BIOFILMS: CARACTERÍSTIQUES, FORMACIÓ, TIPUS I EXEMPLES - BIOLOGIA - 2025

Els biofilms o biopel·lícules són comunitats de microorganismes units a una superfície, que viuen en una matriu autogenerada de substàncies polimèriques extracel·lulars. Van ser inicialment descrits per Antoine von Leeuwenhoek, quan va examinar els "animáculos" (així batejats per ell), en una placa de material de les seves pròpies dents al segle XVII.

La teoria que conceptualitza a les biopel·lícules i descriu el seu procés de formació, no s'havia desenvolupat fins 1978. Es va descobrir que la capacitat dels microorganismes per formar biopel·lícules, sembla ser universal.

Figura 1. Biofilm produït per Staphylococcus aureus en un catèter. Font: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via

Les biopel·lícules poden existir en ambients tan variats com sistemes naturals, aqüeductes, tancs de dipòsit d'aigua, sistemes industrials, així com en una gran varietat de mitjans com aparells i dispositius mèdics de permanència en pacients hospitalaris (com catèters, per exemple).

Mitjançant l'ús de microscòpia electrònica de rastreig i microscòpia làser confocal de rastreig, es va descobrir que els biofilms no són dipòsits homogenis, desestructurats, de cèl·lules i llim acumulat, sinó estructures heterogènies complexes.

Les biopel·lícules són comunitats complexes de cèl·lules associades a una superfície, incloses en una matriu polimèrica altament hidratada la aigua circula per canals oberts de l'estructura.

Molts organismes que han estat reeixits en la seva supervivència de milions d'anys en l'ambient, per exemple espècies dels gèneres Pseudomonas i Legionella, utilitzen l'estratègia de biopel·lícula en ambients diferents als seus entorns originaris nadius.

Característiques de les biopel·lícules

Característiques químiques i físiques de la matriu de l'biofilm

-Les substàncies extracel·lulars polimèriques secretades pels microorganismes de l'biofilm, macromolècules de polisacàrids, proteïnes, àcids nucleics, lípids i altres biopolímers, molècules majoritàriament molt hidrofíliques, s'entrecreuen formant una estructura tridimensional anomenada matriu de l'biofilm.

-La estructura de la matriu és altament viscoelàstica, té propietats de goma, és resistent a la tracció ia ruptura mecànica.

-La matriu té capacitat d'adherència a superfícies interfícies, incloent espais interns de mitjans porosos, a través de polisacàrids extracel·lulars que actuen com gomes adherents.

-La matriu polimèrica és predominantment aniònica i també inclou substàncies inorgàniques com cations metàl·lics.

-Posseeix canals d'aigua per on circulen oxigen, nutrients i substàncies de rebuig que poden ser reciclades.

-Aquesta matriu de la biopel·lícula, funciona com a mitjà de protecció i supervivència davant entorns adversos, barrera davant invasors fagocíticos i contra l'entrada i difusió de desinfectants i antibiòtics.

Característiques ecofisiològiques de les biopel·lícules

-La formació de la matriu en gradients no homogenis, produeix una varietat de microhàbitats, la qual cosa permet que hi hagi biodiversitat dins de la biopel·lícula.

-Dins de la matriu, la forma de vida cel·lular és radicalment diferent de la vida lliure, no associada. Els microorganismes de la biopel·lícula, estan immobilitzats, molt propers els uns als altres, associats en colònies; aquest fet permet que tinguin lloc intenses interaccions.

-Les interaccions entre els microorganismes de la biopel·lícula inclouen la comunicació a través de senyals químics en un codi cridat "quòrum sensing".

-Hi ha altres interaccions importants com la transferència de gens i la formació de microconsorcios sinergísticos.

-El fenotip de l'biofilm pot descriure en termes dels gens expressats per les cèl·lules associades. Aquest fenotip està alterat pel que fa a la taxa de creixement i la transcripció genètica.

-Els organismes dins el biofilm poden transcriure gens que no transcriuen les seves formes de vida planctònica o lliure.

-El procés de formació de la biopel·lícula està regulat per gens específics, transcrits durant l'adhesió cel·lular inicial.

-En l'espai confinat de la matriu, hi ha mecanismes de cooperació i de competència. La competència genera una adaptació constant a les poblacions biològiques.

-Es genera un sistema digestiu extern col·lectiu, que reté els enzims extracel·lulars prop de les cèl·lules.

-Aquest sistema enzimàtic permet segrestar, acumular i metabolitzar, nutrients dissolts, col·loïdals i / o en suspensió.

-La matriu funciona com una zona externa comuna de reciclatge, magatzem dels components de cèl·lules lisadas, servint a més d'arxiu genètic col·lectiu.

-La biopel·lícula funciona com una barrera estructural protectora davant de canvis ambientals com la dessecació, l'acció de biocides, antibiòtics, respostes immunes de l'hoste, agents oxidants, cations metàl·lics, radiació ultraviolada i també és defensa contra molts depredadors com protozoaris fagocíticos i insectes.

-La matriu de la biopel·lícula constitueix un ambient ecològic únic per als microorganismes, que permet una forma de vida dinàmica a la comunitat biològica. Les biopel·lícules són veritables microecosistemes.

Formació de biopel·lícules

La formació de biopel·lícules és un procés en el qual els microorganismes passen d'un estat unicel·lular nòmada, de vida lliure, a un estat sedentari multicel·lular, on el posterior creixement produeix comunitats estructurades i amb diferenciació cel·lular.

El desenvolupament de l'biofilm passa com a resposta a senyals extracel·lulars ambientals i senyals autogenerades.

Els investigadors que han estudiat les biopel·lícules, concorden que és possible construir un model hipotètic generalitzat per explicar la seva formació.

Aquest model de formació de les biopel·lícules consta de 5 etapes:

1. Adhesió inicial a la superfície.
2. Formació d'una monocapa.
3. Migració per formar microcolonias en multicapes.
4. Producció de la matriu extracel·lular polimèrica.
5. Maduració de la biopel·lícula tridimensional.

Figura 2. Procés de formació d'un biofilm. Font: D. Davis, via Wikimedia Commons

Adhesió inicial a la superfície

La formació de la biopel·lícula s'inicia amb l'adhesió inicial de microorganismes a la superfície sòlida, on es immobilitzen. S'ha descobert que els microorganismes posseeixen sensors de superfície i que en la formació de la matriu intervenen proteïnes de superfície.

En organismes no mòbils, quan les condicions ambientals són propícies, s'incrementa la producció de adhesinas en la seva superfície externa. D'aquesta manera, augmenta la seva capacitat d'adherència cèl·lula-cèl·lula i cèl·lula-superfície.

En el cas d'espècies mòbils, els microorganismes individuals es localitzen en una superfície i aquest és el punt de partida cap a un canvi radical en la seva manera de vida de lliure mòbil nòmada, a sedentària, gairebé sèssil.

La capacitat de moviment es perd doncs en la formació de la matriu, participen les diferents estructures com flagels, cilis, pilus i fímbries, a més de les substàncies adhesives.

A continuació, en els dos casos (microorganismes mòbils i no mòbils), es formen petits agregats o microcolonias i es genera un contacte cèl·lula-cèl·lula més intens; ocorren canvis fenotípics adaptatius a el nou entorn, en les cèl·lules agrupades.

Formació d'una monocapa i de microcolonias en multicapes

Comença la producció de substàncies polimèriques extracel·lulars, ocorre la formació inicial en monocapa i el desenvolupament posterior en multicapes.

Producció de la matriu extracel·lular polimèrica i maduració del biopel·lícula tridimensional

Finalment, la biopel·lícula aconsegueix la seva estadi de maduresa, amb una arquitectura tridimensional i presència de canals a través dels quals circulen l'aigua, nutrients, compostos químics de comunicació i àcids nucleics.

La matriu de la biopel·lícula reté les cèl·lules i les manté juntes, promovent un alt grau d'interacció amb comunicació intercel·lular i formació de consorcis sinergísticos. Les cèl·lules de l'biofilm no estan completament immobilitzades, es poden moure dins d'aquest i també desprendre.

Tipus de biopel·lícules

Nombre d'espècies

D'acord a el nombre d'espècies participants en la biopel·lícula, aquestes últimes es poden classificar en:

• Biofilms d'una espècie. Per exemple, les biopel·lícules formades per Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
• Biofilms de dues espècies. Per exemple, s'ha descobert també l'associació de Streptococcus mutans i Vellionela parvula en biopel·lícules.
• Biofilms polimicrobianos, conformats per moltes espècies. Per exemple, la placa dental.

Ambient de formació

També segons l'ambient on es formen, les biopel·lícules poden ser:

• naturals
• industrials
• domèstiques
• hospitalàries

Figura 3. Biofilms de bacteris termofíliques en Mickey Hot Springs, Oregon, Estats Units. Font: Amateria1121, from Wikimedia Commons

Tipus d'interfase on es generen

D'altra banda, segons el tipus d'interfase on es formen, és possible classificar-les en:

• Biopelículas d'interfase sòlid-líquid, com les formades en aqüeductes i tancs, pipes i dipòsits d'aigua en general.
• Biopelículas d'interfase sòlid-gas (SAB per les seves sigles en anglès Sub Aereal Biofilms); les quals són comunitats microbianes que es desenvolupen en superfícies minerals sòlides, exposades directament a l'atmosfera ia la radiació solar. Es troben en edificis, roques nues de deserts, muntanyes, entre d'altres.

Exemples de biopel·lícules

-La placa dental

S'ha estudiat la placa dental, com a exemple interessant d'una comunitat complexa que viu a biopel·lícules. Els biofilms de les plaques dentals són durs i no elàstics, a causa de la presència de sals inorgàniques, que donen rigidesa a la matriu polimèrica.

Els microorganismes de la placa dental són molt variats i hi ha entre 200 a 300 espècies associades a biofilm.

Entre aquests microorganismes, es troben:

• El gènere Streptococcus; constituït per bacteris acidúricas que desmineralitzen l'esmalt i la dentina, i inicien la càries dental. Per exemple, les espècies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis i S. milleri.
• El gènere Lactobacillus, conformat per bacteris acidòfiles desnaturalizadoras de les proteïnes de la dentina. Per exemple, les espècies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• El gènere Actinomyces, que són microorganismes acidúricos i proteolítics. Entre aquests, les espècies: viscosus, A. odontoliticus i A. naeslundii.
• I altres gèneres, com: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis i Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biopelículas en aigües negres

Un altre exemple interessant són les aigües de deixalles domèstiques, on viuen en biofilms adherits a canonades, microorganismes nitrificants oxidants d'amoni, de nitrit i bacteris nitrificants autòtrofs.

Entre els bacteris oxidants d'amoni d'aquests biofilms, es troben com a espècies dominants numèricament, les de l'gènere Nitrosomonas, distribuïdes en tota la matriu de la biopel·lícula.

Les components majoritàries dins el grup d'oxidants de nitrit, són les de l'gènere Nitrospira, les quals s'ubiquen només en la part interna de la biopel·lícula.

-Biofilms subaéreos

Els biofilms subaéreos es caracteritzen per un creixement en pegats sobre superfícies sòlides minerals com roques i construccions urbanes. Aquests biofilms presenten associacions dominants de fongs, algues, cianobacteris, bacteris heteròtrofs, protozoaris, així com animals microscòpics.

Particularment, els biofilms SAB posseeixen microorganismes quimiolitotróficos, capaços d'utilitzar substàncies químiques inorgàniques minerals com a fonts d'energia.

Els microorganismes quimiolitotróficos tenen la capacitat d'oxidar compostos inorgànics de H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ i aprofitar l'energia de potencial elèctric producte de les oxidacions en els seus metabolismes.

Entre les espècies microbianes presents en els biofilms subaéreos, es troben:

• Bacteris de l'gènere Geodermatophilus; cianobacteris dels gèneres C hrococcoccidiopsis, espècies cocoides i filamentoses com Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Algues verdes dels gèneres Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia i Stichococcus.
• Bacteris heteròtrofs (dominants en les biopel·lícules subaéreas): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. i Rhodococcus sp.
• Bacteris quimiórganotróficas i fongs com Actynomicetales (streptomicetes i Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, acidobacteri i bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biopelículas d'agents causals de malalties humanes

Moltes de les bacteris coneguts com a agents causals de malalties humanes, viuen en biofilms. Entre aquestes, es troben: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans i Legionella pneumophyla.

-Peste bubònica

Resulta interessant la transmissió de la pesta bubònica per picada de puça, una adaptació relativament recent de l'agent bacterial causal d'aquesta malaltia, Yersinia pestis.

Aquest bacteri creix com biofilm adherit a l'aparell digestiu superior de el vector (la puça). Durant una picada, la puça regurgita la biopel·lícula contentiva de Yersinia pestis a la dermis i així s'inicia la infecció.

-Catéteres venosos hospitalaris

Entre els organismes aïllats de biopel·lícules en catèters venosos centrals explantados, es troben una sorprenent varietat de bacteris Gram-positives i Gram-negatives, a més d'altres microorganismes.

Diversos estudis científics reporten com bacteris Gram-positives de biofilms en catèters venosos: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. i Streptococcus pneumoniae.

Entre els bacteris Gram-negatives aïllades d'aquestes biopel·lícules es reporten: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providència spp. i Serratia marcescens.

Altres organismes trobats en aquestes biopel·lícules són: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis i Mycobacterium chelonei.

-A la indústria

Pel que fa a l'operativitat de la indústria, els biofilms generen obstruccions de canonades, danys en equips, interferències en els processos com ara transferències de calor a l'cobrir superfícies dels intercanviadors, o corrosió de parts metàl·liques.

Indústria d'aliments

La formació de pel·lícules en indústries de el ram alimentari pot generar importants problemes operatius i de salut pública.

Els agents patògens associats en els biofilms poden contaminar els productes alimentaris amb bacteris patògens i generar greus problemes de salut pública en els consumidors.

Entre els biofilms de patògens associats a la indústria d'aliments, es troben:

Listeria monocytogenes

Aquest agent patogen empra en l'etapa inicial de formació de la biopel·lícula, flagels i proteïnes de membrana. Forma biopel·lícules en les superfícies d'acer de màquines rebanadoras.

En la indústria làctia, poden produir-se biopel·lícules de Listeria monocytogenes en llet líquida i productes derivats de la llet. Els residus lactis en canonades, tancs, recipients i altres dispositius, afavoreixen el desenvolupament de biofilms d'aquest patogen que els utilitza com a nutrients disponibles.

Pseudomonas

Biopelículas d'aquests bacteris es poden trobar en instal·lacions d'indústries d'aliments, com pisos, desguassos i en les superfícies dels aliments com carns, verdures i fruites, a més de derivats de baixa acidesa de la llet.

Pseudomonas aeruginosa secreta diverses substàncies extracel·lulars les quals s'empren en la formació de la matriu polimèrica de la biopel·lícula, adherint-se a gran quantitat de materials inorgànics com l'acer inoxidable.

Pseudomonas pot coexistir dins de l'biofilm en associació a altres bacteris patògens com Salmonella i Listeria.

Salmonella

Les espècies de Salmonella són el primer agent causal de zoonosi d'etiologia bacteriana i brots de toxoinfección alimentària.

Estudis científics han demostrat que Salmonella pot adherir-se en forma de biofilms, a les superfícies de ciment, acer i plàstic, de les instal·lacions de plantes processadores d'aliments.

Les espècies de Salmonella posseeixen estructures de superfície amb propietats adherents. A més a produeix cel·lulosa com a substància extracel·lular, la qual és la principal component de la matriu polimèrica.

Escherichia coli

Empra flagells i proteïnes de membrana en el pas inicial de formació de la biopel·lícula. També produeix cel·lulosa extracel·lular per generar l'entramat tridimensional de la matriu en la biopel·lícula.

Resistència de les biopel·lícules a desinfectants, germicides i antibiòtics

Les biopel·lícules ofereixen protecció als microorganismes que la conformen, a l'acció de desinfectants, germicides i antibiòtics. Els mecanismes que permeten aquesta característica són els següents:

• Penetració retardada de l'agent antimicrobià a través de la matriu tridimensional de la biopel·lícula, per difusió molt lenta i dificultat d'arribar a la concentració efectiva.
• Taxa de creixement alterada i sota metabolisme dels microorganismes en la biopel·lícula.
• Canvis en les respostes fisiològiques dels microorganismes durant el creixement de la biopel·lícula, amb expressió de gens de resistència alterada.

referències

1. Bacterial Biofilms. (2008). Current Topics in Microbiology and Immunology. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlín, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM and Costerton, JW (2002). Biofilms: survival mechanisms of clinically rellevant Microorganisms. Clinical Microbiology Reviews. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC and Wingender, F. (2010). The biofilm matrix. Nature Reviews Microbiology. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Life on the rocks. Environmental Microbiology. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB and Kolter, R. (2000). Biofilm formation es microbial development. Annual Review of Microbiology.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW and Stoodley, P. (2004). Bacterial biofilms: from the natural environment to Infectious Diseases. Nature Reviews Microbiology. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Extracel·lular DNA required for bacterial biofilm formation. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487