Zamanla, gıda işleme tesislerinde biyofilm oluşumunu destekleyen koşulların yanı sıra, biyofilm oluşturan mikroorganizmaların genetik arka planı da yoğun bir şekilde incelenmiştir. Biyofilm gelişiminin ve dağılımının her adımında spesifik bir genetik sinyal kontrolü vardır.
L. monocytogenes, mikrodizi gen ekspresyonu modeli, farklı zaman aralıklarında analiz (4, 12 ve 24 saat), biyofilm farklı aşamalarında tasvir genlerin ekspresyonu için yapıldı. Sonuçlar, 4 saatlik biyofilm oluşumundan sonra 150’den fazla genin yukarı regüle edildiğini ve toplam 836 genin zamanla ekspresyonda yavaş bir artışı vurguladığını göstermektedir. Birçok bakteri türü için genom dizilimi, biyofilm sentezinde rol oynayan genlerin tanımlanmasına izin vermesine rağmen, L. monocytogenes için , bu genler sadece biyoinformatik analiz kullanılarak tanımlanamamıştır.
Biyofilm oluşumunda, bağlanma aşaması, flagella ve tip I pili-aracılı hareketlerin hücreler ve yüzey arasındaki ilk etkileşim için kritik olduğu bir ön koşuldur. Araştırmacılar biyofilm oluşumunu kontrol eden genlerin ve düzenleyici yolun rollerini bulmak için transpozon ekleme mutajenez ve transkriptom analizleri gibi bir veya iki genom çapında yaklaşım uygulamışlardır. Bir transpozon mutagenez kitaplığı ile daha az biyofilm üreten Himar1 mariner transpozon yerleştirmesi ile 70 L. monositogen mutantını belirlemek mümkün olmuştur.
Tanımlanan toplam 38 genetik lokustan 4 tanesinin bakteri hareketliliğine (fli D, fli Q, fla A ve motite) dâhil olduğu bulundu. Bu ilk yüzey bağlantısı için gerekli bir özelliktir. 4 saatte artmış ekspresyonu ve biyofilmin başlamasından 12 saat sonra azalmış ekspresyonu olan başka bir gen, listeriolizin pozitif düzenleyici faktör A olan prf A idi ve bu kolonizasyon aşamasındadır.
Patojenik mikroorganizmalarda biyofilm oluşumunda önemli rolü olan genlerin listesi (UniprotKB veritabanı) sırasıyla internalin A ve BapL gibi hücre dışı ve yüzey proteinlerinin L. monocytogenes EGD-e’ de ilk bakteri adezyonunda rol oynadığı bulunmuştur. Dahası, hareketliliği flagella ile sağlanır ve biyofilm oluşumunu etkileyen sıcaklığa bağlıdır. Bu nedenle, 30 ° C’nin üzerinde flaA’nın transkripsiyonu durdurulur.
Yüzeye hücre yapışmasından sorumlu S. aureus genleri, glukozamin polimeri ve polisakkarit hücreler arası adhezinlerin biyosentezinde işlev gören icaADBC operonuna dâhil edilir. Bu nedenle, bir dizi taşıyıcı proteini (pro P, opu D, aap A ve dlt A) kodlayan diğer genler, biyofilmin başlamasından 8 saat sonra yukarı regüle edilmiştir. E. coli, hücre yapışması ile ilgili genler gibi fim A, yad, K yad, N yad M ve yad C kodlayan fimbria benzeri proteinler integral hücre membranı ile birlikte eksprese edilir. Dış zar proteinleri ile genler (htr E), transkripsiyonel düzenleyiciler (mng R ve nha R) veya diğer genler, ancak bu ağ suşa özgü görünmektedir.
Bu durumuda S. enterica, diferansiyel ekspresyon analizi, ycf R’nin birçok Gram-negatif bakteride olduğu gibi yüksek oranda korunduğunu, klor stresi altında yukarı regüle edildiğini ve bakterinin cama veya polistirene virülansından ve bağlanmasından sorumlu olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, Salmonella spp. İle ilgili biyofilmler, curli ve selüloz ekspresyonunu aktive eden bir transkripsiyonel düzenleyici CsgD proteini tarafından yönlendirilir. Curli için yapısal alt birimleri kodlayan csg BAC operonunun transkripsiyonu, dolaylı olarak selüloz üretimi ile ilişkili ikinci mekanizmanın, adr A’nın transkripsiyonunu aktive eder. Salmonella spp. aktivasyonunda önemli faktörlerdir. Biyofilmler, CsgD içeriği yükseldiğinde ikincil bir haberci molekül gibi davranan c-di-GMP’dir. Mikrokoloniler, hücre proliferasyonu ile oluşturulur ve hücre bölünmesi, hücre duvarı biyojenezi, virülans ve motilite, stres tepkisi ve transkripsiyonel düzenleme faktörleri ile ilgili birçok gen ifade edilir.
Biyofilm oluşumunun tüm aşamalarında ifade edilen veya farklı biyotik veya abiyotik faktörlerin etkisi altında yukarı regüle edilen genlerin bir seçimini gösterir. dlt ABC L. monocytogenes olduğu bildirildi. suşlarının biyofilm oluşumunda kusurlu olduğu, transpozon mutagenezi ile doğrulandığı bildirilmiştir.dbiyofilm sentezi için teikoik asitlerin alanilasyonudur. Yani, mutantlar olmadandTeikoik asitlerin yüzeyindeki -alanin daha yüksek bir negatif yüke sahiptir ve bir biyofilm-negatif fenotip geliştirir.
Olgun biyofilm mikro kolonilerden gelişir ve bu gelişme EPS üretimi ile ilişkilidir. B. cereus’un biyofilm matrisi diğer Bacillus sp. İle benzerdir, ancak EPS sentezinden sorumlu olan eps genleri B. subtilis’e kıyasla B. cereus için zorunlu değildir. B. cereus’daki düzenleyici ağlar hakkında çok az şey bilinmektedir, ancak çalışmalar CodY ve SpoOA’nın da biyofilm oluşumunda önemli bir rol oynayabileceğini göstermiştir.
Ayrıca, B. subtilis genomundan tap A ve bsl A tarafından kodlanan yapısal proteinler B. cereus matrisinde yoktur çünkü bu genler B. cereus genomunda paralog içermez. Bunun yerine, matriks fiber sentezinden sorumlu olan tas A geni B. cereus biyofilm gelişimi için gereklidir. Birçok patojenik bakterinin matriks biyofilminde tanımlanan önemli bir polisakkarit, biyofilmde yaşayan bakteriler için önemli bir fizyolojik rol oynayan kolanik asittir. Bu EPS, wca L geni (S. enterica) veya wca F (E. coli) tarafından kodlanan spesifik enzimler tarafından sentezlenir. Ayrıca gösterilmiştir RPO S geni, genel stres yanıtın ana regülatör, olgun biyofilm gelişmesinde önemli bir faktör olarak görülebilir.
Sonuç olarak, planktonik durumdan biyofilm durumuna geçiş kritiktir ve matris sentezi, hücre kümelenmesi ve hücre sinyallemesi için gerekli olan katı bir gen düzenlemesine tabi tutulur. Bununla birlikte, çok sayıda genetik geçmişe sahip bakteriler, bakteri hücrelerinin otoindüktör adı verilen küçük yayılabilir sinyal molekülleri aracılığıyla birbirleriyle sosyal etkileşime girdiği ve böylece biyofilm gelişimine katkıda bulunduğu, çekirdek algılama (QS) adı verilen bir mekanizma aracılığıyla işbirliği yapma ilişkilerini düzenleyerek iletişim kurarlar.
1970’lerde tanımlanan çekirdek algılama süreci, hücre popülasyon yoğunluğuna yanıt olarak sentezlenen kimyasal sinyal molekülleri aracılığıyla çeşitli gen ifadelerinin kontrolünde yer alır. Bakteriler kritik biyokütlelerini algılamaya başladıklarında, bakteri genomunun % 10’undan genleri aktive ederek veya bastırarak yanıt verirler. Sistem hem Gram negatif hem de Gram pozitif bakteriler için tanımlanmıştır.
QS arasında, diğer iki önemli düzenleyicinin biyofilm şeklini ve yapısını kontrol ettiği bilinmektedir: siklik diguanosin-monofosfat (c-di-GMP) ve küçük RNA’lar. Örneğin, S. aureus biyofilm gelişimi birçok çevresel koşul ve genetik sinyal tarafından düzenlenir. Biyofilm oluşumundaki önemli bir bileşene, esas olarak polimerik N-asetil-glukozamin (PNAG) ve ica operon tarafından kodlanan eDNA’dan oluşan polisakkarit hücreler arası adhezin aracılık eder. S. aureus gibi belirli durumlarda, biyofilm ile ilişkili protein (Bap), polisakkarit hücreler arası adezyon (polisakkarit hücreler arası adhezinler) ekspresyonundan çok biyofilm olgunlaşmasında rol oynar.
S. aureus’taki c-di-GMP tutulumu, eksopolisakkarit biyosentezinin enzimlerini allosterik olarak devreye sokan önemli bir biyofilm düzenleyicidir, buna karşın ilgili küçük RNA genlerinin işlevi henüz ayrıntılı olarak çalışılmamıştır. Planktonik durumda dezenfektanlara karşı artan bir duyarlılık gösterdiği fark edilmiş olsa da, biyofilm durumunda, gıda ve tıp sektörü için eşit derecede önemli olan en dirençli olanlar arasında olabilir.
S. aureus, B. subtilis ve L. monocytogenes gibi Gram-pozitif bakteriler, yardımcı gen düzenleyici (Agr) sistemi tarafından kodlanan indükleyiciler aracılığıyla iletişim kurmaktadır. Görünüşe göre Agr kompleksi S. aureus genomundaki 100’den fazla geni düzenler ve L. monocytogenes genomundan silinmesi 600’den fazla geni etkiler. S. aureus’un yardımcı gen düzenleyicisi, oto indükleyici peptidlere (AIP’ler) yanıt olarak virülans faktörlerinin ve toksinlerin ekspresyonunu modüle ederken luxS, bilinmeyen bir QS kaskadıyla ekzopolisakkarit sentezini inhibe eden AI-2’yi sentezler.
L. monocytogenes, Tetikleyiciler virülans PrfA düzenlenmiş bir genlerin birinin transkripsiyonel aktivasyonu sinyal QS CTA bakteriyel agregasyonu ve biyofilmdir. Hücreden hücreye etkileşimlerde yer alan diğer bir gen, secA2 genidir. Silinmesi, artan hücre agregasyonu ve sedimantasyonu ile SecA2 yolunu inaktive edebilir.
Kaynakça:
https://www.researchgate.net/publication/337317638_Biofilms_Formed_by_Pathogens_in_Food_and_Food_Processing_Environments
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5949339/
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu