Biofilm adalah kumpulan dari satu atau lebih jenis mikroorganisme yang dapat tumbuh pada banyak permukaan berbeda. Mikroorganisme yang membentuk biofilm termasuk bakteri, jamur dan protista.
Salah satu contoh umum dari plak gigi biofilm, penumpukan bakteri berlendir yang terbentuk pada permukaan gigi. Sampah pond adalah contoh lain. Biofilm telah ditemukan tumbuh pada mineral dan logam. Mereka telah ditemukan di bawah air, bawah tanah dan di atas tanah. Mereka dapat tumbuh pada jaringan tanaman dan jaringan hewan, dan pada perangkat medis implan seperti kateter dan alat pacu jantung.
Masing-masing permukaan yang berbeda ini memiliki fitur penentu umum: mereka basah. Lingkungan-lingkungan ini "secara berkala atau terus menerus diliputi oleh air," menurut sebuah artikel 2007 yang diterbitkan di Microbe Magazine. Biofilm berkembang di atas permukaan basah atau basah.
Biofilm telah memantapkan diri dalam lingkungan seperti itu untuk waktu yang sangat lama. Bukti fosil biofilm berasal dari sekitar 3,25 miliar tahun yang lalu, menurut sebuah artikel tahun 2004 yang diterbitkan dalam jurnal Nature Reviews Microbiology. Sebagai contoh, biofilm telah ditemukan di batuan hidrotermal laut dalam 3,2 miliar tahun di Pilbara Craton di Australia. Biofilm serupa ditemukan di lingkungan hidrotermal seperti mata air panas dan ventilasi laut dalam.
Pembentukan biofilm
Pembentukan biofilm dimulai ketika mikroorganisme yang mengambang bebas seperti bakteri bersentuhan dengan permukaan yang tepat dan mulai menumbuhkan akar. Langkah pertama perlekatan ini terjadi ketika mikroorganisme menghasilkan zat lengket yang dikenal sebagai zat polimer ekstraseluler (EPS), menurut Pusat Rekayasa Biofilm di Montana State University. EPS adalah jaringan gula, protein dan asam nukleat (seperti DNA). Ini memungkinkan mikroorganisme dalam biofilm untuk tetap bersatu.
Keterikatan diikuti oleh periode pertumbuhan. Lapisan mikroorganisme dan EPS selanjutnya dibangun di atas lapisan pertama. Pada akhirnya, mereka membuat struktur 3D yang bulat dan kompleks, menurut Pusat Rekayasa Biofilm. Saluran air merambah biofilm dan memungkinkan pertukaran nutrisi dan produk limbah, menurut artikel di Microbe.
Berbagai kondisi lingkungan membantu menentukan sejauh mana biofilm tumbuh. Faktor-faktor ini juga menentukan apakah itu hanya terbuat dari beberapa lapis sel atau lebih. "Itu benar-benar tergantung pada biofilm," kata Robin Gerlach, seorang profesor di departemen teknik kimia dan biologi di Montana State University-Bozeman. Sebagai contoh, mikroorganisme yang menghasilkan EPS dalam jumlah besar dapat tumbuh menjadi biofilm yang cukup kental bahkan jika mereka tidak memiliki akses ke banyak nutrisi, katanya. Di sisi lain, untuk mikroorganisme yang bergantung pada oksigen, jumlah yang tersedia dapat membatasi seberapa banyak mereka dapat tumbuh. Faktor lingkungan lainnya adalah konsep "tegangan geser." "Jika Anda memiliki aliran yang sangat tinggi melintasi biofilm, seperti di sungai, biofilm biasanya cukup tipis. Jika Anda memiliki biofilm dalam air yang mengalir lambat, seperti di kolam, itu bisa menjadi sangat tebal," jelas Gerlach.
Akhirnya, sel-sel dalam biofilm dapat meninggalkan lipatan dan membentuk diri pada permukaan baru. Entah sekelompok sel pecah, atau sel-sel individual keluar dari biofilm dan mencari rumah baru. Proses terakhir ini dikenal sebagai "penyebaran benih," menurut Pusat Rekayasa Biofilm.
Mengapa membentuk biofilm?
Untuk mikroorganisme, hidup sebagai bagian dari biofilm hadir dengan keuntungan tertentu. "Komunitas mikroba biasanya lebih tahan terhadap stres," kata Gerlach kepada Live Science. Stresor potensial termasuk kurangnya air, pH tinggi atau rendah, atau adanya zat beracun bagi mikroorganisme seperti antibiotik, antimikroba atau logam berat.
Ada banyak penjelasan yang mungkin untuk ketahanan biofilm. Misalnya, penutup EPS berlendir dapat bertindak sebagai penghalang pelindung. Ini dapat membantu mencegah dehidrasi atau bertindak sebagai pelindung terhadap sinar ultraviolet (UV). Juga, zat berbahaya seperti antimikroba, pemutih atau logam terikat atau dinetralkan saat bersentuhan dengan EPS. Dengan demikian, mereka diencerkan ke konsentrasi yang tidak mematikan sebelum mereka dapat mencapai berbagai sel jauh di dalam biofilm, menurut sebuah artikel tahun 2004 di Nature Reviews Microbiology.
Tetap saja, antibiotik tertentu mungkin dapat menembus EPS dan menembus lapisan biofilm. Di sini, mekanisme perlindungan lain dapat berperan: keberadaan bakteri yang secara fisiologis tidak aktif. Agar dapat bekerja dengan baik, semua antibiotik memerlukan beberapa tingkat aktivitas seluler. Jadi, jika bakteri aktif secara fisiologis untuk memulai, tidak ada banyak antibiotik yang mengganggu.
Cara perlindungan lain terhadap antibiotik adalah keberadaan sel bakteri khusus yang dikenal sebagai "persisten." Bakteri semacam itu tidak membelah dan resisten terhadap banyak antibiotik. Menurut sebuah artikel 2010 yang diterbitkan dalam jurnal Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, "persisten" berfungsi dengan menghasilkan zat yang menghalangi target antibiotik.
Secara umum, mikroorganisme yang hidup bersama sebagai biofilm mendapat manfaat dari kehadiran berbagai anggota komunitas mereka. Gerlach mengutip contoh mikroorganisme autotrofik dan heterotrof yang hidup bersama dalam biofilm. Autotrof, seperti bakteri fotosintetik atau alga, mampu menghasilkan makanan mereka sendiri dalam bentuk bahan organik (mengandung karbon), sementara heterotrof tidak dapat menghasilkan makanan mereka sendiri dan membutuhkan sumber karbon dari luar. "Dalam komunitas multi-organisme ini, mereka sering makan silang," katanya.
Biofilm dan kita
Mengingat berbagai lingkungan di mana kita menemukan biofilm, tidak mengherankan bahwa mereka mempengaruhi banyak aspek kehidupan manusia. Di bawah ini adalah beberapa contoh.
Kesehatan dan penyakit
Seperti penelitian telah berkembang selama bertahun-tahun, biofilm - bakteri dan jamur - telah terlibat dalam berbagai kondisi kesehatan. Dalam seruan 2002 untuk aplikasi hibah, National Institutes of Health (NIH) mencatat bahwa biofilm menyumbang "lebih dari 80 persen infeksi mikroba dalam tubuh."
Biofilm dapat tumbuh pada perangkat medis implan seperti katup jantung prostetik, prostetik sendi, kateter, dan alat pacu jantung. Ini pada gilirannya menyebabkan infeksi. Fenomena ini pertama kali dicatat pada 1980-an ketika biofilm bakteri ditemukan pada kateter dan alat pacu jantung intravena. Biofilm bakteri juga telah diketahui menyebabkan endokarditis infektif dan pneumonia pada mereka yang menderita fibrosis kistik, menurut artikel 2004 di Nature Reviews Microbiology, di antara infeksi lainnya.
"Alasan mengapa pembentukan biofilm adalah penyebab utama kekhawatiran adalah bahwa, dalam biofilm, bakteri lebih resisten terhadap antibiotik dan desinfektan utama lainnya yang dapat Anda gunakan untuk mengendalikannya," kata AC Matin, seorang profesor mikrobiologi dan imunologi di Stanford. Universitas. Faktanya, jika dibandingkan dengan bakteri yang mengambang bebas, mereka yang tumbuh sebagai biofilm bisa mencapai 1.500 kali lebih tahan terhadap antibiotik dan agen biologi dan kimia lainnya, menurut artikel di Microbe. Matin menggambarkan resistensi biofilm dikombinasikan dengan peningkatan umum resistensi antibiotik di antara bakteri sebagai "whammy ganda" dan tantangan utama untuk mengobati infeksi.
Biofilm jamur juga dapat menyebabkan infeksi dengan menumbuhkan pada perangkat yang ditanamkan. Spesies ragi seperti anggota genus Candida tumbuh pada implan payudara, alat pacu jantung dan katup jantung prostetik menurut sebuah artikel 2014 yang diterbitkan dalam jurnal Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida spesies juga tumbuh di jaringan tubuh manusia, yang mengarah ke penyakit seperti vaginitis (radang vagina) dan kandidiasis orofaringeal (infeksi ragi yang berkembang di mulut atau tenggorokan). Namun, penulis mencatat bahwa resistansi obat tidak ditunjukkan dalam kasus ini.
Bioremediasi
Terkadang, biofilm bermanfaat. "Bioremediasi, secara umum, adalah penggunaan organisme hidup, atau produk mereka - misalnya, enzim - untuk mengobati atau mendegradasi senyawa berbahaya," kata Gerlach. Dia mencatat bahwa biofilm digunakan dalam pengolahan air limbah, kontaminan logam berat seperti kromat, bahan peledak seperti TNT dan zat radioaktif seperti uranium. "Mikroba dapat menurunkannya, atau mengubah mobilitas atau tingkat racunnya dan karenanya membuatnya kurang berbahaya bagi lingkungan dan manusia," katanya.
Nitrifikasi menggunakan biofilm adalah salah satu bentuk pengolahan air limbah. Selama nitrifikasi, amonia dikonversi menjadi nitrit dan nitrat melalui oksidasi. Ini dapat dilakukan oleh bakteri autotrofik, yang tumbuh sebagai biofilm pada permukaan plastik, menurut sebuah artikel 2013 yang diterbitkan dalam jurnal Water Research. Permukaan plastik ini hanya berukuran beberapa sentimeter dan didistribusikan ke seluruh permukaan air.
TNT yang eksplosif (2,4,6-Trinitrotoluene) dianggap sebagai pencemar tanah, air permukaan, dan air tanah. Struktur kimia TNT terdiri dari benzena (cincin aromatik heksagonal yang terbuat dari enam atom karbon) yang melekat pada tiga kelompok nitro (NO2) dan satu kelompok metil (CH3). Mikroorganisme mendegradasi TNT dengan mengurangi, menurut sebuah artikel tahun 2007 yang diterbitkan dalam jurnal Applied and Environmental Microbiology. Kebanyakan mikroorganisme mengurangi ketiga gugus nitro, sementara beberapa menyerang cincin aromatik. Para peneliti - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach dan rekannya - menemukan bahwa ragi itu susah Yarrowia lipolytica mampu menurunkan TNT dengan kedua metode, meskipun terutama dengan menyerang cincin aromatik.
Sel bahan bakar mikroba
Sel bahan bakar mikroba menggunakan bakteri untuk mengubah limbah organik menjadi listrik. Mikroba hidup di permukaan elektroda dan mentransfer elektron ke atasnya, pada akhirnya menciptakan arus, kata Gerlach. Sebuah artikel 2011 yang diterbitkan di Illumin, sebuah majalah online dari University of Southern California, mencatat bahwa bakteri yang menggerakkan sel bahan bakar mikroba memecah makanan dan limbah tubuh. Ini memberikan sumber daya berbiaya rendah dan energi berkelanjutan yang bersih.
Penelitian yang sedang berlangsung
Dunia kita penuh dengan biofilm. Faktanya, pada pertengahan abad ke-20, lebih banyak bakteri ditemukan di permukaan dalam wadah yang menyimpan kultur bakteri, daripada mengambang bebas dalam kultur cair itu sendiri, menurut artikel 2004 di Nature Reviews Microbiology. Memahami struktur mikroba yang kompleks ini adalah bidang penelitian yang aktif.
"Biofilm adalah komunitas yang luar biasa. Beberapa orang membandingkannya dengan organisme multisel karena banyak interaksi antar sel tunggal," kata Gerlach. "Kami terus belajar tentang mereka, dan kami terus belajar tentang bagaimana mengendalikan mereka dengan lebih baik; baik untuk mengurangi kerugian, seperti di bidang kedokteran, atau untuk peningkatan manfaat seperti dalam bioremediasi. Kami tidak akan kehabisan pertanyaan menarik di bidang itu. "
