Bakteriyel Biyofilmler ve Faydalı Uygulamaları

𝗬𝗮𝘇𝗮𝗿: 𝗦𝗲𝗻𝗮 𝗧𝗲𝗸𝗶𝗻
𝗘𝗱𝗶𝘁𝗼̈𝗿: 𝗕𝗲𝘆𝘇𝗮𝗻𝘂𝗿 𝗘𝗸𝗲𝗻

𝗕𝗮𝗸𝘁𝗲𝗿𝗶𝘆𝗲𝗹 𝗕𝗶𝘆𝗼𝗳𝗶𝗹𝗺 𝗡𝗲𝗱𝗶𝗿?

Biyofilm oluşumu, bakterilerin zor koşullar altında koloni oluşumuna ve göç etmelerine olanak tanıyarak hayatta kalmalarını sağlayan önemli bir adaptasyondur [1]. Bakteriyel biyofilmler; bir yüzeye tutunmuş, ekstraselüler polisakkaritlerden oluşan eksopolisakkarit (EPS) ile kaplı bakteri kolonileri olarak tanımlanır [2]. Bakteriler, yaşam döngülerinde içinde bulundukları çevre koşullarına bağlı olarak planktonik (serbest) ve yerleşik (yüzeye tutunan/yapışan, 𝘐𝘯𝘨. 𝘴𝘦𝘴𝘴𝘪𝘭𝘦) form olmak üzere iki farklı formda bulunurlar. Planktonik form, bakterilerin bir yüzeye bağlı olmadan serbest olarak bulundukları durumdur. Yerleşik formda ise, bakterilerin bir yüzeye tutunarak bakteriyel biyofilmler oluşturdukları gözlemlenmiştir. [3]

𝗕𝗶𝘆𝗼𝗳𝗶𝗹𝗺 𝗢𝗹𝘂𝘀̧𝘂𝗺𝘂

Biyofilm oluşumu, beş aşamaya sahip bir döngü biçiminde açıklanabilir. İlk iki aşamada, bakterilerin yüzeye tutunmaları gerçekleşir. Birinci aşamada, az sayıdaki bakterinin yüzey ile teması sonrası zayıf etkileşimler aracılığıyla geri dönüşümlü tutunma gerçekleşir. İkinci aşamada, zayıf etkileşimlerin bir araya gelmesi birbirini iten güçler zayıflamasına sebep olur. Böylelikle, bakteriler bir araya gelip yüzeye tutunur ve geri dönüşümsüz tutunma gerçekleşir. Üçüncü aşama, EPS sentezi ile birlikte bakterilerin yüzeye tutunmaya başladıkları aşamadır ve mikrokoloniler gözlenir. Adezyondan hemen sonra yani mikroorganizmaların katı bir yüzeye tutunmasıyla birlikte EPS sentezi de artmaktadır ve adezyonu kuvvetlendirip bakterilerin yüzeyde kalabilmeleri adına oldukça önemlidir. Dördüncü aşamada ise, EPS'nin aracılık ettiği ilk biyofilm yapısının oluşmasından sonra üzerinde bulundukları yüzeye daha iyi tutunabilmek için, aynı ortamda bulunan aynı türe ait diğer bakteriler ve farklı türler de biyofilm yapısına dahil olur. Artan EPS sentezi, hücreler arası iletişim (𝘐𝘯𝘨. 𝘘𝘶𝘰𝘳𝘶𝘮 𝘚𝘦𝘯𝘴𝘪𝘯𝘨, QS) ve biyofilmlere özgü olan genlerin ekspresyonu sonucu mikrokoloni gelişimi ve olgunlaşması sağlanır. Biyofilm yapısı ince bir tabakadan üç boyutlu yapıya (mantar benzeri vb.) dönüşür. Son ve beşinci aşama, dağılım ve göç aşamasıdır. Oluşan koloniler yüzeyden ayrılarak yeniden planktonik forma kavuşur. Bu aşamadan sonra bakteriler, farklı bir konuma göç ederek yeni biyofilmler oluşturabilir. [3]

𝗕𝗶𝘆𝗼𝗳𝗶𝗹𝗺 𝘃𝗲 𝗘𝗸𝘀𝗼𝗽𝗼𝗹𝗶𝘀𝗮𝗸𝗸𝗮𝗿𝗶𝘁𝗹𝗲𝗿𝗶𝗻 𝗕𝗮𝗸𝘁𝗲𝗿𝗶𝗹𝗲𝗿 𝗶𝗰̧𝗶𝗻 𝗢̈𝗻𝗲𝗺𝗶

Biyofilm içindeki bakterilerin ultraviyole (UV) radyasyonu, metal toksisitesi ve susuzluk gibi çevresel koşullardan kaynaklanan hücresel strese planktonik formdaki bakterilerden daha dayanıklı oldukları belirtilmiş ve bu dayanıklılığı açıklamak için iki olası mekanizma önerilmiştir: Birinci açıklama, besinleri biyofilmlerin dış yüzeyinde kalan bakterilerin tüketmesi sonucunda iç kısımdaki bakterilerin uyku hâli (𝘐𝘯𝘨. 𝘥𝘰𝘳𝘮𝘢𝘯𝘵) benzeri, düşük metabolik aktivite ile artan direnç gösterdikleri bir hâl sürdürmeleridir. İkinci açıklama ise EPS matriksin, antimikrobiyal özellikteki maddeleri etkisiz hâle getirerek ya da parçalayarak biyofilme dayanıklılık kazandırmasıdır. [1]

EPS; antimikrobiyal ajanların biyofilm içine nüfuzunu sınırlandırarak bakterilere difüzyonunu engeller, oluşan biyofilm hücrelerine fiziksel koruma sağlar ve hücreleri antimikrobiyal maddelere karşı korur [3]. Ayrıca, bakteriler arası iletişimi artırarak biyofilm oluşumuna katkı sağlayan proteinlerin sentezini tetikler ve oksijen difüzyonunu da hızlandırarak bakterilerin yüzey üzerindeki yayılımını artırıp yüzeye tutunmalarını güçlendirir [3]. EPS içindeki karbonhidratlara ek olarak matrikste bulunan ekstraselüler DNA (eDNA) ve proteinler de biyofilme yapısal bütünlük kazandırır ve bakterilerin fagositoza uğramasına engel olur [1].

Bir biyofilmdeki mikrokoloniler, birbiriyle etkileşim hâlinde olan çeşitli bakteri türleri içerir ve sintrofi (𝘐𝘯𝘨. 𝘴𝘺𝘯𝘵𝘳𝘰𝘱𝘩𝘺) için olanak sağlar [3]. Sintrofi, metabolik özellikleri farklı olan iki ya da daha fazla bakteri türünün metabolitlerini birbirlerine aktardıkları mutualist¹ ilişkidir [5]. Bu etkileşimler besin alışverişi, metabolik ürünlerin aktarımı ve metabolik atıkların atılımı için önemlidir.

𝗕𝗶𝘆𝗼𝗳𝗶𝗹𝗺𝗹𝗲𝗿𝗱𝗲𝗻 𝗡𝗮𝘀ı𝗹 𝗙𝗮𝘆𝗱𝗮𝗹𝗮𝗻𝗮𝗯𝗶𝗹𝗶𝗿𝗶𝘇?

Biyofilmlerin yüzeye tutunma, matriks yapısı, mikrokoloni oluşumu ve heterojen metabolizma içeriği gibi özellikleri çeşitli alanlarda faydalı uygulamalar geliştirilmesine olanak sağlamıştır [6]. Bu alanlara biyolojik arıtma, tarım (Ing. agriculture) ve klinik tedavi yöntemleri örnek olarak verilebilir. İstenilen özelliklere sahip biyofilmlerin oluşumu, farklı yöntemlerle elde edilebilir: Çevresel koşulları yönetmek, fizyolojik strese sebep olan maddeleri ortama eklemek, biyofilm oluşturulacak yüzeyi hücre agregasyonu (𝘐𝘯𝘨. 𝘢𝘨𝘨𝘳𝘦𝘨𝘢𝘵𝘪𝘰𝘯) sağlayacak şekilde değiştirmek veya biyofilm oluşumunda görev alan genlerin ifade seviyelerini kontrol etmek tercih edilen yöntemlerdendir [7].

Biyofilmlerde bilimsel görüntüleme tekniği, karmaşık doğal sistemlerin analizi ve anlaşılması için büyük önem teşkil etmektedir. Yapılan çalışmalar, biyofilm karakterizasyonu için Taramalı Elektron Mikroskobu (𝘐𝘯𝘨. 𝘚𝘤𝘢𝘯𝘯𝘪𝘯𝘨 𝘌𝘭𝘦𝘤𝘵𝘳𝘰𝘯 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘴𝘤𝘰𝘱𝘦, SEM) veya standart mikrobiyolojik kültür teknikleri gibi araçlara dayanmaktadır [8]. Bu tekniklerden en sık karşılaşılan teknik olan SEM, 1980 yıllarında biyolojik örnekleri ve biyofilmleri görüntülemede kullanılan ilk mikroskobik teknikler arasındadır. Biyolojik örneklerin yüzey yapısının incelenmesinde kullanılmakla birlikte biyofilm çalışmalarında da sıklıkla kullanılmaktadır. Biyofilmler hakkındaki mevcut bilgilerin çoğunun asıl kaynağıdır ve mikrobiyal sistemleri ince yapısına kadar gösterebilen güçlü bir görüntüleme tekniğidir. [9]

Okyanus ve denizlerde biyolojik arıtmada kullanım için potansiyel oluşturan bir bakteri olarak 𝘈𝘭𝘤𝘢𝘯𝘪𝘷𝘰𝘳𝘢𝘹 𝘣𝘰𝘳𝘬𝘶𝘮𝘦𝘯𝘴𝘪𝘴 önerilmiştir. Bu bakterinin okyanusa atılan yağ kalıntıları çevresinde biyofilm oluşturarak yağ damlalarının parçalanmasını hızlandırdığı düşünülse de kanıtlanmamıştır ve bu alanda ileri araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır [10]. Tarım uygulamalarında, 𝘉𝘢𝘤𝘪𝘭𝘭𝘶𝘴 𝘴𝘶𝘣𝘵𝘪𝘭𝘪𝘴 gibi bitki kökleri çevresinde biyofilm oluşturup patojenlere karşı koruma sağlayan bakterilerin doğal gübre olarak kullanımı sağlanabilir [11]. Biyofilmlerin potansiyel olarak kullanılabileceği klinik uygulamalara örnek olarak ise nekrotizan enterokolit (NEC) hastalığı tedavisi verilebilir. NEC, prematüre bebekleri etkileyen, bağırsakta yetersiz bakteri çeşitliliği sonucu ortaya çıkan ölümcül bir hastalıktır [12]. NEC tedavisi için uygulanan 𝘓𝘢𝘤𝘵𝘰𝘣𝘢𝘤𝘪𝘭𝘭𝘶𝘴 𝘳𝘦𝘶𝘵𝘦𝘳𝘪 adlı bakteri içerikli probiyotikler, midenin asidik ortamında kısa sürede bozulduğundan tedavide yetersiz kalmaktadır [12,13]. Probiyotik tedavisinin etkisini artırmak için geliştirilen biyofilmlerin, deney koşullarında probiyotiklerin yaşama süresini ve bağırsak epitel hücrelerine tutunma oranını artırdığı gözlenmiştir [13].

𝗗𝗶𝗽𝗻𝗼𝘁
¹İki canlının herhangi birinin ya da ikisinin de diğer canlıya ihtiyaç duyduğu birliktelik, birlikte yaşam (𝘐𝘯𝘨. 𝘴𝘺𝘮𝘣𝘪𝘰𝘴𝘪𝘴) olarak adlandırılır. Birlikte yaşam çeşitlerinden olan mutualist ilişkide, iki taraf da karşılıklı fayda sağlar. [4]

𝗥𝗲𝗳𝗲𝗿𝗮𝗻𝘀𝗹𝗮𝗿
[1] Stoodley, P. Hall-Stoodley, L. Costerton, B. DeMeo, P. Shirtliff, M. Gawalt, E. Kathju, S. (2013). 5—Biofilms, Biomaterials, and Device-Related Infections. K, Modjarrad. S, Ebnesajjad (Ed.), 𝘏𝘢𝘯𝘥𝘣𝘰𝘰𝘬 𝘰𝘧 𝘗𝘰𝘭𝘺𝘮𝘦𝘳 𝘈𝘱𝘱𝘭𝘪𝘤𝘢𝘵𝘪𝘰𝘯𝘴 𝘪𝘯 𝘔𝘦𝘥𝘪𝘤𝘪𝘯𝘦 𝘢𝘯𝘥 𝘔𝘦𝘥𝘪𝘤𝘢𝘭 𝘋𝘦𝘷𝘪𝘤𝘦𝘴. (s.77–101). William Andrew Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-22805-3.00005-0
[2] Zhao, A. Sun, J. Liu, Y. (2023). Understanding bacterial biofilms: From definition to treatment strategies. 𝘍𝘳𝘰𝘯𝘵𝘪𝘦𝘳𝘴 𝘪𝘯 𝘊𝘦𝘭𝘭𝘶𝘭𝘢𝘳 𝘢𝘯𝘥 𝘐𝘯𝘧𝘦𝘤𝘵𝘪𝘰𝘯 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘣𝘪𝘰𝘭𝘰𝘨𝘺. 𝟣𝟥. https://doi.org/10.3389/fcimb.2023.1137947
[3] Sharma, S. Mohler, J. Mahajan, S.D. Schwartz, S.A. Bruggemann, L. Aalinkeel, R. (2023). Microbial Biofilm: A review on formation, infection, antibiotic resistance, control measures, and innovative treatment. 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘰𝘳𝘨𝘢𝘯𝘪𝘴𝘮𝘴. 𝟣𝟣(6). 1614. https://doi.org/10.3390/microorganisms11061614
[4] Dönmez, S. Çelik, M.A. (2017). Tek Taraflı Birliktelik (Kommensalizm), Karşılıklı Fayda Birlikteliği (Mutualizm) ve Asalaklık (Parazitizm) Üçgeninde İnsan-Doğa İlişkileri. 𝘐̇𝘯𝘴𝘢𝘯&𝘐̇𝘯𝘴𝘢𝘯. 𝟦(14). 301-313.
[5] Sieber, J.R. McInerney, M.J. Plugge, C.M. Schink, B. Gunsalus, R.P. (2010). Methanogenesis: Syntrophic metabolism. 𝘏𝘢𝘯𝘥𝘣𝘰𝘰𝘬 𝘰𝘧 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘤𝘢𝘳𝘣𝘰𝘯 𝘢𝘯𝘥 𝘓𝘪𝘱𝘪𝘥 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘣𝘪𝘰𝘭𝘰𝘨𝘺. 337–355. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77587-4_22
[6] Philipp, L.-A. Bühler, K. Ulber, R. Gescher, J. (2023). Beneficial applications of biofilms. 𝘕𝘢𝘵𝘶𝘳𝘦 𝘙𝘦𝘷𝘪𝘦𝘸𝘴 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘣𝘪𝘰𝘭𝘰𝘨𝘺. 𝟤𝟤(5). 276–290. https://doi.org/10.1038/s41579-023-00985-0
[7] Mukhi, M. Vishwanathan, A.S. (2022). Beneficial biofilms: A Minireview of strategies to enhance biofilm formation for biotechnological applications. 𝘈𝘱𝘱𝘭𝘪𝘦𝘥 𝘢𝘯𝘥 𝘌𝘯𝘷𝘪𝘳𝘰𝘯𝘮𝘦𝘯𝘵𝘢𝘭 𝘔𝘪𝘤𝘳𝘰𝘣𝘪𝘰𝘭𝘰𝘨𝘺. 𝟪𝟪(3). https://doi.org/10.1128/aem.01994-21
[8] Donlan, R.M. (2002). Biofilm: Microbial life on Surfaces. 𝘌𝘮𝘦𝘳𝘨. 𝘐𝘯𝘧𝘦𝘤𝘵. 𝘋𝘪𝘴. 𝟪(9). 881–890. Doi: https://doi.org/10.3201/eid0809.020063
[9] El Abed, S. Ibnsouda, S.K. Latrache, H. Hamadi, F. (2012). Scanning electron microscopy (SEM) and environmental SEM: suitable tools for study of adhesion stage and biofilm formation. Scanning Electron Microscopy. 𝘐𝘯𝘵𝘦𝘤𝘩𝘰𝘱𝘦𝘯. Doi: https://doi.org/10.5772/34990
[10] Prasad, M. Obana, N. Lin, S.-Z. Zhao, S. Sakai, K. Blanch-Mercader, C. Prost, J. Nomura, N. Rupprecht, J.-F. Fattaccioli, J. Utada, A.S. (2023). Alcanivorax borkumensis biofilms enhance oil degradation by interfacial tubulation. 𝘚𝘤𝘪𝘦𝘯𝘤𝘦. 𝟥𝟪𝟣(6659). 748–753. https://doi.org/10.1126/science.adf3345
[11] Gudynaite, D. Arnaouteli, S. Bamford, N.C. Kalamara, M. Stanley-Wall, N.R. (2022). Bacterial Biofilms: Did You Know They Can Help Us?. 𝘍𝘳𝘰𝘯𝘵. 𝘠𝘰𝘶𝘯𝘨 𝘔𝘪𝘯𝘥𝘴. doi: 10.3389/frym.2022.626305
[12] Brind’Amour, K. Dembeck, L. Georgiana, P. Storm, M. (2024). Biofilms: The Good, the Bad & the Groundbreaking. 𝘗𝘦𝘥𝘪𝘢𝘵𝘳𝘪𝘤𝘴 𝘕𝘢𝘵𝘪𝘰𝘯𝘸𝘪𝘥𝘦. https://pediatricsnationwide.org/2024/09/23/biofilms-the-good-the-bad-the-groundbreaking/
[13] Al-Hadidi, A. Navarro, J. Goodman, S.D. Bailey, M.T. & Besner, G.E. (2021). Lactobacillus reuteri in its biofilm state improves protection from experimental necrotizing enterocolitis. 𝘕𝘶𝘵𝘳𝘪𝘦𝘯𝘵𝘴. 𝟣𝟥(3). 918. https://doi.org/10.3390/nu13030918