ćelijama, efikasno zaustavljajući invaziju. One proizvode antimikrobne spokeve, kao što su fitoaleksini, hitinaza i inhibitori proteinaza, koji sprečavaju rast patogena. Ove funkcije suzbijanja bolesti i otpornosti na patogene u konačnici dovode do povećanja poljoprivredne proizvodnje i smanjenja upotrebe hemijskih pesticida, herbicida i fungicida jer se smanjuje gubitak usjeva zbog bolesti. Inducirana sistemska otpornost i patogenima izazvana sistemska stečena otpornost su potencijalne funkcije biofilmova u rizosferi i treba ih uzeti u obzir kada se primjenjuju na poljoprivredne prakse novog doba zbog njihovog utjecaja na suzbijanje bolesti bez upotrebe opasnih hemikalija.

### Sisarska crijeva

Studije iz 2003. godine otkrile su da imunski sistem podržava razvoj biofilma u debelom crijevu. To je uglavnom potkrijepljeno činjenicom da dva molekula koja imunski sistem najčešće proizvodi također podržavaju proizvodnju biofilma i povezana su s biofilmovima razvijenim u crijevima. Ovo je posebno važno jer slijepo crijevo sadrži ogromnu količinu ovih bakterijskih biofilmova. Ovo otkriće pomaže u razlikovanju moguće funkcije slijepog crijeva i ideje da slijepo crijevo može pomoći u ponovnoj opskrbi crijeva dobrom crijevnom florom. Međutim, modificirana ili poremećena stanja biofilmova u crijevima povezana su s bolestima poput upalne olesti crijava i rak debelog crijeva.

### Ljudska okolina

U ljudskoj okolini, biofilmovi mogu vrlo lako rasti u tuševima jer pružaju vlažno i toplo okruženje za njihov rast. Biofilmovi plijesni na plafonima mogu se formirati zbog prokišnjavanja krova. Mogu se formirati unutar vode i otpadnih voda cijevi i uzrokovati začepljenje i koroziju. Na podovima i radnim površinama mogu otežati sanitaciju u prostorima za pripremu hrane. U tlu mogu uzrokovati biozačepljenje. U sistemima za hlađenje ili grijanje vode poznato je da smanjuju prijenos toplote. Biofilmovi u sistemima pomorskog inženjerstva, kao što su cjevovodi u industriji nafte i plina na moru, može dovesti do značajnih problema s korozijom. Korozija je uglavnom uzrokovana abiotičkim faktorima; međutim, najmanje 20% korozije uzrokuju mikroorganizmi koji su pričvršćeni za metalnu podlogu (tj. mikrobno utjecajna korozija).

### Obrastanje brodova

Prianjanje bakterija na trupove brodova služi kao osnova za bioobrastanje morskih plovila. Nakon što se formira film bakterija, drugim morskim organizmima, poput školjkaša, lakše je pričvrstiti se. Takvo obrastanje može smanjiti maksimalnu brzinu plovila i do 20%, produžavajući putovanja i trošeći gorivo. Vrijeme provedeno u suhom doku radi preuređenja i ponovnog farbanja smanjuje produktivnost brodskih sredstava, a vijek trajanja brodova također se smanjuje zbog korozije i mehaničkog uklanjanja (struganja) morskih organizama s brodskih trupova.

### Stromatoliti

Stromatoliti su slojevite akrecione strukture formirane u plitkoj vodi hvatanjem, vezivanjem i cementiranjem sedimentnih zrna mikrobnim biofilmovima, posebno cijanobakterijama. Stromatoliti uključuju neke od najstarijih zapisa života na Zemlji i još uvijek se formiraju danas.

### Zubni plak

U ljudskom tijelu, biofilmovi su prisutni na zubima kao zubni plak, gdje mogu uzrokovati karijes i bolest desni. Ovi biofilmovi mogu biti u nekalcificiranom stanju koje se može ukloniti stomatološkim instrumentima ili u kalcificiranom stanju koje je teže ukloniti. Tehnike uklanjanja mogu uključivati i antimikrobna sredstva.

Zubni plak je oralni biofilm koji prianja uz zube i sastoji se od mnogih vrsta bakterija i gljivica (kao što su *Streptococcus mutans* i *Candida albicans*), ugrađenih u salivarne polimer i mikrobne vanćelijske produkte. Akumulacija mikroorganizama izlaže zube i tkivo gingive visokim koncentracijama bakterijskih metabolita, što rezultira zubnim bolestima. Biofilm na površini zuba često je izložen oksidativnom stresu. i kiselinski stres. Ugljikohidrati u prehrani mogu uzrokovati dramatičan pad pH vrijednosti u oralnim biofilmovima na vrijednosti od 4 i niže (kiselinski stres). pH vrijednost od 4 na tjelesnoj temperaturi od 37 °C uzrokuje depurinaciju DNK, ostavljajući apurinska (AP) mjesta u DNK, posebno gubitak guanina.

Biofilm zubnog plaka može rezultirati zubnim karijesom ako se dozvoli da se razvija tokom vremena. Ekološki pomak od uravnoteženih populacija unutar zubnog biofilma uzrokovan je određenim (kariogenim) mikrobiološkim populacijama koje počinju dominirati kada im okolina pogoduje. Pomak ka acidogenoj, acidurinskoj i kariogenoj mikrobiološkoj populaciji razvija se i održava čestom konzumacijom fermentabilnih prehrambenih ugljikohidrata. Rezultirajuća promjena aktivnosti u biofilmu (i rezultirajuća proizvodnja kiseline unutar biofilma, na površini zuba) povezana je s neravnotežom demineralizacije u odnosu na remineralizaciju, što dovodi do neto gubitka minerala unutar tvrdih zubnih tkiva (caklina, a zatim dentin), a simptom je karijesna lezija ili šupljina. Sprečavanjem sazrijevanja biofilma zubnog plaka ili njegovim vraćanjem u nekariogeno stanje, zubni karijes se može spriječiti i zaustaviti. Ovo se može postići kroz bihevioralni korak smanjenja opskrbe fermentabilnim ugljikohidratima (tj. unosa šećera) i čestog uklanjanja biofilma (tj. četkanje zuba).

#### Međućelijska komunikacija

Sistem signalizacije peptidnog feromona za kvorum kod *S. mutans* uključuje peptid koji stimulira kompetenciju (CSP) koji kontrolira genetičku kompetenciju. Genetička kompetencija je sposobnost ćelije da prihvati DNK koju oslobađa druga ćelija. Kompetencija može dovesti do genetičke transformacije, oblika seksualne interakcije, koja se preferira u uslovima visoke gustoće ćelija i/ili stresa gdje postoji maksimalna mogućnost interakcije između kompetentne ćelije i DNK, oslobođene iz obližnjih donorskih ćelija. Ovaj sistem se optimalno izražava kada ćelije *S. mutans* borave u aktivno rastućem biofilmu. Ćelije *S. mutans* uzgojene u biofilmu se genetički transformišu brzinom 10 do 600 puta većom od *S. mutans* koje rastu kao slobodno plutajuće planktonske ćelije suspendovane u tečnosti.

Kada se biofilm, koji sadrži *S. mutans* i srodne oralne streptokoke, podvrgne kiselom stresu, indukuje se regulon kompetencije, što dovodi do otpornosti na uništavanje kiselinom. Kao što su istakli Michod i saradnici, transformacija bakterijskih patogena vjerovatno omogućava efikasnu i dhelotvornu rekombinacijsku popravku oštećenja DNK. Izgleda da *S. mutans* može preživjeti česti kiseli stres u oralnim biofilmovima, dijelom i putem rekombinacijske popravke koju pružaju kompetencija i transformacija.

**Interakcije predator-plijen**
Interakcije Predator – plijen između biofilmova i bakterivora, poput nematoda koje žive u tlu *Caenorhabditis elegans,* su opsežno proučavane. Proizvodnjom ljepljive matrice i formiranjem agregata, *Yersinia pestis* biofilmovi mogu spriječiti hranjenje začepljivanjem usta *C. elegans*. Štaviše, biofilmovi *Pseudomonas aeruginosa* mogu ometati pokretljivost *C. elegans*, što se naziva 'fenotip močvare', što rezultira zarobljavanjem *C. elegans* unutar biofilmova i sprječavanjem istraživanja nematoda, kako bi se hranile osjetljivim biofilmovima. Ovo je značajno smanjilo sposobnost predatora da se hrani i razmnožava, čime se promovirao opstanak biofilmova. Biofilmovi *Pseudomonas aeruginosa* također mogu maskirati svoje hemijske potpise, gdje su smanjili difuziju molekula osjetljivih na kvorum u okolinu i spriječili detekciju *C. elegans*..

## Taksonomska raznolikost

Mnoge različite bakterije formiraju biofilmove, uključujući Gram-pozitivne (npr. *Bacillus* spp, *Listeria monocytogenes*, *Staphylococcus* spp, i mliječnokiselinske bakterije, uključujući *Lactobacillus plantarum* i *Lactococcus lactis*) i Gram-negativne vrste (npr. *Escherichia coli* ili *Pseudomonas aeruginosa*). Cijanobakterije također formiraju biofilmove u vodenim okruženjima.

Biofilmove formiraju bakterije koje koloniziraju biljke, npr. *Pseudomonas putida*, *Pseudomonas fluorescens* i srodne pseudomonade, koje su uobičajene bakterije povezane s biljkama i nalaze se na lišću, korijenju i u tlu, a većina njihovih prirodnih izolata formira biofilmove. Nekoliko simbionata mahunarki koji fiksiraju dušik, kao što su *Rhizobium leguminosarum* i *Sinorhizobium meliloti* formiraju biofilmove na korijenu mahunarki i drugim inertnim površinama.

Uz bakterije, biofilmove stvaraju i arheje i niz eukariotskih organizama, uključujući gljive, npr. *Cryptococcus laurentii* i mikroalge. Među mikroalgama, jedni od glavnih preteča biofilmova su diatomeje, koje koloniziraju i slatkovodne i morske okoliše širom svijeta.
Za ostale vrste u biofilmovima povezanim s bolestima i biofilmovima koji nastaju od eukariota, pogledajte dolje.

## Zarazne bolesti

Utvrđeno je da su biofilmovi uključeni u širok spektar mikrobnih infekcija u tijelu, prema jednoj procjeni 80% svih infekcija. Infektivni procesi u koje su uključeni biofilmovi uključuju uobičajene probleme kao što su bakterijska vaginoza, infekcije urinarnog trakta, katetera, infekcije srednjeg uha, stvaranje zubnog plaka, gingivitis, premaz kontaktne leće, i rjeđi, ali smrtonosniji procesi poput endokarditisa, infekcija kod cistaste fibroze i infekcija trajnih implantata kao što su zglobne proteze, proteze srčanih zalistaka i međupršljenski diskovi. Prvi vizuelni dokaz biofilma zabilježen je nakon operacije kičme. Utvrđeno je da u odsustvu kliničke slike infekcije, impregnirane bakterije mogu formirati biofilm oko implantata, a ovaj biofilm može ostati neotkriven savremenim dijagnostičkim metodima, uključujući uzimanje brisa. Biofilm implantata je često prisutan u slučajevima "asepsne" pseudoartroze. Nadalje, primijećeno je da bakterijski biofilmovi mogu oštetiti zacjeljivanje kožnih rana i smanjiti lokalnu antibakterijsku efikasnost u zacjeljivanju ili liječenju inficiranih kožnih rana. Smatra se da raznolikost ćelija *P. aeruginosa* unutar biofilma otežava liječenje inficiranih pluća osoba s cistastom fibrozom. Rano otkrivanje biofilmova u ranama ključno je za uspješno liječenje hroničnih rana. Iako su razvijene mnoge tehnike za identifikaciju planktonskih bakterija u održivim ranama, malo ih je uspjelo brzo i precizno identificirati bakterijske biofilmove. Potrebna su buduća istraživanja kako bi se pronašli načini za identifikaciju i praćenje kolonizacije biofilma uz bolesnički krevet kako bi se omogućilo pravovremeno započinjanje liječenja.

Pokazano je da su biofilmovi prisutni na uklonjenom tkivu 80% pacijenata koji su podvrgnuti operaciji hroničnog sinusitisa. Pokazalo se da su pacijenti s biofilmovima bili ogoljeni od cilija i peharastih ćelija, za razliku od kontrolne grupe bez biofilmova koja je imala normalne cilije i morfologiju peharastih ćelija. Biofilmovi su također pronađeni na uzorcima dva od 10 spomenutih zdravih kontrolnih ispitanika. Vrste bakterija iz intraoperativnih kultura nisu odgovarale vrstama bakterija u biofilmu na tkivu dotičnog pacijenta. Drugim riječima, kulture su bile negativne iako su bakterije bile prisutne. Razvijaju se nove tehnike bojenja za diferencijaciju bakterijskih ćelija koje rastu u živim životinjama, npr. iz tkiva s alergijskim upalama.

Istraživanja su pokazala da subterapeutski nivoi β-laktamskih antibiotika indukuju formiranje biofilma kod *Staphylococcus aureus*. Ovaj subterapeutski nivo antibiotika može biti rezultat upotrebe antibiotika kao promotora rasta u poljoprivredi ili tokom normalnog toka antibiotske terapije. Formiranje biofilma izazvano niskim nivoom meticilina inhibirano je DNazom, što ukazuje na to da subterapeutski nivoi antibiotika također indukuju oslobađanje vanćelijske DNK.

### *Pseudomonas aeruginosa*

*P. aeruginosa* predstavlja često korišteni biofilm kao modelni organizam budući da je uključen u različite vrste hroničnih infekcija povezanih s biofilmom. Primjeri takvih infekcija uključuju hronične rane, hronični ootitis media, hronični prostatitis i hronične infekcije pluća kod pacijenata s cistastom fibrozom (CF). Oko 80% pacijenata s CF ima hroničnu infekciju pluća, uglavnom uzrokovanu bakterijom *P. aeruginosa* koja raste u biofilmovima koji nisu pričvršćeni za površinu, okruženim granulocitno-mikronukleusnim neuronukleoznim leukocitima (PMN).]]. Infekcija ostaje prisutna uprkos agresivnoj antibiotskoj terapiji i čest je uzrok smrti kod pacijenata sa cistastom fibrozom zbog stalnog upalnog oštećenja pluća. Kod pacijenata sa ciststom fibrozom, jedna od terapija za liječenje ranog razvoja biofilma je upotreba DNKaza za strukturno slabljenje biofilma.
Formiranje biofilma kod *P. aeruginosa*, zajedno s drugim bakterijama, nalazi se u 90% hroničnih infekcija rana, što dovodi do lošeg zacjeljivanja i visokih troškova liječenja koji se procjenjuju na više od 25 milijardi američkih dolara svake godine u Sjedinjenim Američkim Državama. Kako bi se minimizirala infekcija uzrokovana *P. aeruginosa*, epitelne ćelije domaćina luče antimikrobne peptide, kao što je laktoferin, kako bi spriječile stvaranje biofilmova.

### *Streptococcus pneumoniae*

*Streptococcus pneumoniae* je glavni uzrok vanbolnički stečene pneumonije i meningitisa kod djece i starijih osoba, te sepse kod HIV-om zaraženih osoba. Kada *S. pneumoniae* raste u biofilmovima, specifično se eksprimiraju geni koji reaguju na oksidativni stres i indukuju kompetenciju. Formiranje biofilma zavisi od peptida koji stimulira kompetenciju (CSP). CSP također funkcionira kao peptid koji detektira kvorum. Ne samo da inducira formiranje biofilma, već i povećava virulenciju kod upala pluća i meningitisa.

Pretpostavlja se da je razvoj kompetencije i formiranje biofilma adaptacija *S. pneumoniae*, kako bi preživjela odbranu domaćina. Posebno, polimorfonuklearni leukociti domaćina proizvode oksidativni nalet kako bi se odbranili od bakterija koje napadaju, a ovaj odgovor može ubiti bakterije oštećujući njihovu DNK. Kompetentne *S. pneumoniae* u biofilmu imaju prednost preživljavanja jer mogu lakše preuzeti transformirajuću DNK iz obližnjih ćelija u biofilmu, kako bi je koristile za rekombinacijski popravak oksidativnih oštećenja u svojoj DNK. Kompetentne *S. pneumoniae* također mogu lučiti enzim (murein-hidrolaza) koji uništava nekompetentne ćelije (bratocidstvo), uzrokujući oslobađanje DNK u okolni medij za potencijalnu upotrebu od strane kompetentnih ćelija.
Antimikrobni peptid protiv insekata cekropin A može uništiti planktonske i sesilne ćelije koje formiraju biofilm uropatogena *E. coli*, samostalno ili u kombinaciji s antibiotikom nalidiksinska kiselina, sinergijski uklanjajući infekciju *in vivo* (u insektu domaćinu *Galleria mellonella*) bez citotoksičnosti izvan cilja. Mehanizam djelovanja na više ciljeva uključuje permeabilizaciju vanjske membrane nakon čega slijedi poremećaj biofilma izazvan inhibicijom aktivnosti efluksne pumpe i interakcijama s van- i unutarćelijskim nukleinskim kiselinama.

### *Escherichia coli*

Biofilmovi *Escherichia coli* odgovorni su za mnoge crijevne zarazne bolesti. Vanintestinalna grupa *E. coli* (ExPEC) je dominantna bakterijska grupa koja napada mokraćni sistem, što dovodi do infekcija mokraćnog trakta. Formiranje biofilma ovih patogenih *E. coli* teško je iskorijeniti zbog složenosti njihove agregacijske strukture i značajno doprinosi razvoju agresivnih medicinskih komplikacija, povećanju stope hospitalizacije i troškovima liječenja. Razvoj biofilma *E. coli* je čest vodeći uzrok infekcija urinarnog trakta (IMT) u bolnicama zbog svog doprinosa razvoju infekcija povezanih s medicinskim uređajima. infekcija urinarnog trakta povezanih s kateterom (KAUTI) predstavlja najčešću bolničku infekciju zbog formiranja patogenog *E. coli biofilma* unutar katetera.

### *Staphylococcus aureus*

Patogen *Staphylococcus aureus* može napasti kožu i pluća, što dovodi do infekcija kože i upala pluća. Štaviše, mreža infekcija biofilma kod *S. aureus* igra ključnu ulogu u sprečavanju imunskih ćelija, poput makrofaga, da eliminišu i uništavaju bakterijske ćelije. Nadalje, formiranje biofilma od strane bakterija, poput *S. aureus*, ne samo da razvija otpornost na antibiotike lijekove, već i razvija unutrašnju rezistenciju prema antimikrobnim peptidima (AMP), što dovodi do sprječavanja inhibicije patogena i održavanja njegovog opstanka.

### *Serratia marcescens*

*Serratia marcescens* je prilično čest oportunistički patogen koji može formirati biofilmove na raznim površinama, uključujući medicinske uređaje poput katetera i implantata, kao i prirodna okruženja poput tla i vode. Formiranje biofilmova od strane *S. marcescens* predstavlja ozbiljnu zabrinutost zbog njegove sposobnosti da se prianja na površine i kolonizira ih, štiteći se od imunskih odgovora domaćina i antimikrobnih sredstava. Ova snaga čini infekcije uzrokovane *S. marcescens* teškim za liječenje, posebno u bolnicama gdje bakterija može uzrokovati teške i specifične infekcije.

Istraživanja pokazuju da je formiranje biofilma  *S. marcescens* proces koji kontrolišu i nutrijenti i sistem za kvorumsko očitavanje. Kvorumski konsenzus utiče na sposobnost bakterije da se prianja na površine i uspostavlja zrele biofilmove, dok dostupnost specifičnih nutrijenata može poboljšati ili inhibirati razvoj biofilma.

*S. marcescens* stvara biofilmove koji se na kraju razvijaju u visoko poroznu, konastu strukturu sastavljenu od lanaca ćelija, filamenata i ćelijskih klastera. Istraživanja su pokazala da biofilmovi *S. marcescens* pokazuju složenu strukturnu organizaciju, uključujući formiranje mikrokolonija i kanala koji olakšavaju razmjenu nutrijenata i otpada. Proizvodnja vanćelijskih polimernih supstanci (EPS) je ključni faktor u razvoju biofilma, doprinoseći prianjanju i otpornosti bakterije na antimikrobna sredstva. Pored svoje uloge u infekcijama povezanim sa zdravstvenom zaštitom, biofilmovi *S. marcescens* povezani su i sa propadanjem industrijske opreme i procesa. Naprimjer, rast biofilma u rashladnim tornjevima može dovesti do bioobrastanja i smanjene efikasnosti.

Napori za kontrolu i sprječavanje formiranja biofilma od strane *S. marcescens* uključuje upotrebu antimikrobnih premaza na medicinskim uređajima, razvoj ciljanih disruptora biofilma i poboljšane protokole sterilizacije. Dalja istraživanja molekularnih mehanizama koji upravljaju formiranjem i perzistencijom biofilma *S. marcescens* ključna su za razvoj efikasnih strategija za borbu protiv povezanih rizika. Proučavana je upotreba indolnih spojeva kao zaštita od formiranja biofilma.

## Upotreba i uticaj

### Medicina

Smatra se da oko dvije trećine bakterijskih infekcija kod ljudi uključuje biofilmove. Infekcije povezane s rastom biofilma obično je teško iskorijeniti. To je uglavnom zbog činjenice da zreli biofilmovi pokazuju antimikrobnu toleranciju i izbjegavaju imunski odgovor. Biofilmovi se često formiraju na inertnim površinama implantiranih uređaja kao što su kateteri, protetski srčani zalisci i unutarmaternični uređaji. Neke od najtežih infekcija za liječenje su one povezane s upotrebom medicinskih uređaja.

Brzo rastuća svjetska industrija biomedicinskih uređaja i proizvoda povezanih s tkivnim inženjerstvom već iznosi 180 milijardi dolara godišnje, no ova industrija i dalje pati od mikrobne kolonizacije. Bez obzira na sofisticiranost, mikrobne infekcije se mogu razviti na svim medicinskim uređajima i konstrukcijama tkivnog inženjerstva 60–70% bolničkih infekcija su povezane s implantacijom biomedicinskog uređaja. To dovodi do dva miliona slučajeva godišnje u SAD-u, što zdravstveni sistem košta preko pet milijardi dolara dodatnih troškova zdravstvene zaštite.

Nivo otpornosti na antibiotike u biofilmu je mnogo veći od nivoa bakterija koje nisu u biofilmu i može biti i do 5.000 puta veći. Biofilm vanćelijskog matriksa smatra se jednim od vodećih faktora koji mogu smanjiti prodiranje antibiotika u strukturu biofilma i doprinosi rezistenciji na antibiotike. Nadalje, dokazano je da na evoluciju otpornosti na antibiotike može utjecati način života biofilma. Terapija bakteriofagima može raspršiti biofilm koji stvaraju bakterije otporne na antibiotike.

Pokazalo se da uvođenje male struje električne energije u tekućinu koja okružuje biofilm, zajedno s malim količinama antibiotika, može smanjiti nivo otpornosti na antibiotike na nivoe bakterija koje nisu iz biofilma. To se naziva **bioelektrični efekat**. Primjena male jednosmjerne struje sama po sebi može uzrokovati odvajanje biofilma od njegove površine. Studija je pokazala da vrsta korištene struje ne utiče na bioelektrični efekat.

### Industrija

Biofilmovi se također mogu koristiti u konstruktivne svrhe. Naprimjer, mnoga postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda uključuju fazu sekundarne obrade u kojoj otpadna voda prolazi preko biofilmova uzgojenih na filterima, koji ekstrahuju i probavljaju organske spojeve. U takvim biofilmovima, bakterije su uglavnom odgovorne za uklanjanje organske materije (BOD), dok su protozoe i rotifere uglavnom odgovorne za uklanjanje suspendovanih čvrstih materija (SS), uključujući patogene i druge mikroorganizme. Sporo pješčani filteri oslanjaju se na razvoj biofilma na isti način za filtriranje površinske vode iz jezera, izvora ili rijeka za piće. Ono što se smatra čistom vodom zapravo je otpadni materijal za ove mikroćelijske organizme. Biofilmovi mogu pomoći u uklanjanju nafte iz kontaminiranih okeana ili morskih sistema. Ulje se eliminira razgradnjom ugljikovodika aktivnostima zajednica hidrokarbonoklastičnih bakterija (HCB).
Biofilmovi se koriste u mikrobnim gorivnim ćelijama (MFC) za proizvodnju električne energije iz različitih početnih materijala, uključujući složeni organski otpad i obnovljivu biomasu.
Biofilmovi su također relevantni za poboljšanje rastvaranja metala u industriji bioluženja, i agregaciji mikroplastičnih zagađivača radi lakšeg uklanjanja iz okoliša.

### Prehrambena industrija

Biofilmovi su postali problematični u nekoliko prehrambenih industrija zbog mogućnosti formiranja na biljkama i tokom industrijskih procesa. Bakterije mogu preživjeti duge vremenske periode u vodi, životinjskom gnoju i tlu, uzrokujući stvaranje biofilma na biljkama ili u opremi za preradu. Nakupljanje biofilmova može utjecati na protok toplote preko površine i povećati površinsku koroziju i otpor trenja tekućina. Ovo može dovesti do gubitka energije u sistemu i ukupnog gubitka proizvoda. Uz ekonomske probleme, formiranje biofilma na hrani predstavlja zdravstveni rizik za potrošače zbog sposobnosti da hranu učini otpornijom na dezinfekcijska sredstva Kao rezultat toga, od 1996. do 2010. godine, Centri za kontrolu i prevenciju bolesti procijenili su 48 miliona troškova za liječenje bolesti koje se prenose hranom godišnje. Biofilmovi su povezani sa oko 80% bakterijskih infekcija u Sjedinjenim Američkim Državama.

U proizvodima, mikroorganizmi se vežu za površine, a biofilmovi se razvijaju interno. Tokom procesa pranja, biofilmovi se odupiru dezinfekciji i omogućavaju bakterijama da se šire po proizvodima, posebno putem kuhinjskog pribora. Ovaj problem se javlja i kod hrane spremne za jelo, jer hrana prolazi kroz ograničene postupke čišćenja prije konzumiranja Zbog kvarljivosti mliječnih proizvoda i ograničenja u postupcima čišćenja, što rezultira nakupljanjem bakterija, mliječni proizvodi su podložni stvaranju biofilma i kontaminaciji. Bakterije mogu lakše pokvariti proizvode, a kontaminirani proizvodi predstavljaju zdravstveni rizik za potrošače. Jedna vrsta bakterija koja se može naći u raznim industrijama i glavni je uzrok bolesti koje se prenose hranom je *Salmonella*. Velike količine kontaminacije salmonelom mogu se naći u industriji prerade peradi, jer oko 50% sojeva roda *Salmonella* može proizvesti biofilmove na peradarskim farmama.*Salmonella* povećava rizik od bolesti koje se prenose hranom kada se proizvodi od peradi ne čiste i ne kuhaju pravilno. *Salmonella* se također nalazi u industriji morskih plodova gdje se biofilmovi formiraju od patogena koji se prenose morskim plodovima na samim morskim plodovima, kao i u vodi. Proizvodi od škampa često su pogođeni salmonelom, zbog nehigijenskih tehnika prerade i rukovanja. Praksa pripreme škampa i drugih proizvoda od morskih plodova može omogućiti nakupljanje bakterija na proizvodima.

Testira se novi oblici postupaka čišćenja kako bi se smanjilo stvaranje biofilma u ovim procesima, što će dovesti do sigurnije i produktivnije industrije prerade hrane. Ovi novi oblici postupaka čišćenja također imaju dubok uticaj na okoliš, često ispuštajući otrovne plinove u rezervoare podzemnih voda. Kao odgovor na agresivne metodi koje se koriste u kontroli stvaranja biofilma, istražuje se niz novih tehnologija i hemikalija koje mogu spriječiti proliferaciju ili adheziju mikroba koji luče biofilm. Najnovije predložene biomolekule koje pokazuju izraženu anti-biofilm aktivnost uključuju niz metabolita kao što su bakterijski ramnolipidi pa čak i biljni - i alkaloidi životinjskog porijekla.

### Akvakultura

 Biofilm iz Mrtvog mora
Kod školjkaša i algi akvakultura, bioobrastanja mikrobne vrste imaju tendenciju da blokiraju mreže i kafeze i na kraju nadmaše uzgajane vrste za prostor i hranu. Bakterijski biofilmovi započinju proces kolonizacije stvaranjem mikrookruženja koja su povoljnija za vrste koje se bave bioobrastanjem. U morskom okruženju, biofilmovi mogu smanjiti hidrodinamičku efikasnost brodova i propelera, dovesti do začepljenja cjevovoda i kvara senzora, te povećati težinu uređaja koji se koriste u morskoj vodi. Brojne studije su pokazale da biofilm može biti rezervoar za potencijalno patogene bakterije u slatkovodnoj akvakulturi. Štaviše, biofilmovi su važni u uspostavljanju infekcija kod riba. Kao što je prethodno spomenuto, biofilmove može biti teško ukloniti čak i kada se antibiotici ili hemikalije koriste u visokim dozama. Uloga koju biofilm igra kao rezervoar bakterijskih patogena kod riba nije detaljno istražena, ali svakako zaslužuje proučavanje.

## Eukarioti

Uz bakterije, biofilmove često iniciraju i proizvode eukariotski mikrobi. Biofilmove koje proizvode eukarioti obično zauzimaju bakterije i drugi eukarioti, međutim, površina je kultivirana i EPS se u početku luči od strane eukariota. Poznato je da i fungi i mikroalge formiraju biofilmove na takav način. Biofilmovi gljivičnog porijekla su važni aspekti ljudske infekcije i patogenosti gljivica, jer je gljivična infekcija otpornija na antigljivne lijekove.

U okolišu, gljivični biofilmovi su područje tekućih istraživanja. Jedno ključno područje istraživanja su gljivični biofilmovi na biljkama. Naprimjer, u tlu je pokazano da gljive povezane s biljkama, uključujući mikorizu, razgrađuju organsku tvar i štite biljke od bakterijskih patogena.

Biofilmove u vodenim okruženjima često formiraju dijatomeje. Tačna svrha ovih biofilmova nije poznata, međutim postoje dokazi da EPS koji proizvode dijatomeje olakšava i hladni i salinitetni stres. Ovi eukarioti stupaju u interakciju s raznolikim spektrom drugih organizama unutar regije poznate kao fikosfera, ali važne su bakterije povezane s dijatomejama, jer je pokazano da iako diatomeje izlučuju EPS, to čine samo kada stupaju u interakciju s određenim vrstama bakterija.

## Horizontalni transfer gena

Horizontalni transfer gena je lateralni transfer genetičkog materijala između ćelijskih organizama. Često se dešava kod prokariota, a rjeđe kod eukariota. Kod bakterija, horizontalni transfer gena može se desiti putem transformacije (preuzimanje slobodno plutajuće DNK u okolini), transdukcije (preuzimanje DNK posredovano virusom) ili konjugacija (transferna DNK između pilusnih struktura dvije susjedne bakterije). Nedavne studije su također otkrile druge mehanizme, kao što su prijenos putem membranskih vezikula ili agensi za prijenos gena. Biofilmovi potiču horizontalni transfer gena na različite načine.

 Transmisijska elektronska mikrografija prikazuje bakteriju *Escherichia coli* koja formira opsežne biofilmove koristeći mrežu konjugativnih F-pila. Izvor: Jonasz Patkowski
Pokazalo se da bakterijska konjugacija ubrzava formiranje biofilma u teškim uvjetima, zbog robusnih veza koje uspostavljaju konjugativni pilusi. Ove veze često mogu podsticati događaje međuvrstnog transfera zbog raznolike heterogenosti mnogih biofilmova. Osim toga, biofilmovi su strukturno ograničeni polisaharidnom matricom, što obezbjeđuje bliske prostorne zahtjeve za konjugaciju. Transformacija se također često opaža u biofilmovima. Bakterijska autoliza je ključni mehanizam u strukturnoj regulaciji biofilma, pružajući obilan izvor kompetentne DNK, spremne za transformativno preuzimanje. U nekim slučajevima, inter-biofilm kvorumski konsenzus može poboljšati kompetenciju slobodno plutajuće eDNK, dodatno promovirajući transformaciju. Prijenos Stx gena putem bakteriofagnih nosača uočen je unutar biofilmova, što sugerira da su biofilmovi također pogodno okruženje za transdukciju. Membranske vezikule HGT nastaju kada se oslobođene membranske vezikule (koje sadrže genetičke informacije) spoje s bakterijom primateljem i otpuste genetički materijal u citoplazmu bakterije. Nedavna istraživanja otkrila su da membranske vezikule HGT mogu promovirati formiranje biofilma jednog soja, ali uloga koju membranske vezikule HGT ima u formiranju višesojnih biofilmova još uvijek nije poznata. GTA, ili agensi za prijenos gena, su čestice slične fagima koje proizvode bakterije domaćina i sadrže nasumične fragmente DNK iz genoma bakterijskog domaćina. HGT unutar biofilmova može pružiti antibiotik otpornost ili povećana patogenost u populaciji biofilmova, što promovira homeostazu biofilma.

### Primjeri

Konjugativni plazmidi mogu kodirati proteine povezane s biofilmom, kao što su PtgA, PrgB ili PrgC koji promoviraju adheziju ćelija (potrebnu za rano formiranje biofilma). Geni koji kodiraju fimbrije tipa III nalaze se u pOLA52 (plazmid *Klebsiella pneumoniae*) koji podstiče formiranje biofilma ovisnog o konjugativnom pilusu.

Transformacija se obično događa unutar biofilmova. Fenomen nazvan bratoubistvo može se vidjeti među streptokoknim vrstama kod kojih se oslobađaju enzimi koji razgrađuju ćelijski zid, lizirajući susjedne bakterije i oslobađajući njihovu DNK. Ovu DNK zatim mogu preuzeti preživjele bakterije (transformacija). Peptidi koji stimuliraju kompetenciju mogu igrati važnu ulogu u formiranju biofilma i među *S. pneumoniae* i *S. mutans*. Među *V. cholerae*, sam kompetentni pilus potiče agregaciju ćelija putem interakcija pilus-pilus na početku formiranja biofilma.

Invazija faga može imati ulogu u životnim ciklusima biofilma, lizirajući bakterije i oslobađajući njihovu eDNK, što jača strukture biofilma i može biti apsorbirano od strane susjednih bakterija u transformaciji. Uništavanje biofilma uzrokovano fagom Rac *E. coli* i profagom Pf4 *P. aeruginosa* uzrokuje odvajanje ćelija od biofilma. Odvajanje je fenomen biofilma koji zahtijeva više istraživanja, ali se pretpostavlja da proliferira bakterijske vrste koje čine biofilm.

HGT membranskih vezikula primijećen je u morskom okruženju, među *Neisseria gonorrhoeae*, *Pseudomonas aeruginosa*, *Helicobacter pylori* i mnogim drugim bakterijskim vrstama. Iako je pokazano da HGT membranskih vezikula doprinosi formiranju biofilma, i dalje su potrebna istraživanja kako bi se dokazalo da se HGT posredovan membranskim vezikulama javlja unutar biofilmova. Također je pokazano da HGT membranskih vezikula modulira interakcije faga i bakterija u ćelijama *Bacillus subtilis* SPP1 otpornim na fage (kojima nedostaje SPP1 receptorski protein). Nakon izlaganja vezikulama koje sadrže receptore, dolazi do transdukcije pBT163 (plazmida koji kodira ko mačaka), što rezultira ekspresijom proteina receptora SPP1, otvarajući receptivne bakterije za buduću fagnu infekciju. Nedavna istraživanja su pokazala da arhejska vrsta *H. volcanii* ima neke fenotipove biofilma slične bakterijskim biofilmovima, kao što su diferencijacija i HGT, što zahtijeva interakcuju ćelija-ćelija i uključuje formiranje citosolnih mostova i događaje ćelijske fuzije.

## Uređaji za kultivaciju

Postoji širok spektar uređaja za kultivaciju biofilma koji imitiraju prirodna ili industrijska okruženja. Iako je važno uzeti u obzir da određena eksperimentalna platforma za istraživanje biofilma određuje koja vrsta biofilma se kultivira i koji se podaci mogu izvući. Ovi uređaji se mogu grupirati u sljedeće grupe:

* sistemi mikrotitarskih ploča (MTP) i MBEC Assay® [ranije Calgary Biofilm Device (CBD)]
* BioFilm Ring Test Error in Webarchive template: Empty url. (BRT) ili klinički Biofilm Ring Test (cBRT)
* Robbins uređaj ili modificirani Robbins uređaj (kao što je MPMR-10PMMA ili Bio-inLine Biofilm Reactor)
* Drip Flow Biofilm Reactor®
* rotacijski uređaji (kao što su CDC Biofilm Reactor®, Rotating Disk Reactor, Biofilm Anular Reactor, Industrial Surfaces Biofilm Reactor ili Constant Depth Film Fermenter)
* protočne komore ili protočne ćelije (kao što su Coupon Evaluation Flow Cell, Transmission Flow Cell i Capillary Flow Cell od BioSurface Technologies)
* mikrofluidni pristupi, kao što je 3D-bakterijski mikrofluidni model "biofilm-disperzija-zatim-rekolonizacija" (BDR)

## Također pogledajte

* Amiloid
* Bakterijske nanožice
* Fabrika biofilma
* Sprečavanje biofilma
* Biomineralizacija
* Centar za inženjeratvo biofilma
* Curli
* Floc (biofilm)
* Mikrobna inteligencija
* Mikrobna podloga
* Terapija fagama
* Fototrofni biofilm
* Stromatolit

## Reference

## Dopunska literatura

* {{cite book| vauthors = Allison DG |title=Community structure and co-operation in biofilms |publisher=Cambridge University Press |location=Cambridge, UK |year=2000 |isbn=978-0-521-79302-5]]
* {{cite book| vauthors = Lynch JF, Lappin-Scott HM, Costerton JW |title=Microbial biofilms |publisher=Cambridge University Press |location=Cambridge, UK |year=2003 |isbn=978-0-521-54212-8]]
* {{cite book| vauthors = Fratamico M | title = Biofilms in the food and beverage industries | publisher = Woodhead Publishing Limited | year = 2009 | isbn = 978-1-84569-477-7]]

## Vanjski linkovi

* A TED-ED animation on basic biofilm biology: The microbial jungles all over the place (and you) {{Webarchive|url= |date=7 August 2018 ]] by Scott Chimileski and Roberto Kolter
* Thickness analysis, organic and mineral proportion of biofilms in order to decide a treatment strategy
* {{usurped|1=[ Biofilm Archive of Biofilm Research & News
* "Why Am I Still Sick?" – The Movie, 2012: Documentary on Biofilms: The Silent Role of Biofilms in Chronic Disease {{Webarchive|url= |date=5 August 2012
* HD Video Interviews on biofilms, antibiotics, etc. with experts, youtube.com: ADRSupport/biofilm {{Webarchive|url= |date=4 December 2015

Šablon:Mikroorganizmi