Biokile

Biokile (inglise keeles biofilm) on limakihiga ümbritsetud mikroorganismide kooslus, mis tekib piirpindadele. Enamasti tekivad nad veepinnale või vee ja tahke faasi piirile. Põhimõtteliselt võib biokile tekkida igasugustele pindadele, ka näiteks õlitilgakestele vees. Piirpinda, millele biokile tekib, nimetatakse substraadiks. Biokiledesse koondusid mikroorganismid juba väga ürgsel ajal. Vanimad seni leitud fossiilid, umbes 2,7 miljardi aasta vanused stromatoliidid on tekkinud nn mikroobsete mattide (biokile tüüp) kivistumisel. Mõned uurijad arvavad koguni, et esimesed mikroobid tekkisid biokiles, samas kui teised leiavad, et üksikult elamine ja biokile moodustamine eksisteerisid kõrvuti. Enamik mikroorganisme elab keskkonnas biokiles. Hammastele tekkivat biokilet nimetatakse katuks. Biokiled on heterogeensed: ekstratsellulaarse maatriksiga ümbritsetud rakkude kogum, mille vahel liigub vedelik, milles on lahustunud toitained, hapnik ja muud osakesed. Samuti eemaldatakse biokilest vedeliku liikumise abil jääkained. Biokile maatriks on liigispetsiifiline, enamikul juhtudel koosneb see polüsahhariididest, kuid mõne liigi puhul on peamiseks komponendiks ekstratsellulaarsed valgud või koguni DNA. Pikaahelalistest rasvhapetest koosnev biokile maatriksis on haruldane. Kõik maatriksid sisaldavad vett. Iga biokile on ainulaadse struktuuriga, mis oleneb biokilet moodustavate organismidest ja keskkonna abiootilisest ja biootilistest tingimustest. Sarnastes tingimustes moodustuvad sarnase struktuuriga biokiled: kiirevoolulistes vetes tekivad filamentsed mikrokolooniad, mille üks ots on kinnitunud ja teine võngub vabalt vooluga kaasa, liikumatutes vetes jällegi seenekujulised struktuurid. Biokiled võivad koosneda nii ühest kui ka mitmest mikroobiliigist. Mitmest liigist koosnevad biokiled on keskkonnas valdavad. Siiski, tavaliselt uuritakse ühest liigist moodustunud biokilet, eriti inimesele patogeenseid mikroobe. Ühe liigi biokilet on laboritingimustes lihtsam jälgida ning saadud tulemusi interpreteerida. Üksteisest mõnesaja mikromeetri kaugusel võivad paikneda aeroobsed ja anaeroobsed alad, mis võimaldavad aeroobsetel ja anaeroobsetel mikroorganismidel lähestikku elada. Biokile areng algab bakteri kinnitumisega abiootilisele või biootilisele pinnale. Kinnitumiseks kasutatakse tihti adhesiinivalke. Bakterid kinnituvad paremini karedale ja hüdrofoobsele pindale, näiteks klaasile. Sõltuvalt bakteri liigist ning keskkonnatingimustest võib kinnitumine olla piisavalt tugev, mis viib mikrokoloonia tekkeni. Kui kinnitumine pole piisavalt tugev võib bakter pinnalt lahkuda. Kinnitumise järel bakter jaguneb ning moodustub mikrokoloonia, mil signaaliradade ja globaalsete regulaatorite abil muudetakse füsioloogiat, hakatakse sünteesima ekstratsellulaarset maatriksit. Moodustunud mikrokolooniates, kus rakud on tugevamini üksteisega seotud ja väheneb nende liikuvus. Küpses biokiles tekib liigi biokilele iseloomulik struktuur. Olenevalt keskkonnatingimustest ja bakteriliigist võib biokile lagunemine toimuda juba mõne tunni järel. Lagunemine ei pea viima täieliku biokile hävimiseni, vaid biokiles olevate bakterite hulk võib väheneda. Lagunemine võib toimuda nii keskkonnatingimuste toimel (nt tugevnev veevool, sülje liikumine jne) kui ka bakterite endi indutseeritud. Bakterid eritavad rakust välja biosufraktante, mille toimel biokile maatriks laguneb. Põhjuste kohta, miks mikroorganismid biokiles elada eelistavad, on mitmeid hüpoteese. Esiteks on pinnad lihtsalt alad, mida on võimalik asustada ja mis pakuvad mikroobidele stabiilset elukeskkonda ning toimivad võib-olla ka katalüsaatorina, asetades rakud lähestikku. Biokiles käituvad ainuraksed mitmerakulistele organismidele omaselt. See võimaldab või pikendab ellujäämist erinevates niššides. Teiseks kaitseb ekstratsellulaarne maatriks biokile koostises elavaid mikroorganisme näiteks kiirguse, kuivamise, pH kõikumiste, fagotsütoosi ja antimikroobsete ainete eest. Antimikroobsetele ainetele aitab vastu seista ka see, et biokiles leidub alasid, kus rakud pole füsioloogiliselt aktiivsed ega jagune. Enamiku antibiootikumide toimemehhanism sisaldab aga mingi rakus toimuva protsessi takistamist, seega passiivsetele mikroobidele nad ei mõju. Näiteks beetalaktaamid, mis pärsivad bakterite rakukesta sünteesi, mõjuvad ainult aktiivselt jagunevatele rakkudele. Haiglatarvikutel (kateetrid, proteesid) funktsioneerib biokile haigustekitajate tagavarana, kust patogeenid võivad kergesti levida patsientidele. Peremehes kaitseb biokiles elamine mikroorganisme immuunsüsteemi rünnakute eest, mis põhjustab kroonilist infektsiooni. Biokiles elavad bakterid põhjustavad kuseteede põletikke (näiteks Escherichia coli), keskkõrvapõletikke (näiteks Haemophilus influenzae), igemepõletikku, südame sisekesta põletiku (Staphylococcus aureus), tsüstilise fibroosi patsientide infektsioone (Pseudomonas aeruginosa) ja liigese- ning südameklapiproteeside infektsioone (Staphylococcus aureus) ja põletikuliste nahahaavade ravimist. On näidatud, et subterapeutilised beetalaktaamsete antibiootikumide kontsentratsioonid kutsuvad esile Staphylococcus aureusel biokile moodustumise. Selliseid kontsentratsioone kasutatakse näiteks põllumajanduses loomade kasvu parandamiseks või haiguste ennetamiseks. Kuigi puhastusvõime on väiksem kui aktiivmudal, kasutatakse biokilesid, mida asustavad mikroorganismid on võimelised orgaanilisi aineid lagundama, reovee puhastamisel. Eelised aktiivmuda ees on väiksem energiakulu ja mudateke. Biokilel põhinevate filtrite kasutamisel põhipuhastina on vajalik korralik eel- ja järelpuhastus. Biokilefiltreid on mitut tüüpi, näiteks nõrgbiofiltrid, millele juhitud reovesi filtrist läbi nõrgub, ja sukelbiofiltrid, kus biokile on reovee sees. 2009. aastal kasutas 10% Eesti reoveepuhasteid biokilel põhinevat süsteemi. Pärsia lahest on leitud kruusaosakestele biokilesid moodustavaid mikroobe, mis suudavad süsivesinikke lagundades rannaalasid puhastada. Potentsiaalselt saaks biokilet kasutada ka tööstusjäätmete õlist puhastamiseks, laborikatsetes on juba suudetud õliga reostunud merevett puhastada. Biokilede põhjustatud biosaaste vältimiseks on kaks lähenemist: muuta pinnad biokile tekkimiseks sobimatuks või töötada välja võimalused juba moodustunud biokile lagundamiseks. Üks võimalus on katta pinnad valkudele resistentsete ainetega (näiteks polüetüleenglükool), mis takistaksid mikroobide kinnitumist. Mugavam oleks aga kasutada kattematerjale, mis mõjuvad mikroorganismidele surmavalt. Sellised on katted, mis eritavad keskkonda bakteritsiidseid aineid, näiteks antibiootikume, kvaternaarseid ammooniumsooli, hõbedat. Probleem tekib antibiootikumi- ja hõbedaresistentsete mikroobitüvede ilmnemisel. Sellega toime tulemiseks uuritakse praegu, kas oleks võimalik kasutusele võtta polükatioone, ensüüme või nanomaterjale. Viimaseid peetakse koguni potentsiaalseks vahendiks suus tekkiva biokile moodustumise takistamiseks. Siiani on kõik katsed leidmaks materjali, millele bakterid ei suudaks mitte mingisugust biokilet moodustada, luhtunud. Veel üks võimalus biokile moodustumise takistamiseks on hulgatunnetuse signaalide blokeerimine. Kuna hulgatunnetus ei osale bakterite kasvu regulatsioonis, ei tohiks selle välj lülitamine põhjustada selektiivset survet resistentsuse tekkele. Samas on hulgatunnetuse signaalid küllaltki liigispetsiifilised ning kõigile bakteritele mittevajalikud. Ühte tüüpi signaalide blokeerimisel on biokile moodustamine takistatud ainult väikesel osal mikroobidest. Eksopolüsahhariidid Biokilereaktor Biosaaste Lap-süsteem Trevors, J. T. (2011) Hypothesized origin of microbial life in a prebiotic gel and the transition to a living biofilm and microbial mats. C R Biol. Aprill, 334(4):269-72. doi: 10.1016/j.crvi.2011.02.010 Hall-Stoodley, L., Costerton, J. W., Stoodley, P. (2004) Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews Microbiology. 2: 95–108. doi:10.1038/nrmicro821 Garnett, J. A., Matthews, S. (2012) Interactions in Bacterial Biofilm Development: A Structural Perspective. Curr Protein Pept Sci. 13(8): 739–755. doi: 10.2174/138920312804871166 Donlan, R. M. (2002) Biofilms: microbial life on surfaces. Emerging Infectious Diseases. 8(9). doi: 10.3201/eid0809.020063 Brandaa, S. S.,Vika, Å., Friedmanb, L., Kolter, R. (2005) Biofilms: the matrix revisited. Trends in Microbiology. 13(1): 20–26. doi: 10.1016/j.tim.2004.11.006 Kostakioti, M., Hadjifrangiskou, M., Hultgren S. J. (2013) Bacterial biofilms: development, dispersal, and therapeutic strategies in the dawn of the postantibiotic era. Cold Spring Harb Perspect Med. Aprill 1;3(4):a010306. doi: 10.1101/cshperspect.a010306. "Uurimus mikroobsetest biokiledest (PA-03-047)". NIH, National Heart, Lung, and Blood Institute. 29.09.2013. Lewis, K. (2001) Riddle of biofilm resistance. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 45(4): 999–1007. doi:10.1128/AAC.45.4.999-1007.2001 Davis, S. C., Ricotti, C., Cazzaniga, A., Welsh, E., Eaglstein, W. H., Mertz, P. M. (2008) Microscopic and physiologic evidence for biofilm-associated wound colonization in vivo. Wound Repair and Regeneration. 16(1): 23–29. doi:10.1111/j.1524-475X.2007.00303.x Kaplan, J. B., Izano, E. A., Gopal, P., et al.. (2012) Low Levels of β-Lactam Antibiotics Induce Extracellular DNA Release and Biofilm Formation in Staphylococcus aureus. mBio. 3(4). doi:10.1128/mBio.00198-12 Kristo Kärmas. "Reovee puhastamise tehnoloogilised võimalused" (PDF). Vaadatud 29.09.2013. Radwan, S. S., Al-Hasan, R. H. (2001). Potential application of coastal biofilm-coated gravel particles for treating oily waste. Aquatic Microbial Ecology. 23(2): 113–117. doi:10.3354/ame023113 Banerjee, I., Pangule, R. C., Kane, R. S. (2011). Antifouling coatings: recent developments in the design of surfaces that prevent fouling by proteins, bacteria, and marine organisms. Adv Mater. 23(6):690–718. doi:10.1002/adma.201001215 Allaker, R. P. (2010). The use of nanoparticles to control oral biofilm formation. J Dent Res. 89(11):1175–86. doi:10.1177/0022034510377794 Njoroge, J., Sperandio, V. (2009). Jamming bacterial communication: new approaches for the treatment of infectious diseases. EMBO Mol Med. 1(4):201–210. doi:10.1002/emmm.200900032 Estrela, A. B., Heck, M. G., Abraham, W. R. (2009). Novel approaches to control biofilm infections. Curr Med Chem. 16(12): 1512–1530 Artikkel Sirbis