Seminar biofilm DBCL ATTP (5 2013)

BIOFILM BM ĐBCL ATTP, Khoa CN thực phẩm Tóm tắt: Biofilm (màng sinh học) mô hình phát triển tự bảo vệ vi khuẩn Biofilm quan tâm nhiều môi trường, công nghiệp, y học vệ sinh thực phẩm màng chứa vi khuẩn gây hư hỏng gây bệnh, làm tăng nguy cho sức khỏe cộng đồng Ngoài ra, tế bào vi sinh biofilm đề kháng với việc làm vệ sinh khử trùng Sự hình thành màng biofilm trình phức tạp, liên quan đến chế di truyền nhiều yếu tố đặc tính bề mặt bám bề mặt tế bào vi khuẩn Bài viết đề cập đến chế, tác động việc hình thành biofilm, hướng kiểm soát Từ khóa: Biofilm, vi khuẩn, chế hình thành, kiểm soát biofilm Abstract: Biofilms are a self-protection growth pattern of bacteria They have been of considerable interest in environment, industry, medicine, and food hygiene since biofilms may contain spoilage and pathogenic bacteria which increases risk to public health In addition, biofilm cells are more resistant to cleaning and disinfection processes Biofilm formation is a complex process in which genetic mechanisms and numerous factors such as the properties of substratum and bacterial cell surfaces are involved Formation mechanisms, effects and control of Biofilm will be discussed in this paper Keywords: Biofilm, bacteria, formation mechanisms, biofilm control Các bề mặt biofilm Bề mặt môi trường sống vi sinh vật quan trọng, nhận chất dinh dưỡng nhiều hơn, bảo vệ khỏi công, thay đổi hóa lý, phương tiện để tế bào trì sống môi trường thuận lợi không bị rửa trôi Các dòng chảy qua bề mặt làm tăng vận chuyển chất dinh dưỡng đến bề mặt nhiều so với sinh vật phù du (các sinh vật sống nổi) môi trường Bề mặt cung cấp sinh vật khác chất dinh dưỡng hạt chất hữu Ví dụ rễ có nhiều quần thể vi sinh vật vi khuẩn đất sống dựa vào chất hữu tiết ra, phát nhờ nhuộm huỳnh quang (Hình 1) Hình 1: Hình ảnh vi sinh vật bề mặt (a: rễ cây; b: phiến kính) Các bề mặt tự nhiên hay nhân tạo tiếp xúc với vi sinh vật, vi sinh vật tạo quần thể bề mặt Chẳng hạn phiến kính nhuộm tiêu bản, ngâm dịch có vi sinh vật thời gian, xuất chùm tế bào, gọi vi khuẩn lạc, giống bề mặt tự nhiên Sự tạo quần thể bề mặt thưa thớt gồm vi khuẩn lạc, nhìn thấy mắt thường nhiều đến mức nhìn thấy mặt thường nơi nước đọng nhà vệ sinh Sự phát triển bề mặt gây nhiều rắc rối bệnh viện, tạo quần thể thiết bị đưa vào thể người gây nhiễm trùng Trong vài môi trường khắc nghiệt thiếu động vật ăn thực vật (như suối nước nóng), tích lũy vi sinh bề mặt dày đến nhiều cm), gọi thảm vi sinh vật Thảm vi sinh vật thường phức tạp, tập hợp bền sinh vật quang năng, tự dưỡng, dị dưỡng Biofilms Khi tế bào vi khuẩn phát triển bề mặt chúng thường tạo biofilm- tập hợp tế bào vi khuẩn gắn vào bề mặt, chèn mạng lưới kết dính tế bào tiết Mạng lưới hỗn hợp polysaccharide, chứa protein chí acid nucleic Các biofilm bẫy chất dinh dưỡng để phát triển vi sinh giúp ngăn tế bào tách bề mặt nước chảy Biofilm chứa vào lớp có lỗ, tế bào lớp kiểm tra kính hiển vi quét laser đồng tiêu điểm Các biofilm chứa một, hai loài phổ biến chứa nhiều loài vi khuẩn Chẳng hạn biofilm tạo bề mặt chứa vài trăm giống loài khác gồm loài hai Bacteria Archaea Do vậy, biofilm cộng đồng vi sinh vật phát triển có chức không tế bào bị bẫy lại mạng lưới kết dính Có khác biệt phát triển vi sinh biofilm với tế bào lơ lửng môi trường Bất có bề mặt ngập chìm môi trường tự nhiên, phát triển biofilm dường luôn mạnh mẽ đa dạng so với phát triển tế bào tự lơ lửng môi trường lỏng xung quanh bề mặt Chẳng hạn như, tiêu thụ O quần thể gần bề mặt vượt khuếch tán O vào vùng sâu biofilm, vùng sâu biofilm trở nên kỵ khí, tạo điều kiện cho hình thành quần thể vi khuẩn kỵ khí kỵ khí tùy ý Hình 2: Các ví dụ biofilm vi sinh a) Mặt cắt ngang biofilm thực nghiệm tạo Pseudomonas aeruginosa b) Kính hiển vi quét laser tiêu điểm biofilm tự nhiên c) Biofilm vi khuẩn oxi hóa sắt Một đặc tính quan tâm cộng đồng vi sinh biofilm có khả dung nạp kháng sinh, chất kháng khuẩn khác Chẳng hạn có khả kháng lại chất kháng khuẩn gấp 1000 lần so với tế bào tự lơ lửng khác loài Lý khả dung nạp tốc độ phát triển chậm biofilm giảm khuếch tán chất kháng khuẩn qua mạng lưới ngoại bào, dạng biểu gene khác với bình thường Khả dung nạp với chất kháng khuẩn giải thích biofilm chịu tránh nhiệm trường hợp nhiễm trùng mạn tính khó điều trị hay điều trị được, khó triệt trừ phát triển bề mặt gây nghẽn hệ thống công nghiệp Sự hình thành biofilm Biofilm hình thành nào? Sự va chạm ngẫu nhiên tế bào với bề mặt tạo gắn dính tế bào lúc đầu, có kết dính khuyến khích tương tác hay nhiều cấu trúc tế bào bề mặt Các cấu trúc tế bào gồm phần phụ chứa protein (pili, tiên mao), protein bề mặt (như protein kết dính lớn Pseudomonas fluorescens), polysaccharide Sự gắn dính tế bào vào bề mặt tín hiệu để biểu cac gene đặc hiệu protein Gồm gene mã cho protein tổng hợp phân tử tín hiệu tế bào bắt đầu hình thành mạng lưới (Hình a) Một chuyển sang hình thành biofilm, tế bào tự tiên mao trở thành không di động Sự gắn dính (dính vài tế bào vào bề mặt rắn thích hợp) Tạo quần thể (thông tin tế bào, phát triển hình thành polysaccharide) Phát triển (sự phát triển hình thành polysaccharide nhiều hơn) a) b) Hình 3: Sự hình thành biofilm (a) Biofilms bắt đầu với việc gắn dính vài tế bào phát triển thông tin với tế bào khác Mạng lưới hình thành trở nên dày đặc biofilm phát triển (b) Ảnh vi thể biofilm nhuộm DAPI mà phát triển ống thép không rỉ ý kênh nước Mặc dù chế chưa phát hiện, vi khuẩn ‘cảm nhận’ bề mặt thích hợp việc hợp tác dẫn đến kiểu phát triển biofilm Việc chuyển từ tế bào phát triển tự sang phát triển biofilm sản xuất cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) tạo từ phân tử nucleotide guanosine triphosphate Hầu hết vi khuẩn sử dụng c-di-GMP chất chuyển thông tin thứ hai, phân tử truyền thông Chất truyền thông tin thứ hai phân tử điều hòa nội bào chuyển thông tin từ môi trường bên (thông tin thứ nhất) đến máy tế bào tạo đáp ứng thích hợp, gồm di chuyển, độc tính hình thành biofilm Trong chuyển đổi từ tế bào tự sang trạng thái phát triển tiên mao, c-di-GMP gắn vào protein, protein điều chỉnh hoạt tính motor tiên mao gắn vào enzyme tạo mạng lưới ngoại bào biofilm Nghiên cứu hình thành biofilm phát thấy trình truyền tín hiệu c-di-GMP kiểm soát theo chế riboswitches, điều hòa ARN thông tin, tương tác trực tiếp với c-di-GMP kiểm soát trình mã hay dịch mã gene đặc hiệu Tại vi khuẩn tạo biofilm? Ít có lý do: Đây cách tự đề kháng để gia tăng khả sống sót Biofilm kháng lại tác động vật lý mà loại bỏ vi khuẩn gắn yếu vào bề mặt Biofilm kháng lại thực bào hệ thống miễn dịch xâm nhập phân tử gây độc cho vi khuẩn kháng sinh Biofilm cho phép tế bào trì nơi thích hợp Biofilm gắn vào bề mặt giàu chất dinh dưỡng mô động vật, hay vào bề mặt dòng chảy, cố định tế bào vi khuẩn, định vị nơi giàu chất dinh dưỡng hay bổ sung liên tục Biofilm cho phép tế bào vi khuẩn sống gần hơn, thông tin tế bào – tế bào tốt hơn, tăng hội sống sót Hơn tế bào gần có nhiều hội việc trao đổi dinh dưỡng di truyền Cuối cùng, biofilm dường cách tế bào vi khuẩn phát triển tự nhiên Biofilm kiểu phát triển ‘đương nhiên’ tế bào nhân nguyên thủy môi trường tự nhiên, mà môi trường khác biệt nhiều mức dinh dưỡng so với môi trường nuôi cấy phòng thí nghiệm giàu chất dinh dưỡng Sự phát triển dạng tế bào tự thường thấy vi khuẩn thích nghi với môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng cực thấp Kiểm soát biofilm Biofilm có tác động mạnh đến sống người (sức khỏe, thương mại) Trong thể, tế bào vi khuẩn biofilm bảo vệ khỏi công hệ thống miễn dịch, kháng sinh tác nhân kháng khuẩn khác thường khó xâm nhập vào biofilm Bên cạnh bệnh ‘xơ hóa nang’, biofilm có tác động đến tình trạng sức khỏe bệnh nha chu, sỏi thận, lao, bệnh viêm phổi nhiễm khuẩn, nhiễm trùng Staphylococcus Các phận cấy ghép bề mặt lý tưởng để phát triển biofilm Gồm dụng cụ tạm thời, xông tiểu, lâu dài khớp nhân tạo Ước tính khoảng 10 triệu người năm nhiễm trùng biofilm thực nghiệm Mỹ từ phận cấy ghép hay thủ thuật y học can thiệp Các biofilm giải thích vệ sinh đường miệng quan trọng việc trì sức khỏe Mảng bám biofilm đặc thù chứa vi khuẩn sinh acid gây sâu Trong công nghiệp, biofilm khởi đầu phân hủy vật ngâm nước Sự an toàn nước uống bị ảnh hưởng biofilm hình thành đường ống, nhiều nơi lâu đời đến gần 100 năm Biofilm ống nước chứa vi sinh vật vô hại, tác nhân gây bệnh tạo quần thể biofilm, khử trùng chlor bình thường không giết chúng Giải phóng tác nhân gây bệnh đợt dẫn đến vụ dịch Vibrio cholerae, tác nhân gây bệnh tả, tăng sinh theo kiểu Cần quan tâm xử lý đường ống bề mặt để giữ chúng biofilm Hiện người ta quan tâm đến tác nhân kháng khuẩn ngăn ngừa hình thành biofilm tác động đến thông tin tế bào Nhóm chất furanones ý Furanones bền số không độc, sử dụng làm chất chống biofilm Việc hình thành màng sinh học thực phẩm kiểm soát cách thiết kế bề mặt thiết bị, kiểm soát nhiệt độ giảm chất dinh dưỡng hàm lượng nước; nỗ lực tập trung vào làm hiệu vi khuẩn có tiềm tăng trưởng Các vi khuẩn sản xuất màng sinh học thực phẩm phổ biến: Mặc dù nhiều loài vi khuẩn hình thành màng sinh học ngành công nghiệp thực phẩm, loài quan trọng liên quan đến an toàn thực phẩm liệt kê Các vi khuẩn sản xuất màng sinh học thực phẩm phổ biến thuộc chi Pseudomonas, Listeria, Enterobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Staphylococcus Bacillus Listeria monocytogenes L monocytogenes tác nhân gây bệnh lây qua thực phẩm với khả sinh trưởng môi trường lạnh ẩm ướt Đây môi trường lý tưởng cho hình thành màng sinh học Hình thức hình thành màng sinh học Listeria môi trường nhân tạo, tồn phát triển đa loài màng sinh học Sự tạo màng sinh học phổ biến L monocytogenes tìm thấy nhà máy chế biến thực phẩm có khả bám dính tốt đòi hỏi thời gian tiếp xúc ngắn cho tế bào đính kèm Để bắt đầu cho trình bám dính bề mặt, Listeria sử dụng roi, tiêm mao, protein màng tế bào; sau liên kết với thông qua màng sinh học hình thành Các nghiên cứu cho thấy tác nhân gây bệnh tạo màng sinh học bề mặt thiết bị đồ dùng thép khác Thực tế cho thấy màng sinh học yếu tố qua trọng vấn đề lây nhiễm chéo Các ngành công nghiệp sữa mô tả diện vi khuẩn Listeria có sữa sản phẩm từ sữa kết hợp với xuất dịch lâm sàng Khi màng sinh học hình thành, tồn dư sữa đường ống dẫn sữa nguồn cung cấp chất dinh dưỡng làm tăng cường phát triển màng sinh học Salmonella spp Trong số mầm bệnh nguy hiểm vi khuẩn Salmonella spp Theo Cơ quan An toàn thực phẩm châu Âu (EFSA), Salmonella spp nguyên nhân phổ biến bùng phát ngộ độc thực phẩm EU năm gần Một số nghiên cứu vi khuẩn Salmonella đính kèm hình thành màng sinh học bề mặt tìm thấy nhà máy chế biến thực phẩm bao gồm nhựa, xi măng, thép không gỉ Trên bề mặt Salmonella có chứa SEF-17 fimbriae, tạo điều kiện cho bám dính vào bề mặt tiếp xúc, tạo điều kiện cho tế bào màng sinh học có khả kháng với lực học Nghiên cứu gần trình hình thành màng sinh học cho thấy vi khuẩn Salmonella E coli, nhiều loài khác thuộc họ Enterobacteriaceae, sản xuất cellulose thành phần quan trọng mạng lưới ngoại bào vi khuẩn hình thành điều cần thiết cho tồn vi khuẩn môi trường Kết cho thấy khả hình thành màng sinh học giúp cho vi khuẩn bám dính kiên trì môi trường chế biến thực phẩm Escherichia coli Để hình thành màng sinh học, E coli sử dụng roi, tiêm mao, protein màng tế bào để bắt đầu tập tin đính kèm Sau dính vào bề mặt chúng roi tăng sản xuất chất ngoại bào cao phân tử Nghiên cứu cho thấy số chủng E coli O157: H7 phát triển kết việc tăng sản xuất exo-polissacharides curli màng sinh học Hơn nữa, chứng minh hình thành màng sinh học cung cấp kháng lớn để E coli O157: H7 tiếp xúc với giải pháp hypochlorite, chất khử trùng thường sử dụng ngành công nghiệp thực phẩm Pseudomonas spp Pseudomonads sinh vật hư hỏng phổ biến Chúng tìm thấy môi trường chế biến thực phẩm bao gồm cống sàn nhà, loại trái cây, rau, thịt bề mặt sản phẩm sữa axit thấp P aeruginosa coi mô hình cho nghiên cứu phát triển màng sinh học quy định cách đại biểu cảm biến Pseudomonas spp sản xuất số lượng dồi EPS chứng minh để đính kèm hình thành màng sinh học bề mặt thép không gỉ Họ tồn màng sinh học với vi khuẩn Listeria, Salmonella tác nhân gây bệnh tạo thành màng sinh học đa loài, ổn định khả chịu Campylobacter jejuni Mặc dù Campylobacter không nhân lên thức ăn, liều nhiễm tối thiểu thấp, so với tác nhân gây bệnh khác Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm Campylobacter có tiềm lớn để phổ biến trình xử lý thực phẩm cho người tiêu dùng làm tăng nguy lây nhiễm chéo Một chế tồn Campylobacter spp môi trường hình thành màng sinh học Campylobacter có khả sản xuất màng sinh học môi trường thủy sản, thép không gỉ bề mặt kính Vi môi trường tạo màng sinh học ngăn cản bất hoạt C jejuni diện oxy Nó chứng minh vi khuẩn tồn màng sinh học tuần 10 ° C, nghèo chất dinh dưỡng điều kiện không khí bình thường Khả C jejuni màng sinh học để phát triển nhanh điều kiện hiếu khí (20% O2) điều kiện microaerophilic (5% O2, 10% CO2), cho thấy lực vi sinh vật để thích nghi với điều kiện màng sinh học đại diện cho họ, hoạt động hồ chứa tế bào sống Những nghiên cứu nhấn mạnh vai trò màng sinh học trì Campylobacter môi trường thực phẩm chế biến, làm tăng nguy ô nhiễm Bacillus spp Bacillus spp tìm thấy nhà máy chế biến sữa Bacillus sống sót xử lý nhiệt tích tụ đường ống khớp môi trường xử lý Nếu chất lỏng nóng chảy liên tục bề mặt 16 giờ, vi khuẩn Bacillus vi khuẩn thermoduric khác tạo thành màng sinh học Kết luận Sự diện màng sinh học ngành công nghiệp thực phẩm vấn đề lớn công nghệ y tế công cộng Các đặc tính hình thức phát triển vi khuẩn màng sinh học liên quan đến trình khử trùng, làm Vì vậy, màng sinh học gây khó khăn cho sở chế biến thực phẩm chọn chiến lược cụ thể nhằm kiểm soát phát triển vi khuẩn Tài liệu tham khảo: C R Kokare*, S Chakraborty, A N Khopade and K R Mahadik 2009 Biofilm: Importance and applications Indian Journal of Biotechnology Vol 8, April 2009, pp 159-168 Michael T.Madigan et al., 2009 Biology of microorganisms Pearson Education Xianming Shi, Xinna Zhua, 2009 Biofilm formation and food safety in food industries Trends in Food Science & Technology 20:407-413