بیشتر باکتریها توانایی تشکیل اجتماعاتی را دارند که با نام «زیست‌لایه» (biofilm) شناخته می‌شوند. آنها مجموعه‌ای از یک یا چند نوع میکروارگانیسم هستند که می‌توانند روی سطوح مختلف رشد کنند. میکروارگانیسم‌هایی که تشکیل زیست‌لایه می‌دهند باکتریها، قارچ‌ها و یوکاریوت‌هایی به نام پروتیست‌ها هستند.
زیست‌لایه‌ها اینجا، آنجا و همه جا
زیست‌لایه‌های باکتریایی می‌توانند تقریباً روی همه انواع سطوح رشد کنند. یک مثال رایج از زیست‌لایه پلاک دندان است؛ لایه لزجی از باکتریها که روی سطوح دندان‌ها شکل می‌گیرد. آنها روی سنگ‌ها و کانی‌ها و بافت‌های گیاهی و جانوری نیز ظاهر می‌شوند. همچنین، در زیر آب، زیر زمین و روی سطح زمین نیز دیده می‌شوند. کف و پسماندی که در تالاب‌ها به وجود می‌آید دلیلی بر وجود زیست‌لایه است.
زیست‌لایه‌ها مدت زمان زیادی است که خودشان را در محیط‌هایی از این دست برقرار کرده‌اند.شواهد فسیلی از زیست‌لایه‌ها به حدود ۲۵ر۳ میلیارد سال پیش برمی‌گردند. برای مثال، زیست‌لایه‌هایی در ژرفای دریاهای استرالیا، روی سنگ‌های آب‌های گرم پوسته زمین (صخره‌های هیدروترمال) یافت شده‌اند. زیست‌لایه‌های مشابه در نقاط دیگری که ویژگی هیدروترمال دارند، از جمله چشمه‌های آب گرم و چاه‌های گرمابی نیز پدیدار می‌شوند.
علاوه بر اینها، روی غشاء مخاطی، ایمپلنت‌های پزشکی که به عنوان جایگزین عضو زیستی در بدن درون‌کاشت می‌شوند یا ابزارهای پزشکی که به درون بدن راه می‌یابند شکل می‌گیرند؛ مانند کاتتر و ضربان‌ساز. در لوله‌ها و شلنگ‌های صنایع تولید لبنیات یا لوله‌های آب آشامیدنی هم آثاری از زیست‌لایه قابل مشاهده است که در این موارد تهدیدی جدی برای سلامتی انسان به شمار می‌آیند. برخی از زیست‌لایه‌ها مفید هستند. برای مثال، در تولید پنیر، برخی از انواع خاص آنها نه فقط موجب پیدایش حفره‌های بسیار ریز در پنیر می‌شوند، بلکه به آن طعم دلپذیری نیز می‌دهند.
همه این سطوح یک ویژگی مشترک دارند و آن خیس و مرطوب بودن است. این محیط‌ها به طور دوره‌ای یا مداوم از آب اشباع می‌شوند. زیست لایه‌ها به تنوع وسیعی از سطوح می‌چسبند و زدودن آنها کار مشکلی است. این امر ممکن است در فضاهایی مثل بیمارستان‌ها و صنایع غذایی منجر به روز مشکلات بزرگی شود.
بافتی با ساختار ویژه
زیست لایه صرفاً مجموعه‌ای از جمعیت کثیری باکتری که دور هم جمع شده‌اند نیستند، بلکه بافتی است با ساختار ویژه و منحصربه‌فرد. باکتریها با تجمع خود لایه‌ای محافظ از کربوهیدرات و پروتئین را به وجود می‌آورند که به آن «ماتریکس خارج سلولی» گفته می‌شود. این ماتریکس از باکتریها در مقابل مواد ضدعفونی کننده و گندزدا، تابش‌های فرابنفش و خشک شدن محافظت کرده و ثابت می‌کند؛ به همین دلیل زیست‌لایه‌ها را به راحتی نمی‌توان به طور مکانیکی از سطحی پاک کرد یا به شیوه‌ای شیمیایی آنها را از بین برد. علی‌رغم اینها، ماتریکس لایه‌ای لجن یکنواخت و یک جنس نیست. شاید بتوان آن را به ساختار برگ گیاهان تشبیه کرد. ساختارهای تخصص یافته‌ای در زیست لایه‌ها وجود دارند، مانند مجراهای آب که در چین و چروک‌های بسیار ریز و ظریف جا گرفته‌اند. اما تا به امروز کسی نمی‌دانست این ساختارها چه نقشی دارند و در سطح مولکولی چه اتفاقی در زیست‌لایه می‌افتد.
خوشبختانه دانشمندان «دانشگاه فنی درِسدِن» در آلمان یک سیستم مدل را برای زیست‌لایه‌های تشکیل شده در تأسیسات تابش سنکروترون BESSY IIواقع در برلین مورد مطالعه قرار داده و به نقش ساختارهای زیست‌لایه در توزیع مواد مغذی و آب پی برده‌اند. سینکروترون نوعی شتاب‌دهنده ذرات مدور است که با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، تابش‌های الکترومغناطیسی تولید می‌کند و وابسته به عنصر زمان است.
مزیت این تأسیسات در این است که امکان نقشه‌برداری از محدوده‌های وسیع پوشیده از زیست‌لایه را فراهم می‌آورند. آنها به کمک طیف سنجی پرتو ایکس و فلورسنت توانستند ساختارهای زیست‌لایه را از هم تفکیک کرده و اجزای ماتریکسی آن را از هم تشخیص دهند. این اجزاء شامل سلول‌ها باکتریایی، هاگ و آب بودند. طیف سنجی پرتوایکس و فلورسنت روشی است برای شناسایی یون‌های فلزی مهم مانند کلسیم، روی، منگنز و آهن، حتی اگر مقادیر آنها ناچیز باشند.
آنها با ادغام انکسار پرتو ایکس و نور فلورسنت نه تنها ساختارهای مولکولی را در زیست‌لایه‌ها به طور بسیار دقیق تحلیل کردند، بلکه همچنین توانستند به‌طور هم‌زمان انباشتگی برخی یون‌های فلزی را که با زیست‌لایه جا به جا می‌شوند دنبال کنند، از نقش‌های زیستی آنها مطلع شوند و ارتباطی بین ریخت شناسی (مورفولوژی) زیست لایه و توزیع یون‌های فلزی بیابند.
یک مدل برای تنوعی از زیست‌لایه‌ها
باکتری نمونه‌ای که این دانشمندان انتخاب کردند سرده‌ای از رده باسیل ها با نام Bacillus subtilisبود؛ یک باکتری بی‌ضرر که در ریشه گیاهان رشد کرده و همزیستی سودمندی را با گیاهان آغاز می‌کند. این باکتری آب را ذخیره می‌کند، به گونه‌ای که گیاه می‌تواند در دوره کم‌آبی و خشکسالی از زیست‌لایه تشکیل شده، رطوبت مورد نیاز خود را دریافت کند. نقش دیگر این باکتریها این است که مانع از آسیب رساندن عوامل بیماری‌زا به ریشه‌های گیاهان می‌شوند. در عوضِ کمکی که زیست‌لایه این نوع باسیل به گیاه می‌کند، سلول‌هایش از ماده تراویده ریشه‌ها تغذیه می‌کنند. این باکتری می‌تواند به عنوان یک سیستم مدل برای بسیاری از زیست‌لایه‌های باکتریایی دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
تشکیل هاگ در نقاط غیر منتظره
یون‌های کلسیم تمایل دارند در ماتریکس خارج سلولی انباشته شوند، در حالی که یون‌های روی، منگنز و آهن در امتداد چروک خوردگی‌ها جمع می‌شوند؛ جایی که در آن به راحتی موجب شکل گیری هاگ‌ها می‌شوند. وجود هاگ‌ها برای انتشار میکروب‌ها اجتناب‌ناپذیر است.
این برای دانشمندان اتفاقی پیش‌بینی نشده و دور از انتظار بود؛ چرا که هاگ‌ها به طور معمول تحت استرس‌های محیطی مثل کم‌آبی (دِهیدراسیون) شکل می‌گیرند. با این‌حال، در اینجا ارتباطی بین تشکیل آنها و مجاری آب وجود دارد. شاید علت شکل‌گیری هاگ ها، تجمع یون‌های فلزی باشد.
با این وصف، می‌توان نتیجه گرفت که ساختارهای درون ماتریکس نه تنها نقش مهمی را در توزیع مواد مغذی و آب ایفا می‌کنند، بلکه به طرزی فعال به باکتری این توانایی را می‌دهد تا مانند یک جاندار چند سلولی رفتار کند.
نحوه شکل‌گیری زیست‌لایه
تشکیل زیست‌لایه زمانی آغاز می‌شود که میکروارگانیسم‌های شناور و آزاد، برای مثال باکتریها، در تماس با سطحی مناسب قرار گیرند و به اصطلاح شروع به ریشه‌زایی کنند. این نخستین مرحله اتصال آنها برای پدیدار شدن زیست‌لایه است و زمانی رخ می‌دهد که ماده چسبناکی به نام «ماده پلیمری خارج سلولی»(EPS) را تولید کنند. این ماده شبکه‌ای از قندها، پروتئین‌ها و اسید نوکلئیک‌هایی مثل دی‌اِن‌اِی است و به میکروارگانیسم‌های درون زیست لایه کمک می‌کند به یکدیگر بچسبند.
به دنبال اتصال، دوره رشد آغاز می‌شود. لایه‌های بیشتری از میکروارگانیسم‌ها و ماده پلیمری خارج سلولی روی لایه‌های اولیه ساخته می‌شوند. سرانجام، ساختار سه‌بعدی توده‌ای و پیچیده‌ای را پدید می‌آورند. مجراهای آب به صورت متقاطع از میان زیست‌لایه‌ها می‌گذرند و تبادل مواد مغذی و مواد زائد از این طریق میسر می‌شود.
شرایط محیطی متفاوتی در تعیین میزان رشد زیست‌لایه دخالت دارند. این عوامل همچنین تعیین می‌کنند آیا زیست‌لایه تنها از چند لایه انگشت‌شمار تشکیل شده یا تعداد لایه ها بسیار بیشتر از آن است. این امر به خود زیست لایه بستگی دارد. برای مثال، میکروارگانیسم‌هایی که مقادیر زیادی EPSتولید می‌کنند رشد خوبی دارند و تبدیل به زیست لایه‌های ضخیمی می‌شوند، حتی اگر به غذای زیادی دسترسی نداشته باشند. اما از سوی دیگر، در مورد میکروارگانیسم‌هایی که بقایشان به اکسیژن وابسته است، میزان اکسیژن معلوم می‌کند چقدر می‌توانند به رشد خود ادامه دهند. یک عامل محیطی دیگر تنش برشی است. بدان معنی که اگر جریان آب زیادی مانند نهر درون زیست‌لایه روان باشد، زیست‌لایه نهایی به طور معمول نازک خواهد شد. برعکس، اگر زیست‌لایه در آبی با جریان کند باشد، مانند آب تالاب، ضخامت آن بسیار زیاد خواهد شد.
بالاخره این که سلول‌های درون یک زیست‌لایه می‌توانند چین و چروک‌های آن را ترک کرده و خود را روی یک سطح جدید مستقر کنند. ممکن است دسته‌ای سلول یک جا کنده شوند یا این که هر کدام از سلول‌ها از زیست‌توده به بیرون پرتاب شوند و محل زندگی تازه‌ای را برای خود جستجو کنند.
خطر زیست‌لایه برای انسان
با توجه به گسترده وسیعی از محیط‌هایی که زیست لایه‌ها به اشغال خود درآورده‌اند، تعجبی ندارد که بر بسیاری از جنبه‌های زندگی انسان تأثیر نامطلوب بگذارند. زیست‌لایه‌ها عامل اصلی بروز بیش از ۸۰ درصد از عفونت‌های میکروبی در بدن انسان هستند.
آنها روی ابزارهای پزشکی و درمانی که به صورت ایمپلنت درون بدن قرار داده می‌شوند، مانند دریچه قلب، مفصل و ضربان‌ساز مصنوعی و نیز کاتتر اجتماعاتی تشکیل داده و رشد می‌کنند. این فعالیت آنها باعث عفونت می‌شود. این پدیده نخستین‌بار در دهه ۱۹۸۰ مشاهده شد؛ زمانی که پزشک‌ها زیست‌لایه‌های باکتریایی شکل گرفته روی کاتترهای درون عروقی و ضربان‌سازهای قلب را دیدند. به علاوه، زیست‌لایه‌های باکتریایی در افرادی که دچار نوعی بیماری سوخت‌و‌سازی به نام «فیبروز سیستیک» هستند موجب اندوکاردیت عفونت‌زا و ذات‌الریه (سینه پهلو) می‌شوند.
علت نگران‌کننده بودن تشکیل زیست‌لایه این است که درون زیست‌لایه، باکتریها نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها و دیگر داروهای عفونت‌زدا مقاوم‌تر می‌شوند. باکتری‌های درون زیست‌لایه در مقایسه با باکتری‌های آزاد و شناور تا ۱۵۰۰ بار در مقابل آنتی‌بیوتیک‌ها و دیگر مواد شیمیایی و زیستی مقاوم‌تر هستند. مقاومت زیست‌لایه وقتی با افزایش مقاومت عمومی در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها همراه می‌شود چالش بزرگی برای درمان عفونت‌ها ایجاد می‌کند.
زیست‌لایه‌های قارچی نیز با رشد کردن روی ایمپلنت‌های پزشکی عفونت به بار می‌آورند. گونه‌های مخمری از جمله اعضای جنس Candidaروی ایمپلنت سینه، ضربان‌ساز و دریچه‌های قلبی مصنوعی رشد می‌کنند. گونه‌های مخمر کاندیدا روی بافت‌های بدن نیز رشد کرده و موجب ابتلا به بیماری‌هایی مثل عفونت‌های قارچی دستگاه تناسلی و عفونت حلق و دهان می‌شوند.
تا اواسط قرن بیستم، تعداد باکتری‌هایی که در سطوح داخلی ظروف کشت باکتری یافت می‌شدند بیشتر از باکتری هایی بودند که آزادانه در خود مایع کشت شناور حرکت می کردند. عده ای باکتریها را با جانداران چند سلولی مقایسه می‌کنند، چون تعاملات بسیار زیادی بین هر سلول با سلول دیگر وجود دارد.
***
زیست‌لایه‌ها می‌توانند مفید باشند
گاهی زیست‌لایه‌ها مفید واقع می‌شوند. یکی از کاربردهای آنها، زیست‌پالایی یا پالایش زیستی است. زیست‌پالایی کاربرد ارگانیسم‌های زنده یا محصولات تولید شده توسط آنها، برای مثال آنزیم‌ها، به منظور کاهش ترکیبات زیان‌آور یا زدودن آنها است. از زیست‌لایه‌ها برای تصفیه فاضلاب، پردازش و دفع زایدات فلزات سنگین آلاینده مانند کرومات، مواد منفجره‌ای مثل تی اِن تی و مواد رادیواکتیو مانند اورانیوم استفاده می‌شود. میکروب‌ها یا این مواد زاید را تجزیه می‌کنند یا تحرک یا وضعیت سمی آنها را تغییر می‌دهند. در نتیجه، از شدت آسیبی که به محیط، جانوران و انسان وارد می‌آورند می‌کاهند.
اجرا کردن فرایند «نیتریفیکاسیون» به کمک زیست‌لایه یکی از اشکال تصفیه فاضلاب است. در نیتریفیکاسیون، آمونیاک به دنبال فرایند اکسایش به نیتریت و نیترات تبدیل می‌شود.
ماده منفجره تی اِن تی نیز خاک، آب‌های سطحی و آب‌های زیرزمینی را آلوده می‌کند. سویه‌ای مخمر با نام علمیYarrowia lipolytica می‌تواند به دو شیوه تی ان تی را تجزیه کنند که یکی از آنها حمله به حلقه آروماتیک ساختار شیمیایی آن است.
بالاخره این که پیل‌های سوختی میکروبی به کمک باکتریها زایدات ارگانیک را به الکتریسته تبدیل می‌کنند.
code
اکبر عزیزی اقدامی دیر، اما باارزش