Obdobně jako staví lidé svá obydlí, která se posléze rozrůstají v města až metropole, budují i mikroorganismy svůj vlastní svět – biofilm. V tomto společenství posléze získávají mnoho benefitů, využitelných v jejich činnosti, která se může ubírat různými směry. Mikroorganismy jsou obecně schopné vytvářet pro lidstvo užitečné produkty, jako jsou pivo, víno a zrající sýry. Umí vyrábět složky pro pohonné hmoty, čistit odpady, které vyprodukujeme, a mnoho dalších prospěšných činností. Nicméně stinnou stránkou je jejich neochvějná touha napadat lidský organismus, parazitovat na jeho činnosti a způsobovat tak, v některých případech, až smrtelné infekce. A právě hledání alternativních možností pro jejich prevenci a léčbu je předmětem studie laboratorní skupiny, jejíž součástí je i Ing. Eva Kvasničková, doktorandka Ústavu biotechnologie, VŠCHT Praha.
Co je to biofilm? Ve skutečnosti není ustanovena jednotná definice, která by tento biologický útvar popisovala. Ve všeobecnou známost však vešlo několik kritérií, která musí být splněna, aby bylo možné danou formu mikrobiálního života za biofilm považovat. Biofilm je tedy společenství většího množství mikrobiálních buněk, které jsou pevně přichyceny k povrchu či sobě navzájem, jsou obaleny tzv. extracelulární neboli mimobuněčnou matricí, tvořenou sloučeninami, které buňky samy produkují, a která je mimo jiné chrání před působením nepříznivých vlivů vnějšího prostředí. Uvnitř této komunity dochází mezi jejími členy k intenzivní komunikaci a zároveň se mění jejich vlastnosti, kterými disponuje buňka, pokud přežívá samostatně. A právě tyto zmíněné aspekty dávají tomuto jednotnému společenství řadu výhod, kterých mikroorganismy s chutí využívají.
Jak biofilm vzniká? V samotném procesu lze skutečně pozorovat určitou paralelu s výstavbou domu, a následným rozvojem celého města. Osamoceně žijící bakterie, kvasinka či plíseň nalezne vhodné prostředí (výběr stavebního pozemku), ke kterému by se mohla přichytit, neboli adherovat. Produkcí látek potřebných pro tento krok dosáhne přilnutí k povrchu, čímž v podstatě začne výstavba základové desky. Pokud vše proběhne správně, začne se buňka množit, postaví tedy zdi a střechu, a vznikne tzv. mikrokolonie. Průběžně dochází k produkci látek, které vytváří již zmíněnou matrici biofilmu, k množení buněk, které matrice obaluje, až je postavené celé město v průběhu tzv. maturace neboli zrání biofilmu. V tomto stádiu mohou biofilmy dosahovat rozměrů běžně viditelných lidským okem, nárůst oproti běžné velikosti buněk, pohybující se v řádu mikrometrů, je tedy skutečně markantní. Ovšem stejně jako je tomu v běžném životě, stavební parcely jsou vyčerpány, kapacita domů naplněna, dochází zdroje potravy apod., a část populace se musí z města vystěhovat a začít svůj domov budovat někde jinde. Tento krok se u životního cyklu biofilmu nazývá disperze a dochází při něm k uvolňování buněk z biofilmu, které mohou následně adhezí k jinému povrchu započít další cyklus, tedy založit nové město.
Existence mikrobiálních biofilmů, včetně jejich průmyslového využití, sahá do daleké historie. Přestože první publikace obsahující pojem „biofilm“ byla vydána v průběhu 20. století, již od roku 1823 byly mikroorganismy žijící ve formě biofilmu v podstatě využívány pro výrobu octa v tzv. Schützenbachových hoblinových ocetnicích. Ve chvíli uvědomění si existujících rozdílů mezi suspenzními populacemi a aktivně spolupracujícími mikrobiálními komunitami se touto problematikou začala intenzivně zabývat řada vědeckých skupin. Nejvíce probádanou oblastí této části mikrobiálního světa jsou biofilmy bakterií, méně pak biofilmy kvasinek a nejméně biofilmy vláknitých hub, především plísní.
Jak je všeobecně známo, mikroorganismy jsou mistry ve své vynalézavosti při adaptaci na podmínky vnějšího prostředí, především pak ve chvíli, kdy se ve formě biofilmu mezibuněčnou komunikací vzájemně v této činnosti podporují. A proto lze v této otázce bez okolků uplatnit rčení „Biofilm je dobrý sluha, ale špatný pán“. Skutečně lze tuto formu života mikroorganismů využít k výrobě celé škály pro lidstvo prospěšných produktů, avšak nelze zanedbávat druhou stranu mince, kterou jsou infekce, jejichž vznik tato společenství indukují.
Všudypřítomný výskyt okem neviditelných živých systémů, přirozená modifikace mikrobiálních kmenů a neustále nově vznikající mechanismy odolnosti neboli rezistence vůči biologicky aktivním látkám, především často nadužívaným antibiotikům, jsou v podstatě nezastavitelné faktory aktivně ohrožující lidské zdraví. Přesto je však v našich silách rozvíjet metody prevence vzniku těchto onemocnění a získávat poznatky o nových účinných sloučeninách, které zmírní dopad rozvinutých infekcí na lidské zdraví.
Jednou z alternativ boje proti patogenním biofilmům jsou přírodní látky s biologickou aktivitou podobnou antibiotikům. Tyto látky disponují výhodou přirozeného výskytu v okolí mikroorganismů, které tak nemají potřebu se jim bránit, a proto nedochází ke vzniku rezistence. Další možností je také syntéza nových chemických sloučenin se strukturou, která je mikroorganismům zcela neznámá a nedovoluje jim rychlou reakci účinky těchto látek, anebo využití různých fyzikálních vlivů.
V naší laboratoři jsme vyvinuli či optimalizovali řadu metod, umožňujících sledování vlivu biologicky aktivních látek na tvorbu či rozvoj biofilmu, pomocí nichž se nám podařilo porovnat účinnost komerčně dostupných antibiotik používaných v praxi a nových látek, které doposud nejsou k léčbě pacientů používány. Kromě potvrzení všeobecně známého faktu snižující se schopnosti antibiotik ovlivnit vznik biofilmů potenciálně patogenních mikroorganismů a tedy i poklesu jejich účinnosti při léčbě infekčních onemocnění jsme nalezli v této oblasti více efektivní sloučeniny z řady přírodních i chemicky syntetizovaných látek. Za nejúčinnější z nich lze považovat chitosan, který se získává jednokrokovou chemickou přeměnou chitinu, přítomného ve schránkách korýšů (např. krabi, humři a krevety).
Aplikace sloučenin tohoto typu může být řešením již dlouhou dobu přetrvávajících obtíží s používáním antibiotik. Přírodní produkty byly pro léčbu nemocí používány lidmi již od pradávna a jsou šetrné k životnímu prostředí. Moderní vybavení, kterým dnes laboratoře disponují, nám navíc umožňuje jejich efektivní izolaci a využití, a proto je tato cesta vhodným směrem k řešení problémů dnešní uspěchané a nemocemi zatížené doby.