Biyofilm: Yüzeyde Yaşayan Mikrobiyal Topluluk

Bakteriyel biyofilm (BF) terimi ilk olarak, 1978 yılında, Costerton ve meslektaşları tarafından bir yüzeye bağlı ve hücre dışı bir matrisle çevrelenmiş bakteriler tarafından hücre dışı polimerik maddelerin (EPS) salgılanmasıyla oluşan bir mikrobiyal topluluk olarak tanımlanmıştır. EPS, bakteriler tarafından üretilen polisakkaritler, proteinler, nükleik asitler, lipitler ve biyosürfaktanlardan oluşmaktadır.

Biyofilm teriminin tanımlanmasından bu yana, bakterilerin çoğunluğunun bu ekosistemlerde büyümek için doğal bir kapasiteye sahip olduğu açık hale gelmiştir. Maya gibi tek hücreli ökaryotlar da dahil olmak üzere çeşitli mikroorganizmaların ortak bir özelliği olan biyofilm oluşturma yeteneği, aynı zamanda doğada baskın bakteri üreme biçimi olarak da kabul edilmiştir. Buna ek olarak, biyofilmin içinde bakteriler, bağışıklık sisteminin saldırısı, protozoa yutulması ve antimikrobiyaller gibi çevresel streslerden korunarak çoğaldıkları için bir tür sağlıklı üreme alanı olarak da bahsedebiliriz. Biyofilm oluşumunun yaşam döngüsünde ve gelişiminin anlaşılmasında ilk ve en önemli örneği Pseudomonas aeruginosa‘dır ve bu bakteri ile yapılan araştırmalar sonucu ile ortaya çıkmıştır. Pseudomonas aeruginosa’nın bu yaşam tarzı, insanlarda ve hayvanlarda kronik enfeksiyonların ana nedeni olarak kabul edilmektedir.

Biyofilm Yaşam Döngüsü

Biyofilm oluşumu farklı aşamalardan meydana gelen döngüsel bir süreçtir. Biyofilm oluşturan türlerin biyofilm oluşum aşamalarının, türden bağımsız olarak farklı gelişim aşamaları ve genel özelliklerle benzediğini ortaya koymuştur. İlk olarak, biyofilm oluşumu birkaç planktonik hücrenin yüzeye bağlanmasıyla başlamakta ve bu bağlanma geri dönüşümlü ve geri dönüşümsüz olmak üzere iki aşamalı bağlanma yolu ile gerçekleşmektedir. Geri dönüşümlü bağlantı, elektrostatik ve hidrofobik etkileşimler ile ilk yüzey temasını sağlarken, hücreler sıklıkla sıvı faza geri dönme eğiliminde olduğu için etkileşim kararsız haldedir. Bu aşamada, ilk yüzey temasına öncelikle flagellum aracılık eder. Flagelluma ek olarak, pili (tip 1 pili ve tip IV pili gibi), kıvrımlı lifler ve antijen 43’ün (Ag43) bağlanmaya aracılık ettiği gösterilmiştir. Mikroskobik gözlemlerde hücreler geri dönüşümsüz bağlandığında, hareket etmeyi bırakırlar ve kendilerini yüzeye veya birbirlerine yapıştırmak için matris üretimini başlatırlar. Daha sonra hücreler alt tabakaya yapışır ve tüm hücreler alt tabaka ile temas halinde olacak biçimde yeni hücre kümeleri (koloniler) oluşturur. Flagellum gen ifadesinin kaybı ve biyofilm matris bileşenlerinin üretimi bu aşamaya geçiş ile çakışmaktadır. Hücre kümeleri olgunlaşır, kalınlaşır ve çoğalır. Hücre dışı polimerik madde matrisine gömülü haldedir. Biyofilmler, maksimum kalınlığa ulaşan kümelerden ve mikro kolonilerden açıkça belirgin halde olgunlaşmış bir hale gelmişlerdir (Şekil 1).

Biyofilmlerde Yapı Gelişimi ortamın şartlarına bağlıdır.

Farklı bakteri türleri aynı koşullar altında farklı biyofilm yapıları oluşturabilirken aynı bakteri türleri, farklı çevre koşullarında farklı biyofilm yapıları oluşturabilir. Örnek verecek olursak, Bazı araştırmacılar, P. aeruginosa‘nın glukoz ortamı ile sulanan akış odalarında büyüdüğünde mantar şeklinde mikro koloniler oluşturduğunu, sitrat ortamı ile sulanan akış odalarında büyüdüğünde düz biyofilmler oluşturduğunu göstermiştir (Şekil 2).

Biyofilm ve Sinyal Molekülleri

Sinyal molekülleri, türler arasında hücre içi ve hücreden hücreye iletişimi düzenleyen, bakteriyel hücre metabolizması sırasında üretilen metabolitlerdir. BF çalışmalarında en çok BF yapısı ve oluşumu araştırılmış olsada, son yıllarda özellikle BF ve sinyal molekülleri üzerine araştırmalar artış halindedir. Biyofilm oluşumu da dahil olmak üzere bakterilerin çok çeşitli aktiviteleri üzerinde düzenleyici işlevlere sahip sinyal moleküllerine örnek verecek olursak bunlar; Otoindükleyici-2 (AI-2), İndol, AHL (N-asil-homoserin lakton), AIP (otomatik indükleyici peptit) ve DSF (yayılabilir sinyal faktörü)’dır. AIP (otomatik indükleyici peptit) sinyal molekülü Gram pozitif bakterilerde hücre içi iletişiminde rol alan oligopeptitlerdir. Staphylococcus aureus bakterisi (Gram-pozitif bakteri) AIP sinyal molekülleri üzerine yapılan araştırmaların çoğunu kapsamaktadır. Düzenleyici geni Agr’dir ve S. aureus dört çeşit AIP (I ila IV) salgılayan dört Agr sistemine sahiptir. Her AIP spesifik olarak aynı kökenli reseptörünü aktive etmektedir. BF yapışmasının S. aureus tarafından uyarılması, Agr aracılı QS (Quorum Sensing) sistemi tarafından meydana gelmektedir. Agr, fenolde çözünür modulin (PSM) sentezini ve proteaz ekspresyonunu düzenler ve bunun sonucunda olgun evredeki BF’lerin çökmesi kolaylaşır.

Sinyal molekülleri, bakterilerin büyüdüğü ortamı düzenler. Son yıllarda BF oluşumunu düzenleyen moleküllerin tanımlanmasında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Ek olarak BF oluşumu, QS, c-di-GMP ve TCS‘ler tarafından kombine şekilde düzenlenir. Bu bağlamda, QS, TCS ve c-di-GMP ile ilişkili sinyal molekülleri, bakteriyel BF’leri incelemek için araştırma araçları olarak kullanılmaya başlamıştır ve önemi günden güne artmaktadır. QS, c-di-GMP ve TCS’nin BF oluşumunu düzenlediği mekanizmaları hakkında çalışmaların yapılması ve keşfedilmesi, BF oluşumuna müdahale eden yeni hedef ilaçların geliştirilmesinde ve şiddetli kalıcı enfeksiyonlar için etkili tedaviler için büyük öneme sahiptir.

Biyofilm Gelişimi ile QS (Quorum sensing) Arasındaki İlişki

Bakteriler, kendi kendilerine yeterli olsalar bile, biyolüminesans üretimi, biyofilm geliştirme ve ekzoenzim salgılama gibi faaliyetleri gerçekleştirmek için kordinasyonda yardımcı olacak bir sisteme ihtiyaç duyarlar. Bu devrede araya, çekirdek algılama (QS) adı verilen bir hücreden hücreye iletişim mekanizmasında yardımcı olan çekirdek algılama sistemi girer.  QS, bakteri topluluğundaki salgıladığı belirli bir sinyal molekülünün birikimini ölçerek bakterilere popülasyon yoğunluğunu tanıma kapasitesinde sorumludur.

Biyofilm Dağılımı

Peki oluşturdukları biyofilm içinde bakterilerin birçok avantajı varken ve bazı etkenlerden korunuyorken neden dağılırlar? Basitçe anlatmak gerekirse, bir biyofilmde olmak her zaman avantajlı olmayabilir. Biyofilm yapısı içinde farklı konumlarda olan bakteriler, hücre dışı sinyal moleküllerinin yanı sıra besin kaynakları, oksijen ve atık ürünlerin (oksijeni tükenmiş bölgelerde fermantasyon tarafından üretilen asitler gibi) konsantrasyon gradyanları ile karşılaşırlar. Biyofilmin boyutu arttıkça, bu kimyasal gradyanlar daha da yükselir, bu da kaynaklara tekdüze olmayan erişimin artmasıyla sonuçlanır ve alt popülasyonların oluşumuna katkı sağlamaktadır. Bu duruma  ek olarak, devam eden biyofilm büyümesi, kimyasal gradyanları daha da şiddetli bir hale getirir, beslenme rekabeti başlar (Şekil 4).

Sınırlayıcı oksijen koşulları altında, anaerobik denitrifikasyon nitrik oksit (NO) oluşumuna yol açabilmektedir. Bakterilerin NO’ya maruziyeti sonucunda hücresel bis-(3′-5′)-siklik dimerik guanozin monofosfat (c-di-GMP) seviyelerinde azalma meydana gelir ve bu sebeple hareketlilik ve dağılım artmış olur.  Ayrıca NO, süperoksit ile reaksiyona girerek hücre toksik radikali ONOO-‘yi oluşturabilmektedir. ONOO– hücresel hasara, bakteriyofaj indüksiyonuna ve hücre lizisine sebebiyet vermektedir.

c-di-GMP seviyelerin değişimi biyofilm boyunca sürekli değişiklik göstermektedir ve en düşük c-di-GMP seviyesi biyofilm iç kısmında tespit edilmektedir. c-di-GMP seviyelerindeki düşüklük, artan hareketlilik, artan ilaç duyarlılığı, ancak azalan yapışkanlık ve matris üretimi dahil olmak üzere genellikle planktonik büyüme modu ile ilişkili fenotiplerin ortaya çıkması ile sonuçlanmaktadır.

Biyofilm ile İlişkili Enfeksiyonlar

Cihaz-Araç İlişkili Enfeksiyonlar

• Kontak lens 
• Kalp pilleri Santral venöz kateter 
• Yapay kalp kapakları 
• Periton diyaliz kateteri 
• Protez eklemler 
• Santral venöz kateter 
• Üriner kateterler 
• Ses protezleri 
• Rahim içi araçları

Cihaz-Araç İlişkisiz Enfeksiyonlar

• Orta kulak enfeksiyonları
• Sinüzit
• Yara ve kronik deri enfeksiyonları
• Vajina enfeksiyonları
• Osteomiyelit
• Periodontitis

Biyofilm Oluşturan Bakteriler

• Salmonella
• Staphylococcus
• Pseudomonas
• Listeria
• Compylobacter jejuni
• Bifidobacterium
• Yersinia
• Bacillus
• Escherichia
• Candida
• Acinetobacter baumannii
• Lactobacillus
• Clostridium perfringens

Kısaltmalar Listesi

BF: Bakteriyel biyofilm

QS: Çekirdek algılama (quorum sensing)

EPS: Hücre dışı polimerik maddeler

c-di-GMP: Siklik dimerik guanozin monofosfat

TCS: İki bileşenli sistemler

NO: Nitrik oksit

DSF: Yayılabilir sinyal faktörü

ONOO-: Peroksinitrit

Referanslar:

1. Wang, Y., Bian, Z., & Wang, Y. (2022). Biofilm formation and inhibition mediated by bacterial quorum sensing. Applied Microbiology and Biotechnology, 106(19-20), 6365-6381.
2. Schilcher, K., & Horswill, A. R. (2020). Staphylococcal biofilm development: structure, regulation, and treatment strategies. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 84(3), e00026-19.
3. Papenfort, K., & Bassler, B. L. (2016). Quorum sensing signal–response systems in Gram-negative bacteria. Nature Reviews Microbiology, 14(9), 576-588.
4. Hobley, L., Harkins, C., MacPhee, CE ve Stanley-Wall, NR (2015). Giving structure to the biofilm matrix: an overview of individual strategies and emerging common themes.FEMS mikrobiyoloji incelemeleri, 39 (5), 649-669.
5. Rumbaugh, K. P., & Sauer, K. (2020). Biofilm dispersion. Nature Reviews Microbiology, 18(10), 571-586.
6. Ghafoor, A., & Javed, A. (2014). Pseudomonas aeruginosa biofilm: role of exopolysaccharides in the function and architecture of the biofilm. Journal of Infection and Molecular Biology, 2(4), 61-73.
7. Kostakioti, M., Hadjifrangiskou, M., & Hultgren, S. J. (2013). Bacterial biofilms: development, dispersal, and therapeutic strategies in the dawn of the postantibiotic era. Cold Spring Harbor perspectives in medicine, 3(4), a010306.
8. Klausen, M., Heydorn, A., Ragas, P., Lambertsen, L., Aaes‐Jørgensen, A., Molin, S., & Tolker‐Nielsen, T. (2003). Biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa wild type, flagella and type IV pili mutants. Molecular microbiology, 48(6), 1511-1524.
9. Tolker-Nielsen, T. (2015). Biofilm development. Microbial Biofilms, 51-66.
10. Bordi, C., Lamy, MC, Ventre, I., Termine, E., Hachani, A., Filet, S., … & Filloux, A. (2010). Regulatory RNAs and HptB/RetS signaling pathways fine-tune the pathogenesis of Pseudomonas aeruginosa. molecular microbiology, 76 (6), 1427-1443.
11. Yi, L., Li, J., Liu, B., & Wang, Y. (2019). Advances in research on signal molecules regulating biofilms. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 35(8), 130.
12. Novick, RP ve Geisinger, E. (2008). Nucleus detection in staphylococci. Annual review of genetics, 42 , 541-564.
13. Solano, C., Echeverz, M., & Lasa, I. (2014). Biofilm dispersion and quorum sensing. Current opinion in microbiology, 18, 96-104.
14. Liao, J., Schurr, MJ ve Sauer, K. (2013). The MerR-like regulator BrlR confers biofilm tolerance by activating multidrug efflux pumps in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Bakteriyoloji Dergisi , 195 (15), 3352-3363.

Kapak görsel: https://www.flickr.com/photos/nihgov/