Velkommen til hjemmesidene til Senter for Biofilmforskning

Vi består av forskere fra tre norske forskningsmiljøer: Nofima, Veterinærinstituttet og Universitetet i Oslo. Vi er ikke lokalisert sammen geografisk, men har som felles at vi synes det er spennende å forske på biofilm.

Biofilmer har stor betydning for oss mennesker, og vår biofilmforskning er rettet mot mange ulike problemstillinger. Du vil på disse sidene finne stoff om biofilm i matindustrien, i vannsystemer, i kroppen og i fôrindustrien. Vi er spesielt interessert i bakterier, muggsopper og gjærsopper som har betydning for mattrygghet, helse og sykdom, derfor vil du kunne lese om biofilm og sykdomsfremkallende bakterier som Listeria, Salmonella, Stafylokokker og E. coli samt helseskadelige mugg.

Mange av prosjektene vi jobber med dreier seg om å studere hvordan disse uønskede mikroorganismene beskytter seg gjennom biofilmvekst, under hvilke forhold de danner biofilm og hvordan man kan unngå biofilmdannelse og bekjempe mikrober i biofilmer. På disse sidene vil du finne linker til beskrivelse av pågående prosjekter og kontaktinformasjon til forskere tilknyttet senteret.

Reklame

Strategi Senter for biofilmforskning

Strategidokument

 

Senter for biofilmforskning er et virtuelt forskningssenter opprettet av Veterinærinstituttet, Nofima Mat og Universitetet i Oslo. Senteret samarbeider med en rekke forskningsmiljøer i inn- og utland, og forskningen er hovedsakelig konsentrert om bakterier og sopp som kan gi sykdom hos mennesker, dyr og fisk. I dette strategidokumentet påpekes forskningsbehov innen disse områdene.

Hvorfor er biofilm-forskning viktig?

Biofilm er avanserte samfunn av mikroorganismer, for eksempel bakterier, sopp og virus, som er pakket inn i et egenprodusert, beskyttende slimlag. Mikroorganismer foretrekker gjerne et liv i biofilm. Vi finner derfor biofilmer over alt i naturen der det finnes fuktighet og næring, også på slimhinner og på andre overflater i kroppen. Biofilm beskytter mikroorganismer mot antibiotika, desinfeksjonsmidler og immunapparatet bidrar til sykdom i kroppen er reservoarer for smitte utenfor kroppen er et risikomiljø for spredning av antibiotikaresistens og utvikling av nye ”superbugs” Biofilm har derfor stor betydning for spredning av sykdomsfremkallende mikroorganismer og utvikling av sykdom. Biofilm gir økt bruk av antibiotika og desinfeksjonsmidler Bakterier kan tåle så mye som 1000 ganger mer antibiotika når de er i biofilm enn når de er utenfor. Det samme er tilfelle for mange vanlig brukte desinfeksjonsmidler. Konvensjonell bekjempelse av mikroorganismer i biofilm krever derfor store mengde antibiotika eller desinfeksjonsmidler. Dette er lite bærekraftig idet det er uheldig for miljøet og gir dessuten økt risiko for utvikling av resistente bakterier og oppvekst av hardføre sopp Biofilm gir økt risiko for utvikling av “superbugs” Økt handel og transport, samt klimaendringer vil dessuten føre til at en rekke nye mikroorgansimer med nytt genmateriale vil etablere seg i Norge, bl.a. i biofilm. I biofilm er enorme mengder mikroorganismer tett samlet, og gener utveksles mellom dem. På denne måten kan for eksempel importerte antibiotikaresistens-gener raskt spres til andre bakterier. Det kan også oppstå såkalte ”superbugs” som er spesielt aggressive og farlige pga en kombinasjon av egenskaper fra forskjellige mikrober. Stort kompetansebehov Det er en lang tradisjon for å studere sykdomsfremkallende mikroorganismer under laboratorieforhold som ikke fremmer biofilmdannelse. Det er først i senere tid man har fått forståelsen for at biofilm er en naturlig måte å leve på også for disse organismene. Vi vet i dag at mikroorganismer har andre egenskaper når de er i biofilm. Det er derfor et stort behov for økt kompetanse på dette området.

 

 

 

Mattrygghet
Produksjon av mat	Ved produksjon og tillaging av mat kan maten utsettes for smitte fra utstyr og omgivelser. Mikroorganismer som bakterier, mugg og gjær kan overleve og vokse i biofilm i produksjonsmiljøet. For Listeria monocytogenes regner man at hovedårsak til utbrudd skyldes mat som er forurenset fra produksjonsmiljøet. E. coli og Salmonella er andre eksempler på bakterier som smitter gjennom mat og som er gode biofilmdannere. E. coli bakterier av den farlige VTEC-typen kan utvikles i biofilm gjennom spredning av toksingener. Biofilm kan være en risiko i prosessering av både kjøtt, fisk og vegetabiler. Økende grad av automatisering og robotisering, særlig med lukkede systemer gir økt risiko for biofilm og kryssmitte
Vegetabiler	I de senere årene har det vist seg at vegetabiler er en svært aktuell kilde til matbåren sykdom. Kildene til sykdomsfremkallende bakterier på vegetabiler kan være mange, men hvordan de overlever på f.eks. bladgrønnsaker eller frø med svært lite næring tilgjengelig er mindre kjent. På overflaten av vegetabiler er det et stort antall mikroorganismer og det er nærliggende å tro at det er biofilm der og at smittestoff kan inkorporeres og overleve i biofilmen (vist bl.a. på frø til spirer). Samspill med andre mikroorganismer som er til stede har betydning, men man har ikke så mye kunnskap om biofilm og betydningen av denne og hva som kan foregå i biofilmen på vegetabiler.
Vann	Det dannes lett biofilm i vannrør, vanntanker og lignende. Vanligvis består de av relativt ufarlige mikroorganismer, men smittestoffer kan også få fotfeste, vokse og utvikle seg i disse biofilmene. Biofilmen kan dermed bli et reservoar for smitte, både direkte og indirekte hvis for eksempel vannet brukes i lokaler for næringsmiddelproduksjon.
Produksjon av fôr	Bakterier finnes på overflater i fôrfabrikker og kan overleve i fabrikkmiljø i årevis. Det er for eksempel vist at Salmonella som overlever lenge  i fôrfabrikker er spesielt gode biofilmdannere. Kontroll av Salmonella koster norske fôrfabrikker store summer hvert år. En stopp i et større anlegg kan ha kostnader på 3-5 mill kroner. Skulle salmonellaforurenset fôr komme på markedet og infisere husdyr, vil de totale kostnadene mangedobles. Til sammenligning kan nevnes at de totale kostnadene ved salmonellautbruddet etter forurensingen i Lantmännens fôrfabrikk i Sverige i 2003 ble anslått å være 250-300 millioner.
Kompetanse-behov – mattrygghet	Det er viktig å skaffe mer kunnskap om hvilke forhold som fremmer biofilmdannelse av de enkelte smittestoffene, samt om materialbruk og utforming på produksjonsutstyr og lokaler. Dette er spesielt viktig ved økt grad av automatisering og robotisering og lukkede produksjonssystemer. Det er dessuten viktig å få økt fokus på biofilm knyttet til drikke-vann som kilde til uønskede mikroorganismer i prosessering av mat Det må utvikles nye strategier for både å hindre uønsket biofilmdannelse og å fjerne ferdig dannet biofilm. I tillegg til mer kunnskap om antibiofilmeffekt av tradisjonelle midler, vil bioprospektering være viktig (se nedenfor).

 

 

Dyrehelse
Biofilm i miljø som reservoar for smitte	Husdyrmiljøer er ideelle for dannelse av biofilm, varme, fuktige og med mye organisk materiale. Det er dessuten ofte sprekker i gulv og vegg, kroker og skruefester, slur, rør o.l. som er vanskelig å rengjøre. Smittestoffer kan overleve i biofilm i svært lang tid, sannsynligvis i flere år, og fremdeles være i stand til å smitte dyrene. Drikkevannsrør og utstyr er også særlig utsatt for biofilmdannelse. F.eks. kan biofilm i vannledninger i kyllinghus være reservoar for salmonella.
Biofilm som del av sykdom-utvikling	Bakterier kan danne biofilm på slimhinner de fleste steder i kroppen, f.eks. jur, urinveier og  luftveier. Både immunapparatet og antibiotika har problemer med å fjerne smittestoffene i biofilmen. Sykdommene blir gjerne kroniske, fører til vevsskade og er vanskelige å behandle.
Mastitt	Mastitt er den mest tapsbringende dyresykdommen i Norge. Den vanligste årsaken til mastitt i Norge er stafylokokker. Nyere undersøkelser tyder på at stafylokokkenes evne til å danne biofilm kan være viktig for sykdomsutvikling. Det kan også tenkes at evne til biofilmproduksjon også hos andre mastittbakterier, f.eks. streptokokker og E.coli, påvirker utvikling av mastitt. Mer kunnskap og fokus på forebygging og bekjempelse av om biofilm i jur kan dermed føre til en reduksjon av mastitt. Dette vil gi økonomisk gevinst og økt verdiskaping i husdyrbruket. Det vil også bidra til et bærekraftig landbruk ved å redusere bruken av antibiotika.
Sår	Nyere kunnskap viser at biofilm med sårbakterier skaper store problemer for sårheling bl.a. fordi den utgjør en fysisk barriere som hindrer hudceller i å vokse inn i såret. Bakteriene i biofilmen er godt beskyttet og lar seg derfor vanskelig fjerne, verken med antibiotika eller av kroppens immunsystem. Det er et stort behov for strategier for å hindre/fjerne biofilm i sår.
Kompetanse-behov – dyrehelse	Det er nødvendig med mer kunnskap om betydning av biofilm i sykdomsutvikling, for eksempel betydning av biofilm for mastitt som er Norges mest tapsbringende husdyrsykdom. Slik kunnskap kan legge grunnlag for både bedre forebyggende tiltak og behandling. Det er viktig å skaffe mer kunnskap om hvilke forhold som fremmer biofilmdannelse av de enkelte smittestoffene i husdyrrom, samt om betydningen av materialbruk og utforming på utstyr og lokaler. Det må utvikles nye strategier for både å hindre uønsket biofilmdannelse og å fjerne ferdig dannet biofilm. I tillegg til mer kunnskap om antibiofilmeffekt av tradisjonelle midler, vil bioprospektering være viktig (se nedenfor).

 

 

 

Fiskehelse
Biofilm i miljø som reservoar for smitte	Vann er et utmerket miljø for biofilmproduksjon (”begroing”), og det vil dannes biofilm på alle faste overflater i vann, for eksempel fiskeoppdretts-installasjoner. Disse biofilmene vil i stor grad bestå av miljøorgansimer, men sykdomsfremkallende bakterier, sopp og virus, kan også etablere seg og overleve i disse biofilmene, og bidra til gjentatte sykdomsutbrudd. Vi har i dag svært lite kunnskap om den mulige betydningen av dette.
Biofilm som del av sykdom	Mikroorganismer kan danne biofilm på slimhinner, f.eks. gjeller.  Både immunapparatet og antibiotika har problemer med å fjerne smittestoffene i biofilmen. Sykdommene blir gjerne kroniske, fører til vevsskade og er vanskelige å behandle. Dannelsen av biofilm på eller i fisken kan være et mulig bidrag til sykdomsutvikling, for eksempel ved å hindre sårheling. Vi har i dag begrensede bærekraftige metoder for å forhindre og behandle sykdomsutbrudd hvor biofilm spiller en rolle,.
Kompetanse-behov – fiskehelse	Det finnes svært lite kunnskap om biofilmegenskaper hos smittestoffer hos fisk til tross for at det meste i vann er dekket av biofilm. Det er derfor et stort behov for kunnskap om dette og om betydningen av biofilm i utvikling og spredning av sykdom hos opprettsfisk.

 

 

 

Bioprospektering

Det må utvikles nye strategier for både å hindre uønsket biofilmdannelse og å fjerne ferdig dannet biofilm. I tillegg til mer kunnskap om antibiofilmeffekt av tradisjonelle midler, vil bioprospektering være viktig. I denne sammenheng vil bioprospektering være meget viktig. Det er allerede funnet noen lovende stoffer i en marin makroalge og i noen landplanter. Det er høyst sannsynlig at det finnes flere aktuelle kandidater både i sjøen og på land, som kan bidra til bedre mattrygghet, bedre helse og en bærekraftig matproduksjon.   Det er lite sannsynlig at naturen kan produsere tilstrekkelig volum av interessante biologisk aktive forbindelser for bruk i bekjempelse av samfunnsproblemer. Det vil derfor være nødvendig at man har et apparat som kan fremstille disse forbindelsene i industriell skala. Her vil organisk syntese spille en nøkkelrolle. Organisk syntese er også viktig for muligheten til å lage analoger av interessante forbindelser.  Analoger vil eventuelt kunne ha høyere aktivitet enn de naturlig forekommende forbindelsene eller de kan ha lavere toksisitet, ulik løselig osv. Kort sagt vil organisk syntese kunne være med på å ”finstemme” de naturlig forekommende forbindelsene slik at de blir mer praktisk anvendbare.

 

 

 

Humanhelse
Tannhelse	Hull i tennene (karies) og tannløsning (periodontitt) er tannsykdommer som rammer svært mange individer og koster samfunnet årlig store summer. Både karies og periodontitt er forårsaket av bakterier i biofilm. Effektive metoder for å hindre eller redusere biofilm på tenner vil spare enkelt individer for plager og samfunnet for store omkostninger.
Sår	Nyere kunnskap viser at biofilm med sårbakterier skaper store problemer for sårheling bl.a. fordi den utgjør en fysisk barriere som hindrer hudceller i å vokse inn i såret. Bakteriene i biofilmen er godt beskyttet og lar seg derfor vanskelig fjerne med verken antibiotika eller av kroppens immunsystem. Kroniske sår utgjør et betydelig helseproblem med enorme kostnader. Problemet er økende pga økt levealder og livsstilsykdommer som diabetes. Det er derfor et stort behov for strategier for å hindre/fjerne biofilm i sår.
Implantater	Moderne medisin innbefatter utstrakt bruk av implantater, stents og ulike katetere. Slike implanterte fremmedlegemer vil kunne dekkes av ulike biofilmbakterier og forårsake infeksjoner. Slike infeksjoner er vanskelig å bekjempe og krever ofte at implantatet må fjernes, noe som fører til store plager for pasient og omkostninger for samfunnet. Økt kunnskap om de aktuelle bakteriene og faktorene som bidrar til biofilmdannelse vil øke muligheten for å utvikle nye metoder for å forebygge og behandle implantatinfeksjoner.

 

Kompetanse-behov – humanhelse

Det er nødvendig med mer kunnskap om betydning av biofilm i sykdomsutvikling, Slik kunnskap kan legge grunnlag for både bedre forebyggende tiltak og behandling. Det er også viktig å skaffe mer kunnskap om metoder for å hindre eller redusere biofilmdannelse i kroppen, for eksempel på tenner, i sår, og på implantater. I tillegg til mer kunnskap om antibiofilmeffekt av tradisjonelle midler, vil bioprospektering være viktig.

 

Bakteriebomber eller bare en biofilm?

Jevnlig blir vi alle bombardert med skrekkoppslag om bakteriebombene i hjemmet. Jeg er en av dem som blir kontaktet av journalister på jakt etter skremmende eksempler på dødsbakteriene som truerr oss i det vi tror er verdens tryggeste sted – hjemme. Hvor er bakteriebombene egentlig? Er de farlige? Når det skrives om bakteriebomber dras PC-tastatur og mobiler ofte frem, men det er ikke mange mikrober som trives særlig godt på en tørr tast. Det blir for tørt rett og slett. Og lite mat. Jeg vet meget godt hvor hjemmenes største bakteriekolonier er (bortsett fra de som befinner seg på/i beboerne og deres kjæledyr). Den største kolonien må være på badet – i sluket. Der er forholdene perfekte for å lage millionbyer av bakterier. Det er fuktig, jevn tilgang på næring og en deilig temperatur. Alt ligger til rette for et fargerikt felleskap som velter seg i slim som holder byen sammen. Det formerlig yrer og syder av liv! Mens man i resten i huset kan klare seg med støvtørking og milde såper må det bokstavelig talt sterkere lut til for å få bukt med krypene i sluket. Og noen ganger holder ikke det heller. Noen ganger må det tilkalles eksperthjelp og biofilmen må løsnes med ren kraft. Badesluket er kanskje verst, men kjøkkenavløpet ligger ikke langt etter. De som får plass i dette bofellesskapet er heldige! Ikke fullt så sydenvarmt som på badet, men et fuktig klima med fri tilgang på variert og energirik kost er attraktivt for ellers nøysomme enslige organismer. De produserer millioner av slektninger og deler også herligheten med vennligsinnede fremmede arter. Mye bedre enn et tørt PC-tastatur eller parkettgulv.

Det har vært undersøkt om man kan redusere millionbyene i kjøkkenavløp til glisne landsbyer ved å desinfisere. Dette har vist at man får en liten overgangsperiode der de svakeste innbyggerne forsvinner, men de blir raskt erstattet av nye og sterkere beboere og biofilmen lever videre i beste velgående. Ikke bare beskytter mikrobene seg gjennom å dekke seg til med et slimlag – her har man et bredspektret samfunn, både når det gjelder sammensetning (ulike arter) og boforhold. De som bor i kjelleren har helt andre boforhold enn de i toppetasjen og hvordan man har det avhenger er jo også av hvem du har som nabo. Om det er de som har levd fett eller de som har sultet, om det er de som har hatt en tøff eller trygg fortid som best takler utfordringer vil variere. Uansett er det alltids noen som er rustet å overleve en katastrofesituasjon i form av kjemikalier eller intens skrubbing.

Men er slike biofilmer farlige for oss mer avanserte vesener? Eller er de bare ufyselige og kvalmende? Som oftest lever det bare harmløse bakterier i sluk og avløpsrør, i allefall harmløse for ellers friske mennesker. Og mens forskerne har brukt mange år på studere hvordan biofilmer tåler både sterke kjemikalier og mekanisk energi, har enhver person som har opplevd et tett sluk skjønt at det ikke nytter med vaskefille og oppvaskmiddel – det må sterkere midler til. I tillegg er det bare å innse at man må dele kjøkken og bad med en del ubudne gjester og rett og slett overse dem så lenge de ikke er plagsomme gjennom stinkbombing eller tetting av rør. Biofilm

(Men se opp! I dusjhodet kan man, i sjeldne tilfeller, finne en ekte biofilmtrussel – Legionella. )

Om juleevangeliet, biofilm & quorum sensing

Som en oppfølger av diskusjonen rundt tilbudet til fødende i Molde og Betlehem (og Jerusalem!) i Stortingets spørretime i forrige uke hørte jeg en snutt av juleevangeliet lest på radioen. Og jeg fikk umiddelbar assosiasjon til biofilm. Det er mulig at sånt gir grunn til bekymring. Jeg tar likevel sjansen på å dele tankerekken min med dere, så får dere dømme selv.

Juleevangeliet innledes som kjent slik: Det skjedde i de dager at det gikk ut befaling fra keiser Augustus om at hele verden skulle innskrives i manntall. Denne første innskrivning ble holdt mens Kvirinius var landshøvding i Syria. Og alle drog av sted for å la seg innskrive, hver til sin by. Josef drog da fra byen Nasaret i Galilea opp til Judea, til Davids by Betlehem, siden han var av Davids hus og ætt. Folk måtte altså slippe alt de hadde i hendene og reise langt og lenger enn langt for å skrive seg inn i manntall til tross for langt framskredne svangerskap og det som verre var. Utrolig tungvint. Det er mye enklere i biofilmer!

I en biofilm måles nemlig også manntallet (celletettheten). Og det gjøres ved celle-til-celle kommunikasjon eller Quorum sensing (QS). Vi bruker begrepet QS for å beskrive det fenomenet at antall bakterier (eller andre mikroorganismer) i en populasjon (biofilm) kan registreres av de andre bakteriene gjennom varierende konsentrasjon av ulike signalmolekyler. Temmelig high tech, ikke sant?

Oppdagelsen av at bakterier er i stand til å kommunisere med hverandre snudde opp ned på forestillingen om hvor enkle mikroorganismer egentlig er. Bakteriene snakker med hverandre gjennom signalmolekyler som de selv produserer og frigir og som også gjør dem i stand til å sense antallet stammefrender i nærmiljøet. Motivet for å holde orden på manntallet er ikke så ulikt i det gamle Syria og i en biofilm. I Syria var det behov for å øke skatteinntektene etter langvarig krigføring, i en biofilm er det viktig samordnede strategier for biologisk krigføring, f.eks det å infisere en vert på en effektiv måte.

QS gjør altså bakterier i stand til å koordinere atferden. Miljøforhold kan fort endre seg, og bakteriene må derfor kunne respondere raskt for å overleve. Slike responser kan være å kunne tilpasse seg til endret næringstilgang, kunne forsvare seg mot andre mikroorganismer som konkurrerer om de samme næringsstoffene og kunne unnslippe stoffer som kan true bakteriene (f.eks. antibiotika og desinfeksjonmidler). For patogene bakterier som infiserer mennesker, dyr eller planter er det viktig å kunne koordinere virulensen (hvor ”sinte” de er) for å kunne unnslippe vertens immunrespons.

Mikroorganismer kan altså kommunisere med hverandre. Under forutsetning av at de snakker samme språk. Ulike typer mikroorganismer opererer nemlig med forskjellige klasser signalmolekyler. Det betyr at en streptokokk ikke nødvendigvis skjønner et kvidder salmonellask. Eller at stafylokokksk er helt gresk for gjærsopp. Over hele verden, også av partnere i Senter for biofilmforskning, bedrives det nå intensiv forskning på flere typer QS-systemer hos ulike organismer i forskjellige biotoper. Utrolig spennende forskning!

Til slutt vil jeg dele enda en liten assosiasjon: Et quorum er det minste antallet medlemmer i en gruppe som er nødvendig for å utføre gruppens mandat. Begrepet quorum er latin og betyr av hvem men er i QS-begrepet hentet fra middelengelsk (i bruk fra ca år 1000 og drøye 450 år framover) der det ble brukt om oppdraget som ble gitt for å håndheve fred.

Med dette ønskes en fredelig julehelg!

Ida Skaar, Veterinærinstituttet

Rapport fra biofilmens vugge

Jeg tilbringer dette året ved Center of Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman, USA. Selv om biofilmer har eksistert like lenge som livet på jorden, så var det her mye av forskningen for 20-30 år siden ble gjort som viste at i de fleste naturlige miljøer vokser mikroorganismer innkapslet i slim på overflater. Til da var omtrent all mikrobiologisk forskning basert på studier i flytende medium i reagensrør, så dette var virkelig noe nytt.

 

 

Dette åpnet opp for et helt nytt perspektiv innenfor mange forskningsfelt, for man finner biofilmer overalt. De fleste infeksjoner hos mennesker skyldes biofilm, slimlaget beskytter både mot vårt immunsystem og mot antibiotika.

Grønt slim i Yellowstone

Ellers er for eksempel slim i sluk, begroing på båter, belegg på tenner og kontaktlinser biofilm. Og for å kontrollere eller fjerne disse biofilmene må man ha kunnskap om dem, det holder ikke å vite hvordan bakterier vokser i flytende systemer. Et eksempel er at biofilmer kan tåle desinfeksjonsmidler 1000 ganger bedre enn frittlevende bakterier.

Oppdagelsen førte også til opprettelsen av biofilmsenteret her, som er det ledende i verden på studier av biofilm. Det jobber ca 100 personer her. Senteret er tverrfaglig sammensatt og man ser på biofilm i mange sammenhenger med felles metodepark, for eksempel innenfor medisinsk forskning, vannrensing og desinfeksjon. Her er jeg altså dette året og skal lære mer om hvordan bakterier i biofilm reagerer på stress og hvordan man kan mikroskopere tykke biofilmer og se ulike bakterier lyse i ulike farger. Inspirerende forskningsmiljø og greie og åpne amerikanere. Dette blir nok et lærerikt og hyggelig år.

Vi befinner oss bare 100 km fra Yellowstone nasjonalpark, og der kryr det av vakre biofilmer ved de varme kildene. Senteret her har gjort mye av

Varm bekk full av biofilm

forskningen sin på disse biofilmene. Viser et par bilder jeg tok på en tur dit, som viser hvordan ulike organsimer vokser i slimlag på bakken.

Metoder for å studere biofilm

Utviklingen av nye metoder for å studere biofilm har vært viktig for den eksponentielle økningen av faglige publikasjoner på biofilm de siste årene. Disse forsøksmetodene består hovedsakelig av å standardisere dyrkning av biofilm, samt metoder for karakterisering, kvantifisering og visualisering av biofilm.

Dyrkningssystemer for biofilm kan deles i statiske og dynamiske systemer. Statiske systemer er modeller for biofilmdannelse under forhold uten væskestrøm over overflaten. Biofilmen er derfor ikke utsatt for skjærkrefter og det er heller ikke kontinuerlig tilførsel av ny næring. Eksempler på denne type biofilmer vil man kunne finne på flater som ofte er utsatt for kondens, i dødsoner/hulrom i prosessutstyr hvor det samler seg opp næringsstoffer eller i sprekker i slitte transportbånd. For dynamiske dyrkningssystemer dannes biofilmen under en væskestrøm. Biofilmen blir altså utsatt for skjærkrefter og man velger ofte også å ha en kontinuerlig tilførsel av næring. Eksempler på denne type biofilmer vil man kunne finne i rørsystemer (vannrør, melkeanlegg), i områder der det drypper væske nedover en flate. Ofte dannes biofilmer under vekslende betingelser. I for eksempel sluk vil det dannes biofilmer som i perioder utsettes for dynamiske forhold og i perioder har statiske betingelser. Valg av modellsystem for studering av biofilm er avhengig av hva slags type biofilm man ønsker å simulere. I og med at ulike bakterier krever ulike betingelser for å danne biofilm vil valg av system har stor betydning for om det dannes biofilm, hvor mye som dannes, biofilmens struktur, sammensetning og egenskaper.

Statiske systemer
I slike systemer vil materialet man dyrker biofilmen på være helt eller delvis dekket av et vekstmedium eller den dyrkes under svært høy luftfuktighet. Det mest vanlige systemet er å dyrke biofilmer i mikrotiterbrett av plast med 96 brønner, men bruk av kuponger som senkes ned i en suspensjon av mikroorganismer er også mye brukt. En tredje metode er å oppbevare kuponger tilsatt næring og mikroorganismer under høy luftfuktighet.

I statiske systemer vil materialet man dyrker biofilmen på være helt eller delvis dekket av et vekstmedium eller den dyrkes under svært høy luftfuktighet.

Dynamiske systemer
Disse systemene består vanligvis av et sterilt kammer, hvor vekstmedium tilføres kontinuerlig ved hjelp av en pumpe. Fordelen med slike systemer er at frittlevende celler vil fjernes, samt at det skjer en kontinuerlig tilførsel av næringsstoffer og fjerning av avfallsstoffer.

Bruk av flow-cell reaktorer med 3 uavhengige kanaler, der man kan studere 3 biofilmer samtidig, er et av de vanligste systemene for å studere biofilmer. I dette systemet kan man en kontinuerlig værskestrøm over biofilmen gjennom å pumpe væske gjennom et kammer. Dette systemet er spesielt tilpasset for å følge veksten av bakterier som utrykker GFP (Green Fluorescence Protein), da bakteriens dynamiske vekst over tid kan følges ved hjelp av et konfokal mikroskop.

Flow-cell reaktorer med 3 uavhengige kanaler er et av de vanligste systemene for å studere biofilmer.

CDC-reaktoren består av en sylinder der det settes ned 8 vertikale staker som igjen inneholder tre kuponger hver. Ofte har man en kontinuerlig tilførsel av ny næring ved å koble reaktoren til et pumpesystem. Reaktoren har et midtstilt røresystem og skjærkreftene oppnås ved å ha kontinuerlig røring av væsken. Stakene kan tas ut individuelt for å studere biofilm.

CDC-reaktoren består av en sylinder der det settes ned 8 vertikale staker

Et tredje dynamisk vekstsystem vi bruker er ”drip-flow” reaktoren. Drip-flow systemet har samme prinsippet som flow-celle, hvor biofilmen er dyrket i et sterilt kammer som tilføres vekstmedium kontinuerlig. Forskjellen mellom de to systemene er dråpevis tilførsel av ferskt vekstmedium i drip-flow systemet samt at overflaten er eksponert for luft, mens i flow cell systemet skjer tilførselen av medium kontinuerlig med større skjærkrefter. I drip-flow systemet kan biofilmen dyrket på en hvilken som helst type overflate mens i flow cell systemet, kan biofilmen bare dyrkes på dekkglass. En av de største fordeler med drip-flow systemet, er at man kan studere biofilm i åpne systemer i overgangen mellom væske og luft.

I Drip-flow systemet dyrkes biofilmen i et sterilt kammer som tilføres vekstmedium kontinuerlig med dråpevis tilførsel av ferskt vekstmedium.

Målemetoder for biofilm
Antall mikroorganismer kan bestemmes ved å løsne dem fra materialet for eksempel med svabring eller ultralyd og ordinære mikrobiologiske metoder. Det er også vanlig å kvantifisere ved å måle total masse eller totalprotein eller -polysakkarid. Kvantifisering av biofilm kan også gjøres ved å farge biofilmen med fluoriscerende fargestoffer og spektroskopiske målinger.

En biofilm har en tredimensjonal struktur som ikke kan studeres med bare vanlig mikroskop. I det siste, har bruken av konfokal mikroskopi blitt et vesentlig verktøy for å analysere biofilm, som muliggjør en tredimensjonal studie uten å ødelegge biofilmens struktur. Ulike fargeteknikker eller markører kan også brukes til å skille mikroorganismer av ulike stammer, eller fysiologiske og metabolisk celletilstand. Ved hjelp av MATLAB baserte dataprogrammer som COMSTAT og PHLIP kan man blant annet beregne gjennomsnittlig biovolum og tykkelse av en biofilm.

Ulike fargeteknikker eller markører kan blant annet brukes til å skille mikroorganismer av ulike stammer eller fysiologiske og metabolisk celletilstand

Liv og røre i Slime City

Det er kjempegøy å forske på mikrobiologi! Både i artsmangfold og biomasse utklasser mikroorganismene glatt høyerestående liv. Det er en fantastisk variasjon i former og farger. De er generelt tilpasningsdyktige så det holder. De kan leve og formere seg der ingen skulle tru at nokon kunne bu, for eksempel vokser det sopp inne i steiner i Antarktis. Da er du fornøyd med lite! Men det realityshowet som går for seg mellom mikroorganismer i en biofilm, det er virkelig til å miste pusten av!

Biofilmer er nemlig svært organiserte samfunn, Slime Cities, av mikroorganismer. Slime Cities har en avansert arkitektur, vareleveranse-, vann- og avløpssystemer og byplanlegging. Og det hele er helt avhengig av god kommunikasjon. Det kan til og med se ut til at det kan etableres kommunikasjonssystemer som kan sammenlignes med telefonlinjer. Og i kriker og kroker pågår uhemmet utveksling av arvemateriale i reneste Paradise Hotel-stil. Selv om brorparten av forskning har foregått på monokulturelle biofilmer, er det klart at de fleste naturlige biofilmer er flerkulturelle, med innslag av en haug ulike ”etniske” grupper. Ikke nok med det: i byen foregår det lyssky, nærmest kriminalistiske affærer der innbyggere kan skjule både seg selv og hverandre for overmakta. Biofilmen er nemlig en knallgod strategi for å beskytte innbyggerne mot miljøpåvirkninger og lumske farer som desinfeksjons- og vaskemidler og andre uhumskheter. Jeg bare minner om at vi her altså har å gjøre med vesener som er noen få mikrometer store!

Ulike typer biofilm finnes over alt rundt oss: på kjøkkenbenken, i fabrikker som produserer mat eller fôr, i vannrør, på tennene våre eller andre steder i kroppen, bare for å nevne noe…. Fascinerende er bare fornavnet! Ikke rart at forskningen på biofilm er økende verden over. Kan vi forstå, og i neste omgang kontrollere, mekanismene bak oppbygging og nedbrytning av biofilm vil det ha stor betydning innenfor områder så forskjellige som medisin, mattrygghet og oljeboring; igjen bare for å nevne noe…

Inspirert av mikroorganismene vi forsker på har biofilmforskere fra Nofima Mat, Universitetet i Oslo og Veterinærinstituttet også slått seg sammen og rullet ut den røde løperen for Senter for biofilmforskning! På hjemmesiden vår kan du finne ut mer om hva vi holder på med og hvem vi er. Vi har hver for oss, sammen og i samarbeid med andre forsket på biofilm noen år nå. Vi har kompetanse på ulike typer mikroorganismer i biofilmer knyttet til mat, fôr og vann samt ulike medisinske problemstillinger, knyttet til både mennesker og dyr. Med forskjellige utgangspunkt men felles interesse: å forstå mer av biofilm. En ting er sikkert: Her er det mye å fortelle om, så det akter vi å gjøre nå og da, under navnet Biofilmviterne. Vi har til hensikt å dele både smått og stort om så vel biofilmen i seg selv som biofilmstjernene som bor der, så her er det bare å henge med!

Velkommen til biofilmvisning!

Fakta om gjær

Hva er gjærsopp?
Gjær er encellede mikroskopiske sopp. Formeringen, som kan være ukjønnet og/eller kjønnet, foregår ved deling og/eller knoppskyting. De lager ikke hyfer slik som muggsoppene gjør, men de kan organisere cellene slik at de ligger etter hverandre i falske hyfer, pseudohyfer. Mens muggsopp bruker et døgn på å fordoble antallet, trenger gjærsoppene bare 1-12 timer.

Gjærsoppene danner kolonier som varierer i størrelse fra mikroskopiske til godt synlige “flekker” på underlaget. Gjærkolonier har oftest et blankere eller fuktigere utseende enn det muggkolonier har. De fleste gjærsopp er strikt aerobe, noe som betyr at de må ha oksygen for å vokse. Det finnes likevel sopp som kan vokse ved lave oksygen og høye karbondioksidkonsentrasjoner. Temperaturintervallet for gjærvekst er bredt. Optimumstemperaturen er generelt høyere enn for muggsopp, men både ved veldig lave og veldig høye temperaturer kan flere arter vokse godt. De fleste arter er likevel følsomme for varme, og både vegetative celler (hyfer) og sporer drepes vanligvis ved pasteurisering. En del arter tåler imidlertid høyere temperatur.

Mange gjærsopper tåler veldig lave vannaktiviteter (ned til aw 0,62) og er tolerante for både salt og sukker. Sopper med slike egenskaper kaller vi xerotolerante. I motsetning til muggsopp danner gjærsopp ikke mykotoksiner, men mange arter kan lage både overflatiske og dype infeksjoner hos mennesker og dyr. Gjær har dårlig antibakteriell effekt, men kan hemme andre sopp. Såkalte killer gjær produserer toksiske polypeptider som dreper andre arter i samme slekt. Killer gjær kan dermed være nyttige for å hemme uønskede gjærarter, men kan også forårsake stor skade i fermenteringsprosesser i produksjon av mat og drikke.

Gjærsopp i biofilm
Det har lenge vært kjent at gjærsopp kan danne biofilm både på mat, på overflater, i kroppen vår og i vannsystemer. Flere studier har for eksempel vært gjort på dannelsen av biofilm med gjærsopp i medisinske kateter og i medisinsk utstyr som er koblet til vannledningsnettet, f.eks. tannbehandlingsenheter. I en stor studie av muggsopp i norsk drikkevann som ble gjennomført ved Veterinærinstituttet tydet resultatene på at også gjærsopp ikke bare transporteres via drikkevannledningsnettet, men også har evnen til å oppformere seg i ledningsnett og rørsystem. Gjærsopp har evne til å etablere seg i ledningsnettet, særlig på steder med lav sirkulasjon eller stagnasjon. Biofilm kan også dannes i interne ledningsnett i bygninger, også i dusjhoder, kraner og andre vanninstallasjoner. Slik biofilm vil da kunne fungere som kilde for gjær i vannet, og biter av biofilm kan løsne og medføre at gjærnivået i vannet øker. Fordi mange gjærarter potensielt kan forårsake sykdom hos mennesker og dyr, vil forhøyede nivåer av problemarter være uheldig, og kan i verste fall representere en helserisiko for særlig utsatte grupper. Også kunnskapen om gjærsopp i biofilm er svært begrenset, både med tanke på forekomst, betydning og behandling. Økt kunnskap er ønskelig, ikke minst om sameksistens av bakterier og sopp i biofilm.

Fakta om Staphylococcus epidermidis og Staphylococcus aureus

S. epidermidi og infeksjoner
S. epidermidis er en vanlig forekommende bakterie på huden og ble lenge betraktet som ufarlig. Biofilmdannelse av S. epidermidis på implantater ble for første gang oppdaget 1961. Fenomenet ble omtalt som slimproduksjon og det ble ansett å være unikt for denne spesielle S. epidermidis stammen. Først i 1982 ble det oppdaget at mange stammer produserer dette slimet og at det faktisk kunne være en oversett patogen karakteristikk hos S. epidermidis. De siste tiårene har S. epidermidis vist seg å være en av de vanligste bakteriene som blir isolert fra biofilminfeksjoner i forbindelse med implantater og proteser.

Bruken av implantater er sterkt økende. Dette fører til økt antall tilfeller av infeksjoner, til tross for ivrig innsats for å redusere tallet. Bruk av implantater er også forbundet med en økt risiko for at bakterier, spesielt S. epidermidis, blir mer infeksiøse og utvikler en biofilm som har fenotypisk resistent mot de fleste antibiotika som brukes i dag. To tredjedeler av alle infeksjoner i forbindelse med ledd-proteser er forårsaket av Staphylococcus aureus og koagulasenegative stafylokokker (CoNS). I forbindelse med infeksjoner ved bruk av katetre er CoNS den hyppigst isolerte patogene bakterien og S. epidermidis står for mer enn 60 % av alle infeksjoner forårsaket av CoNS.

Problematikken med implantater og infeksjoner er avhengig av at bakteriene danner biofilmer på implantatenes overflater. Når et fremmed legeme introduseres i kroppen dekkes dette raskt av  en proteinfilm denne kan danne basis for kolonisering av patogene bakterier. Biofilmen er motstansdyktig overfor kroppens eget forsvar og mot en rekke antibiotika. En etablert infeksjon assosiert med biofilm er den derfor vanskelig å fjerne.

Siden antallet infeksjoner i forbindelse med implantat øker i takt med bruken av implantat, øker også bruken av antibiotika. Dette har ført til at resistens mot de fleste typer antibiotika sprer seg raskt og det finnes nå mange multiresistente S. epidermidis stammer.

S. aureus og matproduksjon
Staphylococcus aureus er en av de vanligste årsakene til matbåren sykdom. Symptomer på matforgiftning forårsaket av S. aureus er kvalme, oppkast, magekramper og diaré 1-8 timer etter man har spist forurenset mat. Direkte smitte fra personer som håndterer mat eller bruk av råvarer som er smittet med S. aureus (f eks melk fra kuer med mastitt) samt oppbevaring ved temperatur hvor bakterien kan vokse og produsere toksin er oftest oppgitt som hendelsesforløp ved utbrudd. Allikevel står forurensing av mat fra urent utstyr for en stor andel av smittetilfeller. Stafylokokker overlever godt under tørre forhold og kan derfor overleve lenge på utstyr brukt i produksjon av mat og fôr. I fuktige miljøer og ved temperaturer som gir vekst, kan stafylokokker danne biofilm. Stafylokokker i biofilm er vanskeligere å fjerne ved ordinært renhold og bakteriene kan dermed gi opphav til såkalte husstammer som etablerer seg i produksjonsmiljøet og er vanskelig å bli kvitt. Det er imidlertid ennå ikke rapportert om husstammer av toksin-produserende S. aureus  i matprodukssjonsmiljø. Det er de siste årene vært økt bekymring for spredning av methicillin-resistente S. aureus fra mat, men eksemplene på at dette har skjedd er foreløpig få.

Fakta om Listeria

Hva er Listeria?
Listeria består av flere ulike arter hvor Listeria monocytogenes er en viktig sykdomsfremkallende bakterie som kan gi sykdommen Listeriose. Listeria er utbredt i miljøet, for eksempel i jord og vann. Listeria smittes først og fremst gjennom maten. Listeriose er en sjelden sykdom, men den har høy dødelighet (20-30 %). Sårbare grupper er gravide (abort), eldre, små barn og personer med nedsatt immunforsvar. Det kreves oftest høye konsentrasjoner av bakterien i maten før den gir sykdom.

Problematiske matvarer er de. som lagres kjølig over lang tid. Eksempler på produkter der Listeria kan vokse opp til høye konsentrasjoner er kaldrøkt laks, bløtoster, rakfisk og kjøttpålegg. Bløtost av upasteurisert melk har vært årsak til større utbrudd i utlandet, der denne type produkter er mer vanlig.

Listeria og matindustrien
I og med at Listeria er utbredt i miljøet, vil Listeria kunne forekomme på råvarer. Varmebehandling som pasteurisering eller koking vil imidlertid drepe bakterien. Listeria på varmebehandlete produkter (kjøttpålegg, bløtost av pasturisert ost) er derfor forårsaket av bakterier som har blitt overført til maten etter varmebehandling. For å unngå at dette skjer, har matindustrien strenge hygieniske rutiner. Dette innebærer blant annet skiller mellom avdelinger med råvarer og varmebehandlete varer, god personlig hygiene og daglig vask og desinfisering av alt utstyr som er i kontakt med mat.

Erfaringer viser at selv bedrifter med god hygiene og gode rutiner kan få Listeria på produktene. Flere undersøkelser har vist at bedrifter som sliter med Listeria-problematikk over lang tid ofte har såkalte hus-stammer av Listeria. Det er altså ikke snakk om Listeria som kommer sporadisk med råvarene eller fra miljøet. Dette tyder på enkelte Listeria etablerer seg i produksjonsmiljøet, mens andre ikke gjør det. I bedrifter med generelt god hygiene kan problemet være knyttet til én eller et fåtall smittekilder, f eks en enkelt slice-maskin eller ett enkelt transportbånd. Det er viktig å finne denne nisjen for å få bukt med et vedvarende problem.

Karakteristisk for nisjer der man finner Listeria er at det er områder som er fuktige og vanskelig å rengjøre. Dette gjør at Listeria får anledning til å vokse i biofilm og dermed bli enda vanskeligere å kvitte seg med. Listeria har vist seg ikke å være spesielt god til å danne biofilm under kjølige forhold og kanskje kan andre bakterier i miljøet være med på å beskytte Listeria ved å danne biofilm sammen med eller rundt Listeriabakteriene. Dette er noe vi forsker for å finne ut mer om.

Listeria i hjemmet
Flere studier har vist at Listeria kan finnes i for eksempel kjøkkenkluter og disse kan derfor fungere som smittekilde for Listeria i hjemmet. I et pågående forskningsprosjekt studerer vi bakterieflora på kjøkken og vekst av Listeria i mat under forhold hos forbrukere.

Fakta om E. coli

Hva er E. coli?
Escherichia coli, som forkortes E. coli er en av våre vanligste tarmbakterier. Navnet kommer fra Escherich som oppdaget og beskrev bakterien i 1885 og coli fra colon som betyr tykktarm. Siden den gang har faktisk E. coli blitt den mest studerte levende organisme. Mye av det vi vet om bakteriebiologi har sitt grunnlag i studier av denne organismen. E. coli omfatter en stor gruppe bakterier hvor over 250 ulike serotyper er blitt påvist. E. coli er naturlig forekommende i tarmfloraen hos de fleste varmblodige dyr, også menneske, der den er viktig for fordøyelsen i tillegg til at den produserer noe vitamin K som vi trenger. De fleste E. coli gir ikke sykdom hos menneske, men bakterien kan i enkelte tilfeller utvikle sykdomsfremkallende (patogene) egenskaper. E. coli utgjør dermed en rekke patogene varianter som kan gi ulike implikasjoner; urinveisinfeksjoner, mild diaré, blodig diaré, kronisk diaré, nyresvikt og også gi infeksjoner knyttet til forurensede implantater. Såkalte Enterohemmorhagiske E. coli (EHEC, se under) gir de alvorligste matbårne infeksjonene. Drøvtyggere er kjent som viktig reservoar for EHEC hvor friske dyr kan ha patogene E. coli i tarmen som direkte eller indirekte kan overføres til mat eller drikkevann og gi sykdom hos menneske. E. coli er den best karakteriserte gruppen av bakterier og er derfor mye brukt som modellbakterie for bedre forståelse av bakteriebiologi.

E. coli som sykdomsfremkallende bakterie
Noen bakterier av typen E. coli produserer giftstoffer som kalles shigatoksiner og danner dermed en gruppe E. coli kalt shigatoksinproduserende E. coli (STEC). En undergruppe av disse STEC-bakteriene kalles enterohemmorhagiske E. coli (EHEC) fordi de gir blodig diaré og enkelte ganger nyresvikt. Mange STEC gir trolig ikke sykdom hos mennesker. Det betyr at EHEC i tillegg til å produsere shigatoksiner også har andre egenskaper som er nødvendig for å kunne gi sykdom hos mennesker. Den EHEC-varianten som oftest gir sykdom hos mennesker betegnes E. coli O157. Det spesielle med EHEC er det svært lave antall bakterier skal til for å gi sykdom. Så lite som omkring 10 bakterier kan gi sykdom. Man blir nødvendigvis ikke alvorlig syk, men mange vil få diare. Hos noen vil diareen bli kraftig og blodig. Normalt vil om lag 5-10% av de som får blodig diare utvikle nyresvikt. Hos de som utvikler nyresvikt er dødeligheten ca 5%. Barn har større risiko for å bli syke enn voksne. Årsak til dette er ikke kjent, men skyldes trolig at kroppens immunologiske forsvar ikke er fullt utviklet.

Forekomsten av EHEC infeksjon i Norge har i mange år vært lav med om lag 10-30 rapporterte tilfeller årlig. Det første store nasjonale utbruddet i 2006 ble knyttet til smittet spekepølse som kilde. I 2009 var det flere utbrudd med totalt 108 registrerte persontilknytninger. Dette inkluderte et utbrudd med en hittil ukjent variant av EHEC hvor smittekilden ennå ikke er funnet.

EHEC i mat og matmiljøer
Studier av EHEC viser at bakteriene har god evne til overlevelse i omgivelser/produkter med lav pH, relativt høyt saltinnhold samt tolererer tørre omgivelser. De er derfor potensielt gode evner til å overleve i ulike typer mat. E. coli har også gode evner til å overleve i miljø/utstyr der mat produseres, men evne til etablering, vekst og overlevelse er avhengig av en rekke faktorer. Vi har bl.a. sett at andre miljøbakterier kan påvirke etablering og biofilmdannelse av E. coli. Med tanke på at denne type bakterier forårsaker alvorlig sykdom, har lav smittedose og gode overlevelsesevner i ulike miljøer samt viser økt forekomst, er det viktig med mer kunnskap for å forstå overlevelse, utvikling og bekjempelse av denne type bakterier i matmiljøer. Dette ønsker vi å finne ut mer om gjennom pågående forskning.

EHEC utgjør en relativt ny gruppe av patogene E. coli hvor de første matbårne utbruddene ble beskrevet på 1980-tallet. Særlig drøvtyggere har vist seg å kunne være friske smittebærere, men bakterien ser ut til å kunne opptre i flere verter og i større utstrekning enn man tidligere trodde. Storfekjøtt og da særlig oppmalt kjøtt, er ansett som risikoprodukt. I slike produkter kan bakteriene vel så gjerne være lokalisert inni produktene som på overflaten. Slakteprosessen og særlig fjerning av innvoller hvor tarminnhold kan overføres til kjøttet, regnes for å være en viktig årsak til hvordan E. coli forurenser kjøtt. Andre typer næringsmidler som har forårsaket EHEC infeksjon er bl.a. melk og yoghurt, upasteurisert juice, spekepølser, frukt, grønnsaker (salat, reddiker, spirer). God kjøkkenhygiene samt tilstrekkelig varmebehandling er viktig for å kontrollere disse bakteriene. Storskalaproduksjon og distribusjon kan være en effektiv smittespreder hvis man benytter forurensede råvarer.