Màng sinh học là một tập thể của một hoặc nhiều loại vi sinh vật có thể phát triển trên nhiều bề mặt khác nhau. Các vi sinh vật hình thành màng sinh học bao gồm vi khuẩn, nấm và các chất bảo vệ.
Một ví dụ phổ biến của mảng bám răng sinh học, sự tích tụ của vi khuẩn hình thành trên bề mặt răng. Pond cặn là một ví dụ khác. Màng sinh học đã được tìm thấy phát triển trên các khoáng chất và kim loại. Chúng đã được tìm thấy dưới nước, dưới lòng đất và trên mặt đất. Chúng có thể phát triển trên các mô thực vật và mô động vật, và trên các thiết bị y tế cấy ghép như ống thông và máy tạo nhịp tim.
Mỗi bề mặt riêng biệt này có một đặc điểm xác định chung: chúng ướt. Các môi trường này "theo định kỳ hoặc liên tục bị ngấm nước", theo một bài báo năm 2007 được công bố trên Tạp chí Microbe. Màng sinh học phát triển mạnh trên bề mặt ẩm ướt hoặc ẩm ướt.
Màng sinh học đã tự thiết lập trong những môi trường như vậy trong một thời gian rất dài. Bằng chứng hóa thạch của màng sinh học có từ khoảng 3,25 tỷ năm trước, theo một bài báo năm 2004 được công bố trên tạp chí Nature Reviews Microbiology. Ví dụ, màng sinh học đã được tìm thấy trong các khối đá thủy nhiệt dưới biển sâu 3,2 tỷ năm tuổi của Pilbara Craton ở Úc. Các màng sinh học tương tự được tìm thấy trong môi trường thủy nhiệt như suối nước nóng và lỗ thông hơi dưới biển sâu.
Hình thành màng sinh học
Sự hình thành màng sinh học bắt đầu khi các vi sinh vật nổi tự do như vi khuẩn tiếp xúc với một bề mặt thích hợp và bắt đầu đặt rễ xuống, có thể nói như vậy. Bước đầu tiên của sự gắn kết xảy ra khi các vi sinh vật tạo ra một chất gooey được gọi là chất đa bào ngoại bào (EPS), theo Trung tâm Kỹ thuật Biofilm tại Đại học Bang Montana. Một EPS là một mạng lưới các loại đường, protein và axit nucleic (như DNA). Nó cho phép các vi sinh vật trong màng sinh học dính lại với nhau.
Sự gắn bó được theo sau bởi một thời kỳ tăng trưởng. Các lớp vi sinh vật và EPS tiếp theo xây dựng trên các lớp đầu tiên. Cuối cùng, họ tạo ra một cấu trúc 3D bóng đèn và phức tạp, theo Trung tâm Kỹ thuật Biofilm. Các kênh nước lan tỏa khắp màng sinh học và cho phép trao đổi chất dinh dưỡng và chất thải, theo bài báo trên Microbe.
Nhiều điều kiện môi trường giúp xác định mức độ phát triển của màng sinh học. Các yếu tố này cũng xác định liệu nó chỉ được tạo thành từ một vài lớp tế bào hay nhiều hơn nữa. "Nó thực sự phụ thuộc vào màng sinh học", Robin Gerlach, giáo sư khoa kỹ thuật sinh học và hóa học tại Đại học bang Montana-Bozeman, nói. Chẳng hạn, các vi sinh vật tạo ra một lượng lớn EPS có thể phát triển thành màng sinh học khá dày ngay cả khi chúng không được tiếp cận với nhiều chất dinh dưỡng, ông nói. Mặt khác, đối với các vi sinh vật phụ thuộc vào oxy, lượng có sẵn có thể hạn chế số lượng chúng có thể phát triển. Một yếu tố môi trường khác là khái niệm "ứng suất cắt". "Nếu bạn có dòng chảy rất cao qua màng sinh học, như trong một con lạch, màng sinh học thường khá mỏng. Nếu bạn có màng sinh học trong nước chảy chậm, như trong ao, nó có thể trở nên rất dày", Gerlach giải thích.
Cuối cùng, các tế bào trong màng sinh học có thể rời khỏi nếp gấp và tự thiết lập trên một bề mặt mới. Hoặc là một cụm các tế bào vỡ ra, hoặc các tế bào riêng lẻ thoát ra khỏi màng sinh học và tìm kiếm một ngôi nhà mới. Quá trình sau này được gọi là "phân tán hạt giống", theo Trung tâm Kỹ thuật màng sinh học.
Tại sao hình thành màng sinh học?
Đối với vi sinh vật, sống như một phần của màng sinh học đi kèm với những lợi thế nhất định. "Cộng đồng của vi khuẩn thường có khả năng phục hồi tốt hơn đối với căng thẳng", Gerlach nói với Live Science. Các yếu tố gây căng thẳng tiềm ẩn bao gồm thiếu nước, pH cao hoặc thấp hoặc sự hiện diện của các chất độc hại đối với các vi sinh vật như kháng sinh, thuốc chống vi trùng hoặc kim loại nặng.
Có nhiều cách giải thích cho độ cứng của màng sinh học. Ví dụ, lớp phủ EPS mỏng manh có thể hoạt động như một hàng rào bảo vệ. Nó có thể giúp ngăn ngừa mất nước hoặc hoạt động như một lá chắn chống lại tia cực tím (UV). Ngoài ra, các chất có hại như thuốc chống vi trùng, thuốc tẩy hoặc kim loại bị ràng buộc hoặc trung hòa khi chúng tiếp xúc với EPS. Do đó, chúng được pha loãng đến nồng độ không gây chết người trước khi chúng có thể đến các tế bào khác nhau sâu trong màng sinh học, theo một bài báo năm 2004 trên tạp chí Nature Reviews Microbiology.
Tuy nhiên, một số loại kháng sinh nhất định có thể xâm nhập vào EPS và đi qua các lớp của màng sinh học. Ở đây, một cơ chế bảo vệ khác có thể phát huy tác dụng: sự hiện diện của vi khuẩn đang ngủ yên về mặt sinh lý. Để hoạt động tốt, tất cả các loại kháng sinh đòi hỏi một số mức độ hoạt động của tế bào. Vì vậy, nếu vi khuẩn không hoạt động về mặt sinh lý bắt đầu, sẽ không có nhiều thuốc kháng sinh phá vỡ.
Một chế độ bảo vệ chống lại kháng sinh khác là sự hiện diện của các tế bào vi khuẩn đặc biệt được gọi là "hồng cầu". Vi khuẩn như vậy không phân chia và kháng nhiều loại kháng sinh. Theo một bài báo năm 2010 được công bố trên tạp chí Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, "chức năng" bằng cách sản xuất các chất ngăn chặn các mục tiêu của kháng sinh.
Nhìn chung, các vi sinh vật sống cùng nhau như một màng sinh học được hưởng lợi từ sự hiện diện của các thành viên cộng đồng khác nhau của chúng. Gerlach đã trích dẫn ví dụ về các vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng sống cùng nhau trong màng sinh học. Autotrophs, chẳng hạn như vi khuẩn quang hợp hoặc tảo, có thể tự sản xuất thực phẩm dưới dạng vật liệu hữu cơ (có chứa carbon), trong khi dị dưỡng không thể tự sản xuất thức ăn và cần nguồn carbon bên ngoài. "Trong các cộng đồng đa sinh vật này, chúng thường xuyên ăn chéo", ông nói.
Màng sinh học và chúng tôi
Với phạm vi rộng lớn của môi trường mà chúng ta gặp phải màng sinh học, không có gì ngạc nhiên khi chúng ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của cuộc sống con người. Dưới đây là một vài ví dụ.
Sức khỏe và bệnh tật
Khi nghiên cứu đã tiến triển trong những năm qua, màng sinh học - vi khuẩn và nấm - đã liên quan đến nhiều tình trạng sức khỏe. Trong một cuộc gọi xin tài trợ năm 2002, Viện Y tế Quốc gia (NIH) đã lưu ý rằng màng sinh học chiếm "hơn 80% các trường hợp nhiễm vi khuẩn trong cơ thể".
Màng sinh học có thể phát triển trên các thiết bị y tế cấy ghép như van tim giả, chân giả khớp, ống thông và máy tạo nhịp tim. Điều này dẫn đến nhiễm trùng. Hiện tượng này được ghi nhận lần đầu tiên vào những năm 1980 khi màng sinh học vi khuẩn được tìm thấy trên ống thông tĩnh mạch và máy tạo nhịp tim. Biofilms vi khuẩn cũng đã được biết là gây viêm nội tâm mạc nhiễm khuẩn và viêm phổi ở những người bị xơ nang, theo bài báo năm 2004 trên tạp chí Nature Reviews Microbiology, trong số các bệnh nhiễm trùng khác.
"Lý do hình thành màng sinh học là một nguyên nhân lớn gây lo ngại là, trong màng sinh học, vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh và các chất khử trùng chính khác mà bạn có thể sử dụng để kiểm soát chúng", AC Matin, giáo sư vi sinh và miễn dịch học tại Stanford nói. Trường đại học. Trên thực tế, khi so sánh với vi khuẩn trôi nổi tự do, những vi khuẩn phát triển dưới dạng màng sinh học có thể kháng thuốc kháng sinh và các tác nhân sinh học và hóa học khác cao hơn tới 1.500 lần, theo bài báo trên Microbe. Matin đã mô tả tình trạng kháng màng sinh học kết hợp với sự gia tăng chung về tình trạng kháng kháng sinh giữa các vi khuẩn là "một cơn lốc đôi" và là một thách thức lớn trong điều trị nhiễm trùng.
Màng sinh học nấm cũng có thể gây nhiễm trùng bằng cách phát triển trên các thiết bị cấy ghép. Các loài nấm men như các thành viên của chi Candida phát triển trên cấy ghép vú, máy tạo nhịp tim và van tim giả theo một bài báo năm 2014 được công bố trên tạp chí Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida các loài cũng phát triển trên các mô cơ thể người, dẫn đến các bệnh như viêm âm đạo (viêm âm đạo) và nấm candida hầu họng (nhiễm trùng nấm men phát triển ở miệng hoặc cổ họng). Tuy nhiên, các tác giả lưu ý rằng kháng thuốc không được thể hiện trong những trường hợp này.
Xử lý sinh học
Đôi khi, màng sinh học là hữu ích. "Nói chung, xử lý sinh học là việc sử dụng các sinh vật sống hoặc các sản phẩm của chúng - ví dụ như enzyme - để điều trị hoặc làm giảm các hợp chất có hại", Gerlach nói. Ông lưu ý rằng màng sinh học được sử dụng trong xử lý nước thải, các chất ô nhiễm kim loại nặng như cromat, chất nổ như TNT và các chất phóng xạ như uranium. "Vi khuẩn có thể làm suy giảm chúng, hoặc thay đổi khả năng di động hoặc trạng thái độc hại của chúng và do đó làm cho chúng ít gây hại hơn cho môi trường và con người", ông nói.
Nitrat hóa sử dụng màng sinh học là một hình thức xử lý nước thải. Trong quá trình nitrat hóa, amoniac được chuyển thành nitrit và nitrat thông qua quá trình oxy hóa. Điều này có thể được thực hiện bởi vi khuẩn tự dưỡng, phát triển dưới dạng màng sinh học trên bề mặt nhựa, theo một bài báo năm 2013 được công bố trên tạp chí Water Research. Những bề mặt nhựa này có kích thước chỉ vài cm và phân phối tất cả qua nước.
Chất nổ TNT (2,4,6-Trinitrotoluene) được coi là chất gây ô nhiễm đất, nước mặt và nước ngầm. Cấu trúc hóa học của TNT bao gồm benzen (vòng thơm hình lục giác được tạo thành từ sáu nguyên tử carbon) gắn liền với ba nhóm nitro (NO2) và một nhóm methyl (CH3). Vi sinh vật làm suy giảm TNT bằng cách giảm, theo một bài báo năm 2007 được công bố trên tạp chí Vi sinh vật học ứng dụng và môi trường. Hầu hết các vi sinh vật làm giảm ba nhóm nitro, trong khi một số tấn công vòng thơm. Các nhà nghiên cứu - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach và các đồng nghiệp - đã phát hiện ra rằng chủng nấm men Cỏ ba lá đã có thể làm suy giảm TNT bằng cả hai phương pháp, mặc dù chủ yếu bằng cách tấn công vòng thơm.
Pin nhiên liệu vi sinh vật
Pin nhiên liệu vi sinh vật sử dụng vi khuẩn để chuyển đổi chất thải hữu cơ thành điện. Các vi khuẩn sống trên bề mặt của một điện cực và chuyển các electron lên nó, cuối cùng tạo ra một dòng điện, Gerlach nói. Một bài báo năm 2011 được xuất bản trên Illumin, một tạp chí trực tuyến của Đại học Nam California, lưu ý rằng vi khuẩn cung cấp năng lượng cho các tế bào nhiên liệu vi khuẩn phá vỡ thức ăn và chất thải cơ thể. Điều này cung cấp một nguồn năng lượng chi phí thấp và năng lượng bền vững sạch.
Một nghiên cứu đang được thực hiện
Thế giới của chúng ta đang tràn đầy những màng sinh học. Trên thực tế, vào giữa thế kỷ 20, người ta đã tìm thấy nhiều vi khuẩn trên bề mặt bên trong của các vật chứa chứa vi khuẩn, hơn là trôi nổi tự do trong môi trường nuôi cấy lỏng, theo bài báo năm 2004 trên tạp chí Nature Reviews Microbiology. Hiểu các cấu trúc vi sinh vật phức tạp này là một lĩnh vực hoạt động nghiên cứu.
"Màng sinh học là những cộng đồng tuyệt vời. Một số người đã so sánh chúng với các sinh vật đa bào vì có rất nhiều tương tác giữa các tế bào đơn lẻ", Gerlach nói. "Chúng tôi đang tiếp tục tìm hiểu về chúng và chúng tôi đang tiếp tục tìm hiểu về cách kiểm soát chúng tốt hơn, cả hai đều giảm bớt sự bất lợi, như trong lĩnh vực y học, hoặc để tăng lợi ích như trong xử lý sinh học. Chúng tôi sẽ không hết những câu hỏi thú vị trong lĩnh vực đó. "
