thumb|right|200px|Katéteren megtelepedett Staphylococcus aureus biofilm A biofilm vagy biohártya mikroorganizmusok egy felületen összetapadt, egybefüggő bevonatot képező sejtjeiből áll (a felülethez nem, csak egymáshoz tapadt sejtek mikrobapelyhet alkotnak). A sejtek gyakran az általuk termelt, nyálkának is nevezett extracelluláris polimer anyagokba (extracellular polymeric substance, EPS) ágyazódva helyezkednek el. Ez sejten kívüli DNS-ből, fehérjékből, poliszacharidokból áll. Biofilmek előfordulnak élő és élettelen felszínen, természetes, ipari vagy kórházi környezetben egyaránt. A biofilmben élő mikrobák fiziológiailag különböznek ugyanazon faj sejtenként szabadon úszó (planktonikus) állapotától.
A bevonat vastagsága néhány mikrométertől a fél méterig terjedhet, és benne több baktériumfaj, valamint a protiszták és az archeák csoport képviselői is előfordulhatnak. A bevonatban élő baktériumok sejtjei és a sejten kívüli komponensek bonyolult módon rendeződnek el, másodlagos struktúrákat, például mikrokolóniákat hoznak létre, melyeken keresztül csatornák rendszere biztosítja, hogy a tápanyagok megfelelő módon jussanak el az egyes sejtekhez. Természetes körülmények között, mint például a földben és a növények felületén a baktériumok többsége bevonatot alkotva található meg.
A biohártya fontos tényezője a krónikus bakteriális fertőzéseknek, vagy a beültetett orvosi eszközöknél fellépő fertőzéseknek, mert a baktériumokat megvédi, így sokkal nehezebben pusztíthatók el, mint az egyedi sejtek, hiszen a folyadékok, gőzök nagyon nehezen hatolnak be a biofilm belsejébe.EurekAlert!: A pesky bacterial slime reveals its survival secrets
A mikrobák több körülménytől függően alakítanak ki biofilmet: ezek közé tartozik a specifikus vagy nemspecifikus kötődési helyek felismerése egy felületen, a tápanyagbőség vagy akár a gátló hatásúnál kisebb koncentrációjú antibiotikumnak való kitettség. (primary source) Amikor az egysejtű átáll a biofilmre jellemző növekedési módra, fenotípusos változáson megy át, melynek során génjei nagy csoportjainak a szabályozása változik meg.
Kialakulásának okai A biofilmek kialakulásának Jefferson szerint négy fő oka van:
Védekezés: A biofilmben élő szervezetek kevésbé érzékenyek környezetük változásaira (időszakos tápanyaghiány, pH-változások, antimikrobiális ágensek). Kedvező körülmények kihasználása: A biofilmek révén a mikrobák le tudnak horgonyozni a számukra kedvező mikroélőhelyeken. Közösségi lét előnyei: A közösségi lét olyan előnyöket jelent a mikroorganizmusok számára, mint a metabolikus terhek megosztása (pl. xenobiotikumok kometabolizmusa) vagy a horizontális génátvitel lehetősége. A biofilmben élő mikrobiális közösség ökológiai potenciálja túlszárnyalja a közösséget alkotó egyes fajok képességeinek összegét. Elsődleges életforma: Számos mikrobának a biofilm a primer életformája, a planktonikus lét csupán a kedvezőtlen időszakokra jellemző.
Fejlődésmenete thumb|300px|A biofilm fejlődésének öt lépése: (1) Elsődleges megkötődés, (2) Irreverzibilis kötődés, (3) Biofilm érése I, (4) Biofilm érése II és (5) Visszaalakulás. Minden lépcsőfokhoz egy ábra és a P. aeruginosa biofilm egy azonos méretarányú mikroszkópos felvétele kapcsolódik.A biofilm fejlődésének öt nagy lépcsőfoka (lásd még jobbra az illusztrációt): Planktonikus sejtek elsődleges megkötődése a hordozón (primer asszociáció) Irreverzibilis kötődés Biofilm érése I Biofilm érése II Visszaalakulás planktonikus formába/szétszóródás
A biofilm képződésekor először is a szabadon úszó mikroorganizmusok valamilyen felülethez tapadnak. Az elsődleges megkötődés létrejöttében a sejtek szilárd felszínek iránti „vonzalmán” kívül a hordozók hidrofób vagy hidrofil tulajdonságai, a kemotaxis és a felszínek közelében kialakuló speciális turbulenciaviszonyok is szerepet játszanak. A „kolónia” első sejtjei gyenge, könnyen elszakítható módon, van der Waals-erőkkel kötődnek a felülethez. Ha nem sodorja le semmi őket, permanensen lehorgonyozhatják magukat sejtadhéziós struktúráikkal, pl. pilusokkal.JPG Images: niaid.nih.gov erc.montana.edu Az első kolonista sejtek előkészítik a többiek letelepedését adhéziós kötőhelyek nyújtásával, és a szukcesszió következő lépéseként megkezdik a biofilmet összetartó EPS nyálka termelését. A növekvő mennyiségű EPS barrier közeget alakít ki, amely védelmet nyújt, valamint a térhatás és a korlátozott tápanyag-diffúzió miatt le is lassítja a sejtek növekedését és osztódását. Egyes fajok nem képesek önállóan a felülethez rögzülni, de a nyálkához vagy a korai kolonista sejtekhez igen. A kolonizáció során jelenik meg a quorum sensinggel való kommunikáció képessége olyan jelzőmolekulák segítségével, mint az N-acil-homoszerin laktonok (AHL). A kolonizáció kezdete után a biofilm növekedését újabb mikroorganizmusok lehorgonyzása és már letelepedett sejtek osztódása adja. A biofilmképződés utolsó stációja az érés, aminek során a biofilm teljesen kialakul, és ettől kezdve leginkább csak formájában, méretében változik. Az érés folyamán a biofilmmátrixban csatornák keletkeznek a víz és a tápanyagok diffúziójának elősegítésére, létrejön a biofilm jellegzetes szerkezete. A biofilm kialakulása az összetapadt sejtkolóniát vagy -kolóniákat magas antibiotikum-ellenállással képes felruházni. Az utolsó fázisban a biofilmekben élő sejtek kiszakadnak a mátrixból, és újra planktonikussá válnak. Tápanyaghiány esetén EPS-bontó enzimeket termelve annak alkotóelemeit tápanyagként képesek felhasználni.
Szétszóródás A biofilm-kolónia sejtjeinek szétszóródása a biofilm életciklusának fontos része. A szétszóródás lehetővé teszi, hogy a biofilm terjedjen, új felületeket hódítson meg. A diszperzióban szerepe lehet a nyálkát lebontó enzimeknek, mint a dispersin B vagy a dezoxiribonukleáz. A biofilmmátrixot lebontó enzimek hasznosak bizonyulhatnak a biofilmek elleni védekezésben is.
Újabb keletű bizonyítékok szerint egy zsírsavalapú hírvivő molekula, a cisz-2 decenoic-sav (cis-2-decenoic acid) képes gátolni biofilm-kolóniák növekedését, vagy kiváltani a szétszóródásukat. A Pseudomonas aeruginosa által kiválasztott vegyület több baktériumfaj, illetve a Candida albicans élesztő alkotta biofilmekben képes szétszóródást indukálni.
Jellemzői A biofilmek általában víz alá merült, vagy vizes oldatban ázó aljzaton találhatók meg, de előfordulnak vízfelületen úszó szőnyeg formájában, vagy magas páratartalom mellett a levelek felületén. Tápanyagbőség esetén gyorsan makroszkopikus (szabad szemmel észrevehető) méretekre nőhet. A biofilmek sok különböző fajta mikroorganizmusból állhatnak, például baktériumok, archeák, protozoák, gombák és algák is elfordulhatnak bennük, mindegyik csoport specializált anyagcsere-funkciót lát el a biofilmben. Egyes mikroorganizmusok speciális körülmények között egyetlen fajból álló biofilmet is képesek alkotni.
Az extracelluláris mátrix A biofilmet a sejtek által termelt polimereket tartalmazó, nyálkának is nevezett extracelluláris mátrix (exopoliszacharid, EPS) tartja össze és védi a külső behatásoktól. A mátrix a sejteket védi, egyben lehetővé teszi köztük a biokémiai jelzésekkel történő kapcsolattartást. Egyes biofilmek vízcsatornákat tartalmaznak, melyek segítik a tápanyagok és a jelző molekulák továbbítását. A mátrix anyaga elég erős ahhoz, hogy bizonyos feltételek fennállása esetén akár fosszilizálódjon.
Az érett biofilmeket 97%-ban víz alkotja, melynek egy része a sejtekben található. Maguk a sejtek mindössze 2-15%-át adják a biofilm szárazanyag-tartalmának. Az EPS alkotói főleg poliszacharidok (vegyesen homo- és heteropoliszacharidok semleges vagy polianionos töltéssel), de a szerkezet felépítésében sejtlízisből származó fehérjék, és nukleinsavak is részt vesznek, melyek extracellulárisak is lehetnek.
A biofilmben élő baktériumok jelentősen különbözhetnek ugyanazon faj szabadon úszó példányaitól, mivel a zsúfoltabb, védettebb környezetben megnyílik az interakció és kooperáció lehetősége köztük. A környezet egyik előnye a tisztítószerekkel és antibiotikumokkal szembeni védelem, mivel a sűrű extracelluláris mátrix és a külső sejtréteg megvédi a közösség belső sejtjeit. Egyes esetekben az antibiotikum-ellenállás akár az ezerszeresére is megnőhet. Sűrűn előfordul a biofilmben a laterális géntranszfer is, ami stabilabb biofilmstruktúrához vezet.
A biofilmek nem minden esetben védettebbek az antibiotikumokkal szemben. A Pseudomonas aeruginosa biofilm formájában sem ellenállóbb az antimikrobiális szerekkel szemben, mint a planktonikus sejtek; bár a logaritmikus fázisban lévő planktonikus sejteknél nagyobb ellenállást mutatnak. A rezisztencia oka a bakteriális növekedés veszteglő fázisában lévő sejtkultúráknál és a biofilmben élő sejteknél is az éppen szunnyadó állapotban lévő, így anyagcserét nem folytató, ezért rezisztens (persister=kitartó) sejtek jelenléte lehet.
Példák thumb|Biofilm a Yellowstone Nemzeti Parkban. A képen látható leghosszabb baktériumszőnyeg-darab mintegy fél méteres. right|thumb|Biofilm a Norris Gejzír Medencében a Yellowstone Nemzeti Parkban. Balra algák, jobbra baktériumok A biofilmek mindenütt jelen vannak. Nem csak a baktériumok és az archeák, de a mikroorganizmusok szinte minden faja képes valamilyen módon rögzülni a felszínhez vagy egy másik példányhoz. Nem steril, nedves vagy erősen párás környezetben szinte minden állandó felszínen képződhet biofilm. Biofilmek találhatók a legtöbb folyómeder kavicsain és kövein, gyakran a posványok felszínén is. Valójában a biofilmek a folyóvizek táplálékláncának fontos alkotóelemei, mivel a sok hal táplálékául szolgáló vízi gerinctelen állat legeli őket. A biofilmek a legszélsőségesebb körülmények között is kialakulnak: a hévforrások rendkívül forró, sós, erősen lúgos vagy savas vizeitől a fagyos gleccserekig. Emberi lakókörnyezetben biofilmek leginkább a zuhanyzóban képződnek, a kedvező nedves és meleg klíma miatt. Megtalálhatók a vízvezetékek és a csatorna csöveiben, ahol dugulást és korróziót okozhatnak. A padlón vagy a pultokon megtelepedett biofilmek megnehezíthetik az étel-előkészítő helyiségek higiéniájának biztosítását. A fűtő, illetve klímaberendezésekben képződött biofilm csökkenti a hőtranszfer hatékonyságát. A tengermérnöki rendszerek, mint a tengeri olaj- és gázvezetékek biofilmjei jelentős korróziós gondokat okozhatnak. Bár a korróziót zömmel abiotikus tényezők okozzák, legalább 20%-a visszavezethető a fémfelületre rakódott mikroorganizmusok tevékenységére. A hajótesthez tapadó baktériumok az első lépcsőt jelentik a tengerjáró hajók élő anyag okozta elszennyeződésében. Miután a biofilm kialakult, más tengeri élőlények, például kacslábú rákok már könnyebben megtelepedhetnek. A vízi járművet a lerakódások akár 20%-zal is lelassíthatják, ami meghosszabbítja a tengeri utakat és megnöveli az üzemanyagigényt. A szárazdokkban újrafestéssel töltött idő drágítja a tengeri szállítást, a hajók élettartama pedig csökken a korrózió, és az élőlények hajótestről való mechanikai eltávolítása (lekaparása) miatt. A biofilmeknek építő jellegű felhasználásai is vannak. Például sok szennyvíztisztítónak van olyan szennyvízkezelési üteme, ahol a megtisztítandó víz szűrőkre növesztett biofilmeken halad át, melyek kivonják és lebontják a szerves összetevőket. Ezekben a biofilmekben a baktériumok a szerves anyagok eltávolítására szolgálnak (lásd még: biokémiai oxigénigény), a protozoák és kerekesférgek pedig a vízben lebegő szilárd részecskéket, köztük patogénenek és más mikroorganizmusokat távolítanak el. A szintén a biofilmekre épülő lassú homokszűrőt a tavi vagy folyami felszíni vizek ivásra alkalmassá tételére használják. Amit tiszta ivóvíznek tekintünk, az valójában ezen mikroorganizmusok számára hulladék, amiből már nem képesek több tápanyagot kiszűrni.