Biopelícula
Aggregate de microorganismos en los que las células que se incrustan frecuentemente dentro de una matriz autoproducida de sustancias poliméricas extracelulares se adhieren entre sí y/o a una superficie.
- Un biofilm es un sistema que puede ser adaptado internamente a las condiciones ambientales por sus habitantes.
- La matriz autoproducida de sustancias poliméricas extracelulares, que también se conoce como slime, es una conglomeración polimérica generalmente compuesta de sustancias extracelulares biopolímeros en diversas formas estructurales.
Un biofilm comprende cualquier consorcio sintrófico de microorganismos en el que las células se adhieren entre sí y, a menudo, también a una superficie. Estas células adherentes se incrustan dentro de una matriz extracelular viscosa que se compone de sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Las células dentro de la biopelícula producen los componentes EPS, que suelen ser un conglomerado polimérico de polisacáridos extracelulares, proteínas, lípidos y ADN. Debido a que tienen una estructura tridimensional y representan un estilo de vida comunitario para los microorganismos, se las ha descrito metafóricamente como "ciudades para microbios".
Las biopelículas se pueden formar en superficies vivas o no vivas y pueden ser frecuentes en entornos naturales, industriales y hospitalarios. Pueden constituir un microbioma o ser una parte del mismo. Las células microbianas que crecen en una biopelícula son fisiológicamente distintas de las células planctónicas del mismo organismo que, por el contrario, son células individuales que pueden flotar o nadar en un medio líquido. Las biopelículas se pueden formar en los dientes de la mayoría de los animales en forma de placa dental, donde pueden causar caries y enfermedades de las encías.
Los microbios forman una biopelícula en respuesta a varios factores diferentes, que pueden incluir el reconocimiento celular de sitios de unión específicos o no específicos en una superficie, señales nutricionales o, en algunos casos, por la exposición de las células planctónicas a sustancias subinhibitorias. concentraciones de antibióticos. Una célula que cambia al modo de crecimiento de biopelícula sufre un cambio fenotípico en el comportamiento en el que se regulan diferencialmente grandes conjuntos de genes.
Una biopelícula también puede considerarse un hidrogel, que es un polímero complejo que contiene muchas veces su peso seco en agua. Las biopelículas no son solo capas de limo bacteriano sino sistemas biológicos; las bacterias se organizan en una comunidad funcional coordinada. Las biopelículas pueden adherirse a una superficie, como un diente o una roca, y pueden incluir una sola especie o un grupo diverso de microorganismos. Las subpoblaciones de células dentro de la biopelícula se diferencian para realizar varias actividades de motilidad, producción de matriz y esporulación, lo que respalda el éxito general de la biopelícula. Las bacterias del biofilm pueden compartir nutrientes y están protegidas de los factores nocivos del medio ambiente, como la desecación, los antibióticos y el sistema inmunitario del organismo huésped. Una biopelícula generalmente comienza a formarse cuando una bacteria que nada libremente se adhiere a una superficie.
Origen y formación
Origen de las biopelículas
Se cree que las biopelículas surgieron durante la Tierra primitiva como un mecanismo de defensa para los procariotas, ya que las condiciones en ese momento eran demasiado duras para su supervivencia. Se pueden encontrar muy temprano en los registros fósiles de la Tierra (hace unos 3250 millones de años) como Archaea y Bacteria, y comúnmente protegen las células procarióticas brindándoles homeostasis, fomentando el desarrollo de interacciones complejas entre las células en la biopelícula..
Formación de biopelículas
La formación de una biopelícula comienza con la unión de microorganismos que flotan libremente a una superficie. Las primeras bacterias colonizadoras de una biopelícula pueden adherirse a la superficie inicialmente por las débiles fuerzas de van der Waals y los efectos hidrofóbicos. Si los colonos no se separan inmediatamente de la superficie, pueden anclarse de forma más permanente utilizando estructuras de adhesión celular como los pili. Un grupo único de Archaea que habita en aguas subterráneas anóxicas tiene estructuras similares llamadas hami. Cada hamus es un tubo largo con tres ganchos que se unen entre sí o a una superficie, lo que permite el desarrollo de una comunidad. Las arqueas hipertermófilas Pyrobaculum calidifontis producen pelos en paquetes que son homólogos a los filamentos bacterianos TasA, un componente importante de la matriz extracelular en los biofilms bacterianos, que contribuyen a la estabilidad del biofilm. Los homólogos de TasA están codificados por muchas otras arqueas, lo que sugiere similitudes mecánicas y una conexión evolutiva entre las biopelículas bacterianas y arqueales.
La hidrofobicidad también puede afectar la capacidad de las bacterias para formar biopelículas. Las bacterias con mayor hidrofobicidad tienen repulsión reducida entre el sustrato y la bacteria. Algunas especies de bacterias no pueden adherirse a una superficie por sí mismas con éxito debido a su motilidad limitada, sino que pueden anclarse a la matriz o directamente a otras bacterias colonizadoras anteriores. Las bacterias inmóviles no pueden reconocer superficies ni agregarse tan fácilmente como las bacterias móviles.
Durante la colonización de la superficie, las células bacterianas pueden comunicarse mediante productos de detección de quórum (QS) como la N-acil homoserina lactona (AHL). Una vez que ha comenzado la colonización, la biopelícula crece mediante una combinación de división celular y reclutamiento. Las matrices de polisacáridos normalmente encierran biopelículas bacterianas. Los exopolisacáridos de la matriz pueden atrapar autoinductores QS dentro de la biopelícula para evitar la detección de depredadores y garantizar la supervivencia bacteriana. Además de los polisacáridos, estas matrices también pueden contener material del entorno circundante, incluidos, entre otros, minerales, partículas del suelo y componentes de la sangre, como eritrocitos y fibrina. La etapa final de la formación de biopelículas se conoce como dispersión, y es la etapa en la que se establece la biopelícula y solo puede cambiar de forma y tamaño.
El desarrollo de una biopelícula puede permitir que una colonia (o colonias) de células agregadas sea cada vez más tolerante o resistente a los antibióticos. Se ha demostrado que la comunicación célula-célula o detección de quórum está implicada en la formación de biopelículas en varias especies bacterianas.
Desarrollo
Las biopelículas son el producto de un proceso de desarrollo microbiano. El proceso se resume en cinco etapas principales de desarrollo de biopelículas, como se muestra en el siguiente diagrama:
Dispersión
La dispersión de células de la colonia de biopelículas es una etapa esencial del ciclo de vida de las biopelículas. La dispersión permite que las biopelículas se propaguen y colonicen nuevas superficies. Las enzimas que degradan la matriz extracelular del biofilm, como la dispersina B y la desoxirribonucleasa, pueden contribuir a la dispersión del biofilm. Las enzimas que degradan la matriz del biofilm pueden ser útiles como agentes antibiofilm. La evidencia ha demostrado que un mensajero de ácidos grasos, el ácido cis-2-decenoico, es capaz de inducir la dispersión e inhibir el crecimiento de colonias de biopelículas. Secretado por Pseudomonas aeruginosa, este compuesto induce células cicloheteromórficas en varias especies de bacterias y la levadura Candida albicans. También se ha demostrado que el óxido nítrico desencadena la dispersión de biopelículas de varias especies de bacterias en concentraciones subtóxicas. El óxido nítrico tiene potencial como tratamiento para pacientes que tienen infecciones crónicas causadas por biopelículas.
En general, se suponía que las células dispersadas de las biopelículas pasaban inmediatamente a la fase de crecimiento planctónico. Sin embargo, los estudios han demostrado que la fisiología de las células dispersas de los biofilms de Pseudomonas aeruginosa es muy diferente de la de las células planctónicas y del biofilm. Por lo tanto, el proceso de dispersión es una etapa única durante la transición del biofilm al estilo de vida planctónico en las bacterias. Se ha descubierto que las células dispersas son muy virulentas contra los macrófagos y Caenorhabditis elegans, pero muy sensibles al estrés por hierro, en comparación con las células planctónicas.
Propiedades
Las biopelículas generalmente se encuentran en sustratos sólidos sumergidos o expuestos a una solución acuosa, aunque pueden formarse como esteras flotantes en superficies líquidas y también en la superficie de las hojas, particularmente en climas de alta humedad. Dados los recursos suficientes para el crecimiento, una biopelícula crecerá rápidamente hasta convertirse en macroscópica (visible a simple vista). Las biopelículas pueden contener muchos tipos diferentes de microorganismos, p. bacterias, arqueas, protozoos, hongos y algas; cada grupo realiza funciones metabólicas especializadas. Sin embargo, algunos organismos formarán películas de una sola especie bajo ciertas condiciones. La estructura social (cooperación/competencia) dentro de una biopelícula depende en gran medida de las diferentes especies presentes.
Matriz extracelular
La matriz EPS se compone de exopolisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Una gran proporción del EPS está más o menos fuertemente hidratado, sin embargo, también se producen EPS hidrofóbicos; un ejemplo es la celulosa que es producida por una variedad de microorganismos. Esta matriz encierra las células dentro de ella y facilita la comunicación entre ellas a través de señales bioquímicas y el intercambio de genes. La matriz EPS también atrapa enzimas extracelulares y las mantiene muy cerca de las células. Por lo tanto, la matriz representa un sistema de digestión externo y permite microconsorcios sinérgicos estables de diferentes especies. Se ha descubierto que algunas biopelículas contienen canales de agua que ayudan a distribuir nutrientes y moléculas de señalización. Esta matriz es lo suficientemente fuerte como para que, bajo ciertas condiciones, las biopelículas se fosilicen (estromatolitos).
Las bacterias que viven en una biopelícula suelen tener propiedades significativamente diferentes de las bacterias que flotan libremente de la misma especie, ya que el entorno denso y protegido de la película les permite cooperar e interactuar de varias maneras. Uno de los beneficios de este entorno es una mayor resistencia a los detergentes y antibióticos, ya que la densa matriz extracelular y la capa externa de células protegen el interior de la comunidad. En algunos casos, la resistencia a los antibióticos puede aumentar hasta 5.000 veces. La transferencia lateral de genes a menudo se facilita dentro de biopelículas bacterianas y arqueas y conduce a una estructura de biopelícula más estable. El ADN extracelular es un componente estructural importante de muchas biopelículas microbianas diferentes. La degradación enzimática del ADN extracelular puede debilitar la estructura del biofilm y liberar células microbianas de la superficie.
Sin embargo, las biopelículas no siempre son menos susceptibles a los antibióticos. Por ejemplo, la forma de biopelícula de Pseudomonas aeruginosa no tiene mayor resistencia a los antimicrobianos que las células planctónicas en fase estacionaria, aunque cuando se compara la biopelícula con las células planctónicas en fase logarítmica, la biopelícula sí tiene mayor resistencia a los antimicrobianos. antimicrobianos Esta resistencia a los antibióticos tanto en las células en fase estacionaria como en las biopelículas puede deberse a la presencia de células persistentes.
Hábitats
Las biopelículas son omnipresentes en la vida orgánica. Casi todas las especies de microorganismos tienen mecanismos por los cuales pueden adherirse a las superficies y entre sí. Se formarán biopelículas en prácticamente todas las superficies que no se desprenden en ambientes acuosos o húmedos no estériles. Las biopelículas pueden crecer en los ambientes más extremos: desde, por ejemplo, las aguas saladas extremadamente calientes de las fuentes termales que van desde muy ácidas a muy alcalinas, hasta los glaciares congelados.
Las biopelículas se pueden encontrar en rocas y guijarros en el fondo de la mayoría de los arroyos o ríos y, a menudo, se forman en la superficie de charcos de agua estancada. Las biopelículas son componentes importantes de las cadenas alimenticias en los ríos y arroyos y son pastadas por los invertebrados acuáticos de los que se alimentan muchos peces. Las biopelículas se encuentran en la superficie y en el interior de las plantas. Pueden contribuir a las enfermedades de los cultivos o, como en el caso de los rizobios fijadores de nitrógeno en los nódulos de las raíces, existen en simbiosis con la planta. Los ejemplos de enfermedades de los cultivos relacionadas con las biopelículas incluyen el cancro de los cítricos, la enfermedad de Pierce de las uvas y la mancha bacteriana de plantas como los pimientos y los tomates.
Filtros percoladores
Los filtros de percolación en las plantas de tratamiento de aguas residuales eliminan de forma muy eficaz los contaminantes de las aguas residuales sedimentadas. Funcionan haciendo gotear el líquido sobre un lecho de material duro que está diseñado para tener un área de superficie muy grande. Se desarrolla una biopelícula compleja en la superficie del medio que absorbe, adsorbe y metaboliza los contaminantes. La biopelícula crece rápidamente y cuando se vuelve demasiado gruesa para mantener su agarre en el medio, se lava y es reemplazada por una película recién formada. La película lavada ("desprendida") se separa de la corriente líquida para dejar un efluente altamente purificado.
Filtro lento de arena
Los filtros de arena lentos se utilizan en la purificación de agua para tratar el agua sin tratar y producir un producto potable. Funcionan a través de la formación de una biopelícula llamada capa hipogea o Schmutzdecke en los primeros milímetros de la capa de arena fina. El Schmutzdecke se forma en los primeros 10 a 20 días de operación y consiste en bacterias, hongos, protozoos, rotíferos y una variedad de larvas de insectos acuáticos. A medida que envejece una biopelícula epigea, tienden a desarrollarse más algas y pueden estar presentes organismos acuáticos más grandes, incluidos algunos briozoos, caracoles y gusanos anélidos. La biopelícula superficial es la capa que proporciona la purificación efectiva en el tratamiento del agua potable, y la arena subyacente proporciona el medio de soporte para esta capa de tratamiento biológico. A medida que el agua pasa a través de la capa hipogea, las partículas de materia extraña quedan atrapadas en la matriz mucilaginosa y se adsorbe el material orgánico soluble. Los contaminantes son metabolizados por bacterias, hongos y protozoos. El agua producida a partir de un filtro de arena lento ejemplar es de excelente calidad con una reducción del recuento de células bacterianas del 90 al 99 %.
Rizosfera
Los microbios beneficiosos para las plantas se pueden clasificar como rizobacterias que promueven el crecimiento de las plantas. Estos promotores del crecimiento de las plantas colonizan las raíces de las plantas y brindan una amplia gama de funciones beneficiosas para su huésped, incluida la fijación de nitrógeno, la supresión de patógenos, propiedades antifúngicas y la descomposición de materiales orgánicos. Una de estas funciones es la defensa contra bacterias y hongos patógenos del suelo mediante resistencias sistémicas inducidas (ISR) o respuestas sistémicas inducidas desencadenadas por microbios patógenos (resistencia adquirida sistémica inducida por patógenos). Los exudados de las plantas actúan como señales químicas para que las bacterias específicas del huésped colonicen. Los pasos de colonización de rizobacterias incluyen atracción, reconocimiento, adherencia, colonización y crecimiento. Las bacterias que han demostrado ser beneficiosas y formar biopelículas incluyen Bacillus, Pseudomonas y Azospirillum. Las biopelículas en la rizosfera a menudo dan como resultado resistencias sistémicas inducidas por patógenos o plantas. Las propiedades moleculares en la superficie de la bacteria provocan una respuesta inmunitaria en la planta huésped. Estas moléculas asociadas a microbios interactúan con los receptores en la superficie de las células vegetales y activan una respuesta bioquímica que se cree que incluye varios genes diferentes en varios loci. Varias otras moléculas de señalización se han relacionado con respuestas sistémicas inducidas y respuestas sistémicas inducidas por patógenos, como el ácido jasmónico y el etileno. Componentes de la envoltura celular como flagelos bacterianos y lipopolisacáridos, que son reconocidos por las células vegetales como componentes de patógenos. También se ha demostrado que ciertos metabolitos de hierro producidos por Pseudomonas crean una respuesta sistémica inducida. Esta función de la biopelícula ayuda a las plantas a desarrollar una mayor resistencia a los patógenos.
Las plantas que han sido colonizadas por PGPR formando una biopelícula han ganado resistencias sistémicas y están preparadas para la defensa contra patógenos. Esto significa que se han expresado los genes necesarios para la producción de proteínas que trabajan para defender a la planta contra los patógenos, y la planta tiene una "reserva" de compuestos a liberar para combatir patógenos. Un sistema de defensa preparado responde mucho más rápido a la infección inducida por patógenos y puede desviar los patógenos antes de que puedan establecerse. Las plantas aumentan la producción de lignina, lo que refuerza las paredes celulares y dificulta que los patógenos penetren en la célula, al mismo tiempo que eliminan los nutrientes de las células ya infectadas, deteniendo efectivamente la invasión. Producen compuestos antimicrobianos como fitoalexinas, quitinasas e inhibidores de proteinasa, que previenen el crecimiento de patógenos. Estas funciones de supresión de enfermedades y resistencia a patógenos finalmente conducen a un aumento en la producción agrícola y una disminución en el uso de pesticidas, herbicidas y fungicidas químicos porque hay una cantidad reducida de pérdida de cultivos debido a enfermedades. La resistencia sistémica inducida y la resistencia sistémica adquirida inducida por patógenos son funciones potenciales de las biopelículas en la rizósfera y deben tenerse en cuenta cuando se aplican a las prácticas agrícolas de la nueva era debido a su efecto en la supresión de enfermedades sin el uso de productos químicos peligrosos.
Intestino de mamífero
Estudios realizados en 2003 descubrieron que el sistema inmunitario respalda el desarrollo de biopelículas en el intestino grueso. Esto se apoyó principalmente en el hecho de que las dos moléculas más abundantemente producidas por el sistema inmunológico también respaldan la producción de biopelículas y están asociadas con las biopelículas desarrolladas en el intestino. Esto es especialmente importante porque el apéndice contiene una gran cantidad de estas biopelículas bacterianas. Este descubrimiento ayuda a distinguir la posible función del apéndice y la idea de que el apéndice puede ayudar a reinocular el intestino con buena flora intestinal. Sin embargo, los estados modificados o interrumpidos de las biopelículas en el intestino se han relacionado con enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal y el cáncer colorrectal.
Entorno humano
En el entorno humano, las biopelículas pueden crecer en las duchas con mucha facilidad, ya que proporcionan un entorno húmedo y cálido para que prosperen. Pueden formarse dentro de las tuberías de agua y alcantarillado y causar obstrucciones y corrosión. En pisos y mostradores, pueden dificultar el saneamiento en las áreas de preparación de alimentos. En el suelo, pueden causar bioobstrucciones. En los sistemas de agua de refrigeración o calefacción, se sabe que reducen la transferencia de calor. Las biopelículas en los sistemas de ingeniería marina, como los oleoductos de la industria del petróleo y el gas en alta mar, pueden provocar importantes problemas de corrosión. La corrosión se debe principalmente a factores abióticos; sin embargo, al menos el 20 % de la corrosión es causada por microorganismos que se adhieren a la superficie del metal (es decir, corrosión influida por microbios).
Ensuciamiento de barcos
La adhesión bacteriana a los cascos de los barcos sirve como base para la bioincrustación de las embarcaciones marítimas. Una vez que se forma una película de bacterias, es más fácil que se adhieran otros organismos marinos, como los percebes. Este ensuciamiento puede reducir la velocidad máxima de la embarcación hasta en un 20 %, prolongando los viajes y consumiendo combustible. El tiempo en dique seco para reparar y pintar reduce la productividad de los activos de envío, y la vida útil de los barcos también se reduce debido a la corrosión y la eliminación mecánica (raspado) de organismos marinos de los barcos. cascos
Estromatolitos
Los estromatolitos son estructuras acumuladas en capas formadas en aguas poco profundas por la captura, unión y cementación de granos sedimentarios por biopelículas microbianas, especialmente de cianobacterias. Los estromatolitos incluyen algunos de los registros más antiguos de vida en la Tierra y todavía se están formando en la actualidad.
Placa dental
Dentro del cuerpo humano, las biopelículas están presentes en los dientes como placa dental, donde pueden causar caries y enfermedades de las encías. Estas biopelículas pueden estar en un estado no calcificado que se puede eliminar con instrumentos dentales o en un estado calcificado que es más difícil de eliminar. Las técnicas de eliminación también pueden incluir antimicrobianos.
La placa dental es una biopelícula bucal que se adhiere a los dientes y está formada por muchas especies de bacterias y hongos (como Streptococcus mutans y Candida albicans), incrustadas en polímeros salivales y productos microbianos extracelulares. La acumulación de microorganismos somete a los dientes y tejidos gingivales a altas concentraciones de metabolitos bacterianos que resultan en enfermedades dentales. La biopelícula en la superficie de los dientes está frecuentemente sujeta a estrés oxidativo y estrés ácido. Los carbohidratos de la dieta pueden causar una disminución drástica del pH en las biopelículas orales a valores de 4 o menos (estrés ácido). Un pH de 4 a una temperatura corporal de 37 °C provoca la depuración del ADN, dejando sitios apurínicos (AP) en el ADN, especialmente pérdida de guanina.
La biopelícula de la placa dental puede provocar la enfermedad de la caries dental si se permite que se desarrolle con el tiempo. Ciertas poblaciones microbiológicas (cariogénicas) que comienzan a dominar cuando el entorno las favorece, impulsan un cambio ecológico que se aleja de las poblaciones equilibradas dentro de la biopelícula dental. El cambio a una población microbiológica acidogénica, acidúrica y cariogénica se desarrolla y se mantiene por el consumo frecuente de carbohidratos dietéticos fermentables. El cambio de actividad resultante en la biopelícula (y la producción de ácido resultante dentro de la biopelícula, en la superficie del diente) está asociado con un desequilibrio entre la desmineralización y la remineralización que conduce a una pérdida neta de minerales dentro de los tejidos duros dentales (esmalte y luego dentina), el signo y síntoma siendo una lesión cariosa. Al evitar que la biopelícula de la placa dental madure o al devolverla a un estado no cariogénico, la caries dental puede prevenirse y detenerse. Esto se puede lograr mediante el paso conductual de reducir el suministro de carbohidratos fermentables (es decir, la ingesta de azúcar) y la eliminación frecuente de la biopelícula (es decir, cepillarse los dientes).
Comunicación intercelular
Un sistema de señalización de detección de quórum de feromona peptídica en S. mutans incluye el péptido estimulante de la competencia (CSP) que controla la competencia genética. La competencia genética es la capacidad de una célula para absorber el ADN liberado por otra célula. La competencia puede conducir a la transformación genética, una forma de interacción sexual, favorecida en condiciones de alta densidad celular y/o estrés donde existe la máxima oportunidad de interacción entre la célula competente y el ADN liberado de las células donantes cercanas. Este sistema se expresa de forma óptima cuando S. Las células mutans residen en una biopelícula en crecimiento activo. Biopelícula cultivada S. Las células de mutans se transforman genéticamente a un ritmo de 10 a 600 veces mayor que las de S. mutans creciendo como células planctónicas flotantes suspendidas en líquido.
Cuando la biopelícula, que contiene S. mutans y estreptococos orales relacionados, se somete a estrés ácido, se induce el regulón de competencia, lo que lleva a la resistencia a ser eliminado por ácido. Como señalaron Michod et al., la transformación en patógenos bacterianos probablemente proporciona una reparación recombinacional eficaz y eficiente de los daños en el ADN. Parece que S. mutans puede sobrevivir al estrés ácido frecuente en las biopelículas orales, en parte, a través de la reparación recombinacional proporcionada por la competencia y la transformación.
Interacciones depredador-presa
Las interacciones depredador-presa entre las biopelículas y los bacterívoros, como el nematodo que habita en el suelo Caenorhabditis elegans, se han estudiado ampliamente. A través de la producción de una matriz pegajosa y la formación de agregados, las biopelículas de Yersinia pestis pueden impedir la alimentación al obstruir la boca de C. elegante. Además, las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa pueden impedir la motilidad deslizante de C. elegans, denominado 'fenotipo de atolladero', lo que resulta en la captura de C. elegans dentro de las biopelículas y evitando la exploración de nematodos para alimentarse de biopelículas susceptibles. Esto redujo significativamente la capacidad del depredador para alimentarse y reproducirse, promoviendo así la supervivencia de las biopelículas.
Diversidad taxonómica
Muchas bacterias diferentes forman biopelículas, incluidas las grampositivas (por ejemplo, Bacillus spp, Listeria monocytogenes, Staphylococcus spp y bacterias del ácido láctico, incluyendo Lactobacillus plantarum y Lactococcus lactis) y especies gramnegativas (por ejemplo, Escherichia coli, o Pseudomonas aeruginosa). Las cianobacterias también forman biopelículas en ambientes acuáticos.
Las biopelículas están formadas por bacterias que colonizan las plantas, p. Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens y pseudomonas relacionadas, que son bacterias comunes asociadas a plantas que se encuentran en hojas, raíces y en el suelo, y la mayoría de sus aislados naturales forman biopelículas. Varios simbiontes de leguminosas fijadores de nitrógeno como Rhizobium leguminosarum y Sinorhizobium meliloti forman biopelículas en las raíces de las leguminosas y otras superficies inertes.
Junto con las bacterias, las arqueas y una variedad de organismos eucariotas, incluidos los hongos, por ejemplo, generan biopelículas. Cryptococcus laurentii y microalgas. Entre las microalgas, uno de los principales progenitores de biopelículas son las diatomeas, que colonizan ambientes tanto frescos como marinos en todo el mundo.
Para otras especies en biopelículas asociadas a enfermedades y biopelículas que surgen de eucariotas, consulte a continuación.
Enfermedades infecciosas
Se ha descubierto que las biopelículas están involucradas en una amplia variedad de infecciones microbianas en el cuerpo, según una estimación del 80 % de todas las infecciones. Los procesos infecciosos en los que se han implicado las biopelículas incluyen problemas comunes como la vaginosis bacteriana, infecciones del tracto urinario, infecciones del catéter, infecciones del oído medio, formación de placa dental, gingivitis, recubrimiento de lentes de contacto y procesos menos comunes pero más letales como la endocarditis, infecciones en la fibrosis quística e infecciones de dispositivos permanentes como prótesis articulares, válvulas cardíacas y discos intervertebrales. La primera evidencia visual de una biopelícula se registró después de una cirugía de columna. Se descubrió que, en ausencia de una presentación clínica de infección, las bacterias impregnadas podrían formar una biopelícula alrededor de un implante, y esta biopelícula puede pasar desapercibida a través de los métodos de diagnóstico contemporáneos, incluido el hisopado. La biopelícula del implante está frecuentemente presente en pacientes "asépticos" casos de pseudoartrosis. Además, se ha observado que las biopelículas bacterianas pueden afectar la cicatrización de heridas cutáneas y reducir la eficacia antibacteriana tópica en la curación o el tratamiento de heridas cutáneas infectadas. La diversidad de P. Se cree que las células aeruginosa dentro de una biopelícula dificultan el tratamiento de los pulmones infectados de las personas con fibrosis quística. La detección temprana de biopelículas en heridas es crucial para el tratamiento exitoso de heridas crónicas. Aunque se han desarrollado muchas técnicas para identificar bacterias planctónicas en heridas viables, pocas han sido capaces de identificar de forma rápida y precisa las biopelículas bacterianas. Se necesitan estudios futuros para encontrar medios de identificar y monitorear la colonización de biopelículas al lado de la cama para permitir el inicio oportuno del tratamiento.
Se ha demostrado que hay biopelículas en el tejido extirpado del 80 % de los pacientes que se someten a cirugía por sinusitis crónica. Se demostró que los pacientes con biopelículas habían sido desprovistos de cilios y células caliciformes, a diferencia de los controles sin biopelículas que tenían cilios y morfología de células caliciformes normales. También se encontraron biopelículas en muestras de dos de los 10 controles sanos mencionados. Las especies de bacterias de los cultivos intraoperatorios no se correspondían con las especies de bacterias en la biopelícula en el tejido del paciente respectivo. En otras palabras, los cultivos fueron negativos aunque la bacteria estaba presente. Se están desarrollando nuevas técnicas de tinción para diferenciar las células bacterianas que crecen en animales vivos, p. de tejidos con alergia-inflamaciones.
La investigación ha demostrado que niveles subterapéuticos de antibióticos β-lactámicos inducen la formación de biopelículas en Staphylococcus aureus. Este nivel subterapéutico de antibiótico puede resultar del uso de antibióticos como promotores del crecimiento en la agricultura o durante el curso normal de la terapia con antibióticos. La formación de biopelícula inducida por meticilina de bajo nivel fue inhibida por DNasa, lo que sugiere que los niveles subterapéuticos de antibiótico también inducen la liberación de ADN extracelular. Además, desde un punto de vista evolutivo, la creación de la tragedia de los comunes en los microbios patógenos puede proporcionar formas terapéuticas avanzadas para las infecciones crónicas causadas por biopelículas a través de tramposos invasivos modificados genéticamente que pueden invadir 'cooperadores' de tipo salvaje. de bacterias patógenas hasta que las poblaciones de cooperadores se extingan o la población general 'cooperadores y tramposos ' ir a la extinción.
Pseudomonas aeruginosa
P. aeruginosa representa un organismo modelo de biopelícula comúnmente utilizado, ya que está involucrado en diferentes tipos de infecciones crónicas asociadas a biopelículas. Los ejemplos de tales infecciones incluyen heridas crónicas, otitis media crónica, prostatitis crónica e infecciones pulmonares crónicas en pacientes con fibrosis quística (FQ). Alrededor del 80% de los pacientes con FQ tienen infección pulmonar crónica, causada principalmente por P. aeruginosa creciendo en biopelículas no adheridas a la superficie rodeadas de PMN. La infección sigue presente a pesar de la terapia antibiótica agresiva y es una causa común de muerte en pacientes con FQ debido al daño inflamatorio constante en los pulmones. En pacientes con FQ, una terapia para tratar el desarrollo temprano de biopelículas es emplear DNasa para debilitar estructuralmente la biopelícula.
Formación de biopelículas de P. aeruginosa, junto con otras bacterias, se encuentra en el 90 % de las infecciones crónicas de heridas, lo que conduce a una cicatrización deficiente y a un alto costo del tratamiento estimado en más de US$25 mil millones cada año en los Estados Unidos. Para minimizar el P. aeruginosa, las células epiteliales del huésped secretan péptidos antimicrobianos, como la lactoferrina, para prevenir la formación de biopelículas.
Streptococcus pneumoniae
Streptococcus pneumoniae es la principal causa de neumonía y meningitis adquiridas en la comunidad en niños y ancianos, y de sepsis en personas infectadas por el VIH. Cuando S. pneumoniae crece en biopelículas, se expresan específicamente genes que responden al estrés oxidativo e inducen competencia. La formación de una biopelícula depende del péptido estimulante de la competencia (CSP). CSP también funciona como un péptido de detección de quórum. No solo induce la formación de biopelículas, sino que también aumenta la virulencia en neumonía y meningitis.
Se ha propuesto que el desarrollo de competencias y la formación de biopelículas es una adaptación de S. pneumoniae para sobrevivir a las defensas del huésped. En particular, los leucocitos polimorfonucleares del huésped producen un estallido oxidativo para defenderse de las bacterias invasoras, y esta respuesta puede matar las bacterias al dañar su ADN. S competente. pneumoniae en una biopelícula tienen la ventaja de supervivencia de que pueden absorber más fácilmente el ADN en transformación de las células cercanas en la biopelícula para utilizarlo en la reparación recombinacional de los daños oxidativos en su ADN. S competente. pneumoniae también puede secretar una enzima (mureína hidrolasa) que destruye las células no competentes (fratricida) y hace que el ADN se libere en el medio circundante para su posible uso por parte de las células competentes.
El péptido antimicrobiano de insectos cecropina A puede destruir las células de E. coli uropatógenas planctónicas y sésiles que forman biopelículas, ya sea solo o cuando se combina con el antibiótico ácido nalidíxico, eliminando sinérgicamente la infección in vivo (en el insecto huésped Galleria mellonella< /i>) sin citotoxicidad fuera del objetivo. El mecanismo de acción multiobjetivo implica la permeabilización de la membrana externa seguida de la interrupción del biofilm provocada por la inhibición de la actividad de la bomba de expulsión y las interacciones con los ácidos nucleicos extracelulares e intracelulares.
Escherichia coli
Los biofilms de Escherichia coli son responsables de muchas enfermedades infecciosas intestinales. El grupo extraintestinal de E. coli (ExPEC) es el grupo bacteriano dominante que ataca el sistema urinario, lo que conduce a infecciones del tracto urinario. La formación de biopelículas de estas E. coli es difícil de erradicar debido a la complejidad de su estructura de agregación y tiene una contribución significativa al desarrollo de complicaciones médicas agresivas, aumento en la tasa de hospitalización y costo del tratamiento. El desarrollo de E. coli es una de las principales causas comunes de infecciones del tracto urinario (ITU) en los hospitales a través de su contribución al desarrollo de infecciones asociadas a dispositivos médicos. Las infecciones del tracto urinario asociadas al catéter (ITUAC) representan la infección intrahospitalaria más común debido a la formación de la E patógena. coli biopelícula dentro de los catéteres.Estafilococo aureus
El patógenoStaphylococcus aureus puede atacar la piel y los pulmones, provocando infecciones de la piel y neumonía. Además, la red de infecciones del biofilm de S. aureus desempeña un papel fundamental en la prevención de que las células inmunitarias, como los macrófagos, eliminen y destruyan las células bacterianas. Además, la formación de biopelículas por parte de bacterias, como S. aureus, no solo desarrolla resistencia a los antibióticos, sino que también desarrolla resistencia interna a los péptidos antimicrobianos (AMP), lo que evita la inhibición del patógeno y mantiene su supervivencia.
Usos e impacto
En medicina
Se sugiere que alrededor de dos tercios de las infecciones bacterianas en humanos involucran biopelículas. Las infecciones asociadas con el crecimiento de biopelículas suelen ser difíciles de erradicar. Esto se debe principalmente al hecho de que las biopelículas maduras muestran tolerancia a los antimicrobianos y evasiones de la respuesta inmunitaria. A menudo se forman biopelículas en las superficies inertes de los dispositivos implantados, como catéteres, válvulas cardíacas protésicas y dispositivos intrauterinos. Algunas de las infecciones más difíciles de tratar son las asociadas al uso de dispositivos médicos.
La industria mundial de dispositivos biomédicos y productos relacionados con la ingeniería de tejidos, que se expande rápidamente, ya genera 180 000 millones de dólares al año; sin embargo, esta industria sigue sufriendo la colonización microbiana. No importa la sofisticación, las infecciones microbianas pueden desarrollarse en todos los dispositivos médicos y construcciones de ingeniería de tejidos. El 60-70% de las infecciones intrahospitalarias están asociadas a la implantación de un dispositivo biomédico. Esto lleva a 2 millones de casos al año en los EE. UU., lo que le cuesta al sistema de atención médica más de $ 5 000 millones en gastos adicionales de atención médica.
El nivel de resistencia a los antibióticos en una biopelícula es mucho mayor que el de las bacterias que no son biopelículas y puede ser hasta 5000 veces mayor. La matriz extracelular del biofilm se considera uno de los principales factores que pueden reducir la penetración de los antibióticos en la estructura del biofilm y contribuye a la resistencia a los antibióticos. Además, se ha demostrado que la evolución de la resistencia a los antibióticos puede verse afectada por el estilo de vida del biofilm.
Se ha demostrado que la introducción de una pequeña corriente de electricidad en el líquido que rodea una biopelícula, junto con pequeñas cantidades de antibiótico, puede reducir el nivel de resistencia a los antibióticos a niveles de bacterias que no pertenecen a la biopelícula. Esto se denomina efecto bioeléctrico. La aplicación de una pequeña corriente continua por sí sola puede hacer que una biopelícula se desprenda de su superficie. Un estudio mostró que el tipo de corriente utilizada no hizo ninguna diferencia en el efecto bioeléctrico.
En la industria
Las biopelículas también se pueden aprovechar con fines constructivos. Por ejemplo, muchas plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen una etapa de tratamiento secundario en la que las aguas residuales pasan sobre biopelículas que crecen en filtros, que extraen y digieren compuestos orgánicos. En tales biopelículas, las bacterias son las principales responsables de la eliminación de materia orgánica (DBO), mientras que los protozoos y los rotíferos son los principales responsables de la eliminación de sólidos en suspensión (SS), incluidos los patógenos y otros microorganismos. Los filtros de arena lentos se basan en el desarrollo de biopelículas de la misma manera que filtran el agua superficial de fuentes de lagos, manantiales o ríos para beber. Lo que consideramos agua limpia es efectivamente un material de desecho para estos organismos microcelulares. Las biopelículas pueden ayudar a eliminar el aceite de petróleo de los océanos o sistemas marinos contaminados. El aceite es eliminado por las actividades de degradación de hidrocarburos de las comunidades de bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB). Las biopelículas se utilizan en celdas de combustible microbianas (MFC) para generar electricidad a partir de una variedad de materiales de partida, incluidos desechos orgánicos complejos y biomasa renovable. Las biopelículas también son relevantes para la mejora de la disolución de metales en la industria de la biolixiviación y la agregación de contaminantes microplásticos para una eliminación conveniente del medio ambiente.
Industria alimentaria
Las biopelículas se han vuelto problemáticas en varias industrias alimentarias debido a la capacidad de formarse en las plantas y durante los procesos industriales. Las bacterias pueden sobrevivir largos períodos de tiempo en el agua, el estiércol animal y el suelo, lo que provoca la formación de biopelículas en las plantas o en el equipo de procesamiento. La acumulación de biopelículas puede afectar el flujo de calor a través de una superficie y aumentar la corrosión de la superficie y la resistencia a la fricción de los fluidos. Estos pueden provocar una pérdida de energía en un sistema y una pérdida general de productos. Junto con los problemas económicos, la formación de biopelículas en los alimentos representa un riesgo para la salud de los consumidores debido a la capacidad de hacer que los alimentos sean más resistentes a los desinfectantes. Como resultado, desde 1996 hasta 2010, el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades estimó 48 millones de enfermedades transmitidas por los alimentos por año. Las biopelículas se han relacionado con aproximadamente el 80 % de las infecciones bacterianas en los Estados Unidos.
En los productos agrícolas, los microorganismos se adhieren a las superficies y las biopelículas se desarrollan internamente. Durante el proceso de lavado, las biopelículas resisten la desinfección y permiten que las bacterias se propaguen por el producto, especialmente a través de los utensilios de cocina. Este problema también se encuentra en los alimentos listos para el consumo, porque los alimentos pasan por procedimientos de limpieza limitados antes de su consumo. contaminación. Las bacterias pueden estropear los productos más fácilmente y los productos contaminados representan un riesgo para la salud de los consumidores. Una especie de bacteria que se puede encontrar en varias industrias y es una de las principales causas de enfermedades transmitidas por los alimentos es Salmonella. Se pueden encontrar grandes cantidades de contaminación por Salmonella en la industria de procesamiento de aves, ya que aproximadamente el 50 % de las cepas de Salmonella pueden producir biopelículas en las granjas avícolas. La salmonella aumenta el riesgo de enfermedades transmitidas por los alimentos cuando los productos avícolas no se limpian y cocinan correctamente. La salmonella también se encuentra en la industria pesquera, donde se forman biopelículas a partir de patógenos transmitidos por los mariscos en los mismos mariscos y en el agua. Los productos de camarón se ven comúnmente afectados por Salmonella debido a técnicas de manipulación y procesamiento poco higiénicas. Las prácticas de preparación de camarones y otros productos del mar pueden permitir la acumulación de bacterias en los productos.
Se están probando nuevas formas de procedimientos de limpieza para reducir la formación de biopelículas en estos procesos, lo que conducirá a industrias de procesamiento de alimentos más seguras y productivas. Estas nuevas formas de procedimientos de limpieza también tienen un efecto profundo en el medio ambiente, a menudo liberando gases tóxicos en los depósitos de agua subterránea. Como respuesta a los métodos agresivos empleados para controlar la formación de biopelículas, se están investigando varias tecnologías y productos químicos novedosos que pueden prevenir la proliferación o la adhesión de microbios secretores de biopelículas. Las últimas biomoléculas propuestas que presentan una marcada actividad antibiopelícula incluyen una gama de metabolitos como ramnolípidos bacterianos e incluso alcaloides derivados de plantas y animales.
En acuicultura
En la acuicultura de mariscos y algas, las especies microbianas bioincrustantes tienden a bloquear redes y jaulas y, en última instancia, superan a las especies cultivadas por espacio y alimento. Las biopelículas bacterianas inician el proceso de colonización mediante la creación de microambientes que son más favorables para las especies bioincrustantes. En el entorno marino, las biopelículas podrían reducir la eficiencia hidrodinámica de los barcos y las hélices, provocar el bloqueo de las tuberías y el mal funcionamiento de los sensores, y aumentar el peso de los dispositivos desplegados en el agua de mar. Numerosos estudios han demostrado que el biofilm puede ser un reservorio de bacterias potencialmente patógenas en la acuicultura de agua dulce. Además, las biopelículas son importantes para establecer infecciones en los peces. Como se mencionó anteriormente, las biopelículas pueden ser difíciles de eliminar incluso cuando se usan antibióticos o productos químicos en dosis altas. El papel que juega el biofilm como reservorio de patógenos bacterianos de peces no se ha explorado en detalle, pero ciertamente merece ser estudiado.
Eucariótico
Junto con las bacterias, los biofilms a menudo son iniciados y producidos por microbios eucariotas. Las biopelículas producidas por los eucariotas suelen estar ocupadas por bacterias y otros eucariotas por igual, sin embargo, la superficie se cultiva y el eucariota secreta inicialmente EPS. Se sabe que tanto los hongos como las microalgas forman biopelículas de esa manera. Las biopelículas de origen fúngico son aspectos importantes de la infección humana y la patogenicidad fúngica, ya que la infección fúngica es más resistente a los antifúngicos.
En el medio ambiente, las biopelículas fúngicas son un área de investigación en curso. Un área clave de investigación son las biopelículas fúngicas en las plantas. Por ejemplo, en el suelo, se ha demostrado que los hongos asociados a las plantas, incluidas las micorrizas, descomponen la materia orgánica y protegen a las plantas de los patógenos bacterianos.
Las biopelículas en ambientes acuáticos a menudo están formadas por diatomeas. Se desconoce el propósito exacto de estas biopelículas, sin embargo, hay evidencia de que el EPS producido por las diatomeas facilita el estrés por frío y salinidad. Estos eucariotas interactúan con una amplia gama de otros organismos dentro de una región conocida como ficosfera, pero lo más importante son las bacterias asociadas con las diatomeas, ya que se ha demostrado que aunque las diatomeas excretan EPS, solo lo hacen cuando interactúan con ciertas especies de bacterias.
Transferencia genética horizontal
La transferencia horizontal de genes es la transferencia lateral de material genético entre organismos celulares. Ocurre con frecuencia en procariotas y con menos frecuencia en eucariotas. En las bacterias, la transferencia horizontal de genes puede ocurrir mediante transformación (captación de ADN flotante libre en el medio ambiente), transducción (captación de ADN mediada por virus) o conjugación (transferencia de ADN entre estructuras de pili de dos bacterias adyacentes). Estudios recientes también han descubierto otros mecanismos, como la transmisión de vesículas de membrana o agentes de transferencia de genes. Las biopelículas promueven la transferencia horizontal de genes en una variedad de formas.
Las biopelículas promueven la conjugación, a menudo fomentando eventos de transferencia entre especies debido a la diversa heterogeneidad de muchas biopelículas. Además, las biopelículas están confinadas estructuralmente por una matriz de polisacáridos, lo que proporciona los requisitos espaciales cercanos para la conjugación. La transformación también se observa con frecuencia en las biopelículas. La autólisis bacteriana es un mecanismo clave en la regulación estructural del biofilm, que proporciona una fuente abundante de ADN competente preparado para la absorción transformadora. En algunos casos, la detección de quórum entre biopelículas puede mejorar la competencia del eDNA flotante libre, promoviendo aún más la transformación. La transferencia del gen Stx a través de portadores de bacteriófagos se ha observado dentro de las biopelículas, lo que sugiere que las biopelículas también son un entorno adecuado para la transducción. Vesículas de membrana HGT ocurre cuando las vesículas de membrana liberadas (que contienen información genética) se fusionan con una bacteria receptora y liberan material genético en el citoplasma de la bacteria. Investigaciones recientes han revelado que la HGT de vesículas de membrana puede promover la formación de biopelículas de una sola cepa, pero aún se desconoce el papel que desempeña la HGT de vesículas de membrana en la formación de biopelículas de múltiples cepas. Los GTA, o agentes de transferencia de genes, son partículas similares a fagos producidas por la bacteria huésped y contienen fragmentos de ADN aleatorios del genoma de la bacteria huésped. HGT dentro de las biopelículas puede conferir resistencia a los antibióticos o una mayor patogenicidad a través de las biopelículas. población, promoviendo la homeostasis del biofilm.
Ejemplos
Los plásmidos conjugativos pueden codificar proteínas asociadas a biopelículas, como PtgA, PrgB o PrgC, que promueven la adhesión celular (requerida para la formación temprana de biopelículas). Los genes que codifican las fimbrias de tipo III se encuentran en pOLA52 (plásmido Klebsiella pneumoniae) que promueven la formación de biopelículas dependientes del pilus conjugativo.
La transformación suele ocurrir dentro de las biopelículas. Se puede observar un fenómeno llamado fratricidio entre las especies de estreptococos en las que se liberan enzimas que degradan la pared celular, lisando las bacterias vecinas y liberando su ADN. Este ADN puede ser absorbido por las bacterias supervivientes (transformación). Los péptidos estimulantes de la competencia pueden desempeñar un papel importante en la formación de biopelículas entre S. pneumoniae y S. mutans también. Entre V. cholerae, la competencia pilus en sí misma promueve la agregación celular a través de interacciones pilus-pilus al comienzo de la formación de biopelículas.
La invasión de fagos puede desempeñar un papel en los ciclos de vida de las biopelículas, lisando las bacterias y liberando su eDNA, lo que fortalece las estructuras de las biopelículas y puede ser absorbido por las bacterias vecinas en transformación. La destrucción del biofilm causada por la E. coli fago Rac y el P. aeruginosa el profago Pf4 provoca el desprendimiento de las células del biofilm. El desprendimiento es un fenómeno de biopelícula que requiere más estudio, pero se supone que proliferan las especies bacterianas que componen la biopelícula.
Se ha observado que la HGT de vesículas de membrana ocurre en ambientes marinos, entre Neisseria gonorrhoeae, Pseudomonas aeruginosa, Helicobacter pylori y entre muchas otras bacterias. especies. Aunque se ha demostrado que la HGT de vesículas de membrana es un factor que contribuye a la formación de biopelículas, aún se requiere investigación para demostrar que la HGT mediada por vesículas de membrana se produce dentro de las biopelículas. También se ha demostrado que la HGT de vesículas de membrana modula las interacciones entre bacterias y fagos en células SPP1 resistentes a los fagos de Bacillus subtilis (que carecen de la proteína receptora SPP1). Tras la exposición a vesículas que contienen receptores, se produce la transducción de pBT163 (un plásmido que codifica cat), lo que da como resultado la expresión de la proteína del receptor SPP1, lo que abre las bacterias receptivas a una futura infección por fagos.
Investigaciones recientes han demostrado que las especies de arqueas H. volcanii tiene algunos fenotipos de biopelículas similares a las biopelículas bacterianas, como la diferenciación y la HGT, que requieren contacto célula-célula e involucran la formación de puentes citosólicos y eventos de fusión celular.
Dispositivos de cultivo
Existe una amplia variedad de dispositivos de cultivo de biopelículas para imitar entornos naturales o industriales. Aunque es importante considerar que la plataforma experimental particular para la investigación de biopelículas determina qué tipo de biopelícula se cultiva y los datos que se pueden extraer. Estos dispositivos se pueden agrupar en los siguientes:
- microtiter plate (MTP) systems and MBEC Assay® [antes el dispositivo de biofilm de Calgary (CBD)]
- Prueba de Anillo BioFilm Archivado 26 de octubre de 2021 en el Wayback Machine (BRT) o en el Test clínico de Anillo Biofilm (cBRT)
- Dispositivo Robbins o Dispositivo Robbins modificado (como el MPMR-10PMMA o el Reactor Biofilm BioinLine)
- Drip Flow Biofilm Reactor®
- Dispositivos rotatorios (como el Reactor de Biofilm CDC®, el Reactor de Discos Rotating, el Reactor Anular de Biofilm, el Reactor de Biofilm de Superficies Industriales, o el Fermentador de Cine de Profundidad Constante)
- cámaras de flujo o células de flujo (como la célula de flujo de evaluación Coupon, la célula de flujo de transmisión y la célula de flujo de cápsulas de bioSurface Technologies)
- enfoques microfluídicos
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