BİYOFİLM

*

what is biofilm

**

Yirminci yüzyılın ikinci yarısından sonra, elektron mikroskobunun kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte, mikrobiyoloji alanında büyük aşamalar kaydedildi. Bakterilerin sıvıların içerisinde, serbest biçimde tek olarak bulunduğu yani planktonik yapıda olduğu düşünülmüştür. Yapılan çalışmalarla bunun tam aksi ortaya konarak, mikroorganizmaların canlılıklarını sürdürebilmek için katı yüzeylere gereksinim duyduğu bildirilmiştir. İlk olarak 1976 yılında Marshal, biyofilmin çok ince bir ekstrasellüler polimer fibril olduğunu ve bakterinin yüzeye tutunmasında önemli olduğunu bildirmiştir. Islak yüzeylerde oluşan mukoid yapılardaki bakterilerin fenotipik olarak da planktonik hallerinden farklı oldukları bildirilmiştir. Bu farklıktan yola çıkarak, bu mukoid yapılara, İngilizce canlı tabakalar anlamına gelen “BIOFILM” isimlendirilmesi uygun görülmüştür.

Mikrobiyel hücrelerin dönüşümsüz olarak polisakkarit matriks ve yüzey ile bağlantı kurması ve bu yapıda üreyip gelişmesi sonucu makroskobik olarak opak yapıda, ortalama 100-500 µm yükseklikte koşullara göre değişen en ve boyda, kaygan, pürüzsüz, giderilmesi çok zor olan yapıya biyofilm denir. Matriks içinde kan pıhtısı, kristaller, toprak, metal korozyon artıkları bulunabilir bu nedenle biyofilmin rengi bulunduğu yere göre değişir. Bakteriler değişik yüzeylere tutunabilirler; bu yüzeyler arasında canlı dokular, doğal deliklerden vücut içi uygulanan medikal cihazlar, endüstriyel ve içilebilir su sistemleri, doğal su sistemleri yer alır.

Watnick ve Kolter (2000) biyofilmi cansız ya da canlı bir yüzeye tutunmuş birçok bakterinin salgıladıkları müköz yapı içeresinde bir araya gelmesiyle oluşan, “mikroplar şehri” olarak tanımlamışlardır.

Biyofilm; mikrobiyel olarak değişime uğramış, yüzeye ya da birbirine tutunarak, matriks ya da hücre dışı polimerik madde (Extracelluler polymeric substances-EPS) içine gömülmüş olan planktonik hücrelerden çoğalma, genetik yapı ve protein sentezi açısından tamamen değişik yapıda olan biyolojik bir oluşumdur. Biyofilm oluşumu dinamik çok aşamalı bir yapılanmadır.

Biyofilm bakterileri, çevre koşullarına serbest bulunan planktonik bakterilerden daha dirençlidirler. Biyofilm yapısı inhibitörik etkisi olan antibiyotik, dezenfektan ve ısıya karşı koruyucu özellik gösterir. EPS’nin direnci arttırdığı düşüncesi yaygındır, ancak mekanizması açıkça ortaya konulamamıştır.

Biyofilmin planktonik bakteriden üstünlükleri Donlan (2002) tarafından dört madde altında toplanmıştır. Bunlar sırasıyla:

-EPS çevreden besin maddelerini (C - N - PO4 gibi) konsantre ederek bakterilerin kullanımına sunar.

-Biyofilm oluşumunda bulunan bakteriler antimikrobiyel maddeler, yüzey gerilimi değiştiren ajanlar, sıcaklık, konakçıya ait fagositler, konakçı oksijen radikalleri, proteazlar gibi çeşitli koşullara ve maddelere karşı dirençlilik geliştirirler. Bu direnç, gelişimin durdurulup canlılığın korunmasından, genetik düzenleme ile yukarı ya da aşağıya doğru düzenleme ile modifikasyona kadar değişen reaksiyonlar halinde gözlemlenir.

-Tabakalı dizilim sonucu yüzeyde bulunan çeşitli bakteriler mekanik kalkan etkilerinin yanısıra; katalaz, peroksidaz, proteaz ve lipaz inhibitörleri salgılayarak antimikrobiyellere karşı iç yüzeyde bulunan bakterileri korurlar.

-Biyofilm parçaları koparak yeni yüzeylere yayılır. Planktonik bir hücrenin tutunmasından daha kolay bir tutunma gerçekleştirirler. 

Biyofilm Mimarisi

Biyofilmin üç boyutlu, EPS ile çevrelenmiş, su kanalları ve çok katlı bakteri tabakaları içeren bir yapı olduğu bildirilmiştir. Biyofilmde fiziksel ve biyolojik yapı çoklu intrinsik ve ekstrinsik faktörlerin etkileşimi ile düzenlendiği, fiziksel yapının EPS ile bağlantılı olduğu bildirilmiştir. EPS’nin gel ya da viskoelastik davranış sergileyebileceği, bu fazlara geçişinde protein, Ca+2 iyonları, polisakkaritler ile yapının daha sağlamlaştığı bildirilmiştir. Tabakalı yapının alttaki hücreleri stabilize ettiği, biyofilmde antibakteriyel direnç ve oksijen kullanımı açısından değişkenlik gösteren tabakalar oluştuğu vurgulanmıştır.

BİYOFİLM OLUŞUM AŞAMALARI VE ÖNEMLİ ETKENLER

Yapılan çalışmalar sonucu yapısal olarak planktonik hücreden köken alan biyofilmin oluşum aşamaları aşağıda bildirilmiştir (Gonpot ve ark.,2000; Watnick ve Kolter,2000; Shirtliff ve ark.,2002).

-Tutunma yüzeyinin oluşumu

-Öncü bakterinin tutunması

-“Slime” (Müköz yapı) oluşumu

-Sekonder kolonizasyon

-Olgun biyofilm

 BİYOFİLM EKOLOJİSİ

Biyofilmin en küçük biriminin mikro koloni olduğu bildirilmiştir. Mikro kolonideki hücrelerin yakınlığının; besin maddesi sentezi, gen değişimi ve Quorum Sensing (Mikrobiyel Populasyon Etkileşimi) için ideal ortamı sağladığı belirtilmiştir. Farklı mikroorganizmalardan oluşan mikro kolonilerde ise redoks reaksiyonlarına bağlı olarak, değişik elementlerin (nitrojen, sülfür, karbon, oksijen) alışverişinin görüldüğü bildirilmiştir.

Gen Transferi

Bakterilerin genetik yapısında meydana gelen değişikliklerin çok çeşitli olduğu, bunların hücrenin bulunduğu ortam, diğer hücrelerle etkileşimleri ve kendi içlerindeki değişimlere bağlı olarak, geniş bir perspektif sergiledikleri bildirilmiştir. Aşağıda mikroorganizmalar arası genetik materyal değişim yöntemleri açıklanmıştır.

-Plazmidler ve Konjugasyon

-Transformasyon

-Transduksiyon

-Füzyon

-Supresyon

Biyofilmin ekstrakromozomal DNA (plazmid) değişimi için ideal yapı olduğu ortaya konmuştur. Konjugasyonun biyofilm hücrelerinde, planktonik yapıdakilerden daha fazla görüldüğü bildirilmiştir. Ghigo (2001) konjugasyona hazır plazmid içeren bakterilerin biyofilm oluşturmaya yatkın olduğunu öne sürmüştür. Escherichia coli’ye ait F plazmidinin aktive olarak sentezlettiği, F konjugatif pilusunun hem hücre yüzeyi hem de hücre ile başka bir hücre arasında yapışma faktörü olduğu ortaya konmuştur. Donor hücrelerden, recipient hücrelere aktarılan DNA yapısında patojenite, toksijenite, antibiyotik ve dezenfektan direncini kodlayan genler olabileceği bildirilmiş ve buna bağlı olarak, biyofilmin antibakteriyellere karşı gelişen direncin yayılmasında önemli rol oynayabileceği iddia edilmiştir.