バイオフィルムは、多くの異なる表面で成長できる1つ以上のタイプの微生物の集合体です。バイオフィルムを形成する微生物には、細菌、真菌、および原生生物が含まれます。
歯の表面に形成される粘液性の細菌の蓄積であるバイオフィルムの歯垢の1つの一般的な例。池のスカムは別の例です。バイオフィルムは、ミネラルや金属で成長していることがわかっています。彼らは水中、地下、地上で発見されました。それらは、植物組織および動物組織、ならびにカテーテルおよびペースメーカーなどの移植された医療機器で成長することができます。
これらの個別の表面には、共通の定義機能があります。つまり、濡れています。 Microbe Magazineに掲載された2007年の記事によると、これらの環境は「定期的または継続的に水で満たされています」。バイオフィルムは、湿った表面や濡れた表面で繁殖します。
バイオフィルムは、非常に長い間、そのような環境に定着しています。 Nature Reviews Microbiology誌に掲載された2004年の記事によると、バイオフィルムの化石の証拠は約32億5000万年前にさかのぼります。たとえば、オーストラリアのPilbara Cratonの32億年前の深海熱水岩にバイオフィルムが見つかりました。同様のバイオフィルムは、温泉や深海のベントなどの熱水環境で見られます。
バイオフィルム形成
バイオフィルムの形成は、バクテリアなどの浮遊性微生物が適切な表面に接触し、いわば根を下ろし始めると始まります。モンタナ州立大学の生物膜工学センターによると、付着のこの最初のステップは、微生物が細胞外高分子物質（EPS）として知られているねばねばした物質を生成するときに起こります。 EPSは、糖、タンパク質、および核酸（DNAなど）のネットワークです。それは、バイオフィルム内の微生物がくっつくことを可能にします。
愛着の後に成長の期間が続きます。微生物とEPSのさらなる層が最初の層の上に構築されます。 Center for Biofilm Engineeringによると、最終的には球根状の複雑な3D構造が作成されます。微生物の記事によると、水路はバイオフィルムを交差し、栄養素や老廃物の交換を可能にします。
複数の環境条件は、バイオフィルムが成長する程度を決定するのに役立ちます。これらの要因は、それが数層の細胞のみで構成されているのか、それとも大幅に多いのかを決定します。 「それは本当にバイオフィルムに依存している」とモンタナ州立大学ボーズマン校の化学および生物工学科の教授であるロビン・ジャーラックは言った。たとえば、大量のEPSを生産する微生物は、たとえ多くの栄養素にアクセスできなくても、かなり厚いバイオフィルムに成長する可能性があると彼は言った。一方、酸素に依存する微生物の場合、利用可能な量によって、微生物が増殖できる量が制限される可能性があります。別の環境要因は、「せん断応力」の概念です。 「クリークのようにバイオフィルム全体に非常に高い流れがある場合、バイオフィルムは通常かなり薄いです。池のようにゆっくり流れる水の中にバイオフィルムがある場合、非常に厚くなる可能性があります」とゲルラッハは説明した。
最後に、バイオフィルム内の細胞は、ひだを離れ、新しい表面に定着することができます。細胞の塊が壊れるか、個々の細胞がバイオフィルムから破裂して新しい家を探すかのいずれかです。 Center for Biofilm Engineeringによれば、この後者のプロセスは「種まき散布」として知られています。
なぜバイオフィルムを形成するのですか？
微生物にとって、バイオフィルムの一部として生きることは、いくつかの利点があります。 「微生物のコミュニティは通常、ストレスに対してより弾力性がある」とゲルラッハはLive Scienceに語った。潜在的なストレッサーには、水の欠如、高または低pH、または抗生物質、抗菌剤、重金属などの微生物に有毒な物質の存在が含まれます。
バイオフィルムの耐性については、多くの説明が考えられます。たとえば、ぬるぬるしたEPSカバーは保護バリアとして機能します。脱水症状を予防したり、紫外線（UV）を遮断したりします。また、抗菌剤、漂白剤、金属などの有害物質がEPSと接触すると、結合または中和されます。したがって、Nature Reviews Microbiologyの2004年の記事によれば、バイオフィルムの深部にあるさまざまな細胞に到達する前に、致死的でない濃度に希釈されます。
それでも、特定の抗生物質がEPSに浸透し、バイオフィルムの層を通過する可能性があります。ここでは、別の保護メカニズムが作用する可能性があります。生理的に休止している細菌の存在です。すべての抗生物質がうまく機能するためには、ある程度の細胞活性が必要です。したがって、細菌がもともと生理学的に休止状態にある場合、抗生物質が破壊することはあまりありません。
抗生物質に対する別の保護方法は、「持続菌」として知られる特殊な細菌細胞の存在です。そのような細菌は分裂せず、多くの抗生物質に耐性があります。生物学のコールドスプリングハーバーパースペクティブズ誌に掲載された2010年の記事によると、「持続剤」は、抗生物質の標的を遮断する物質を生成することによって機能します。
一般に、バイオフィルムとして共存する微生物は、さまざまなコミュニティメンバーの存在から恩恵を受けます。ゲルラッハは、バイオフィルムに共生する独立栄養微生物と従属栄養微生物の例を挙げた。光合成細菌や藻類などの独立栄養生物は、有機（炭素含有）材料の形で独自の食品を生産できますが、従属栄養生物は独自の食品を生産できず、外部の炭素源を必要とします。 「これらの複数の生物のコミュニティでは、彼らはしばしば相互摂食する」と彼は言った。
バイオフィルムと私たち
私たちがバイオフィルムに遭遇する環境の範囲が広いことを考えると、それらが人間の生活の多くの側面に影響を与えるのは当然のことです。以下にいくつかの例を示します。
健康と病気
長年にわたって研究が進んでいるため、細菌や真菌などのバイオフィルムは、さまざまな健康状態に関係しているとされています。 2002年に助成金申請を求める声明で、国立衛生研究所（NIH）は、バイオフィルムが「体内の微生物感染の80％以上を占めている」と述べました。
バイオフィルムは、人工心臓弁、人工関節、カテーテル、ペースメーカーなどの埋め込み型医療機器で成長します。これは次に感染につながります。この現象は、静脈内カテーテルやペースメーカーで細菌のバイオフィルムが発見された1980年代に初めて注目されました。 Nature Reviews Microbiologyの2004年の記事によると、他の感染症の中でも、細菌性バイオフィルムは嚢胞性線維症の人に感染性心内膜炎と肺炎を引き起こすことが知られています。
スタンフォード大学の微生物学および免疫学の教授であるAC Matin氏は、「バイオフィルムの形成が大きな懸念材料である理由は、バイオフィルム内では、細菌が抗生物質やその他の主要な消毒剤に対して耐性があるためです」大学。実際、微生物の記事によると、浮遊性細菌と比較すると、バイオフィルムとして成長する細菌は、抗生物質や他の生物学的および化学的薬剤に対して最大1,500倍耐性がある可能性があります。 Matinは、細菌間の抗生物質耐性の一般的な増加と組み合わされたバイオフィルム耐性を「ダブルワーミー」および感染症の治療への主要な課題として説明しました。
真菌のバイオフィルムはまた、埋め込まれたデバイスで成長することによって感染症を引き起こす可能性があります。属のメンバーなどの酵母種 カンジダ Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine誌に掲載された2014年の記事によると、乳房インプラント、ペースメーカー、人工心臓弁で成長します。 カンジダ 種は人体組織でも成長し、膣炎（膣の炎症）や中咽頭カンジダ症（口や喉に発生する酵母感染症）などの疾患を引き起こします。しかし、著者らは、これらの例では薬剤耐性は示されなかったと述べています。
バイオレメディエーション
時々、バイオフィルムは有用です。 「バイオレメディエーションとは、一般に、有害な化合物を処理または分解するための、生物またはその産物-例えば酵素-の使用である」とゲルラッハ氏は述べた。彼は、バイオフィルムは廃水、クロム酸塩などの重金属汚染物質、TNTなどの爆発物、およびウランなどの放射性物質の処理に使用されると指摘しました。 「微生物はそれらを分解するか、またはそれらの移動性またはそれらの有毒な状態を変えることができ、したがってそれらを環境および人間への害を少なくすることができる」と彼は言った。
バイオフィルムを使用した硝化は、廃水処理の一形態です。硝化中、アンモニアは酸化により亜硝酸塩と硝酸塩に変換されます。これは、Water Research誌に掲載された2013年の記事によると、プラスチック表面でバイオフィルムとして成長する独立栄養細菌によって行うことができます。これらのプラスチック表面は、わずか数センチのサイズであり、水全体に分散しています。
爆発性TNT（2,4,6-トリニトロトルエン）は、土壌、地表水、地下水汚染物質と見なされます。 TNTの化学構造は、3つのニトロ基（NOに結合されたベンゼン（6つの炭素原子からなる六角形の芳香環）で構成されています2）および1つのメチル基（CH3）。 Applied and Environmental Microbiology誌に発表された2007年の記事によると、微生物はTNTを還元によって分解します。ほとんどの微生物は3つのニトロ基を還元しますが、芳香環を攻撃する微生物もあります。研究者-Ayrat Ziganshin、Robin Gerlachおよび同僚-は、酵母株が ヤロウィアリポリティカ 主に芳香環を攻撃することにより、両方の方法でTNTを分解することができました。
微生物燃料電池
微生物燃料電池は細菌を使用して有機性廃棄物を電気に変換します。微生物は電極の表面に生息し、その上に電子を移動させ、最終的に電流を生み出すとガーラック氏は述べた。南カリフォルニア大学のオンラインマガジン、Illuminに掲載された2011年の記事は、微生物燃料電池に電力を供給するバクテリアが食物と排泄物を分解すると述べています。これは、低コストの電力源とクリーンで持続可能なエネルギーを提供します。
進行中の研究
私たちの世界はバイオフィルムでいっぱいです。実際、Nature Reviews Microbiologyの2004年の記事によると、20世紀半ばまでに、細菌培養液を保持している容器の内面には、液体培養液自体に浮遊するよりも多くの細菌が見つかりました。これらの複雑な微生物構造を理解することは、活発な研究分野です。
「バイオフィルムは素晴らしいコミュニティです。単一細胞間に多くの相互作用があるため、一部の人々はそれらを多細胞生物と比較しました」とゲルラッハは言った。 「私達はそれらについて学び続けており、私達はそれらをより良く制御する方法について学び続けています;医学の分野のように減らされた損害のために、またはバイオレメディエーションのように増加した利益のために。私たちは使い果たさないでしょうその分野で興味深い質問です。」
