Biofilm

[thumb|right|300px| Biofilm *[Staphylococcus aureus* na trajnom kateteru]]
[thumb|right|300px| Vjerovatne [cijanobakterije u vertikalnom presjeku silificiranog biofilma iz donje krede.]]
Vrlo plitko hipersalinsko okruženje urgonske karbonatne platforme Provanse, jugoistočna Francuska

* 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). 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. 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.]]

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. 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. ili otporni na antibiotike. Ćelijska komunikacija ili kvorum sensing je uključena u formiranje biofilma kod nekoliko bakterijskih vrsta.

## Razvoj 
[thumb|upright=1.8|right|  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:

[thumb|upright=1.8|left|  (1) Početno pričvršćivanje, (2) Ireverzibilno pričvršćivanje, (3) Sazrijevanje I, (4) Sazrijevanje II i (5) Disperzija. Svaka faza razvoja na dijagramu je uparena sa [mikrografija|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. 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. 
thumb|upright=2.6|center|**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 
[thumb|Skenirajući [elektronski mikroskop|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. 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 
[thumb| Bakterijski biofilm boji termalne izvore u [Nacionalni park Yellowstone|Nacionalnom parku Yellowstone. Najduža podignuta površina bakterijskog biofilma duga je oko pola metra.]] 
[thumb| Termofilne bakterije u odlivu [Mickey Hot Springs, Oregon, debljine  otprilike 20&nbsp;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. Biofilmovi u rizosferi često rezultiraju sistemskom rezistencijom izazvanom patogenima ili biljkama. Molekularna svojstva na površini bakterije uzrokuju imunski odgovor kod biljke domaćina. Pokazalo se da određeni metaboliti željeza koje proizvodi *Pseudomonas* također stvaraju inducirani sistemski odgovor. 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. 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). 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). 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. 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. 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.

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.
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.
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. Neke od najtežih infekcija za liječenje su one povezane s upotrebom medicinskih uređaja. 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.
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. Ovaj problem se javlja i kod hrane spremne za jelo, jer hrana prolazi kroz ograničene postupke čišćenja prije konzumiranja Velike količine kontaminacije salmonelom mogu se naći u industriji prerade peradi, jer oko 50% sojeva roda *Salmonella* može proizvesti biofilmove na peradarskim farmama. pa čak i biljni - i alkaloidi životinjskog porijekla.

### Akvakultura
[thumb| Biofilm iz [Mrtvo more|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. 
[thumb|396x396px| 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. Geni koji kodiraju fimbrije tipa III nalaze se u pOLA52 (plazmid *Klebsiella pneumoniae*) koji podstiče formiranje biofilma ovisnog o konjugativnom pilusu.

## 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  (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=https://web.archive.org/web/20180807120656/https://www.youtube.com/watch?v=pHLP5CZMnL4 |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
* http://www.whyamistillsick.com/ "Why Am I Still Sick?" – The Movie, 2012: Documentary on Biofilms: The Silent Role of Biofilms in Chronic Disease {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120805092943/http://www.whyamistillsick.com/ |date=5 August 2012 
* HD Video Interviews on biofilms, antibiotics, etc. with experts, youtube.com: ADRSupport/biofilm {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151204053849/https://www.youtube.com/user/ADRSupport/videos |date=4 December 2015 

Kategorija:Bakteriologija
Kategorija:Biološka materija
Kategorija:Mikrobiologija okoliša
Kategorija:Ekologija
Kategorija:Membranska biologija
Kategorija:Mikrobiološki termini