Biofilms: características, formación, tipos y ejemplos
Los biofilms o biopelículas son comunidades de microorganismos unidos a una superficie, que viven en una matriz autogenerada de sustancias poliméricas extracelulares. Fueron inicialmente descritos por Antoine von Leeuwenhoek, cuando examinó los “animáculos” (así bautizados por él), en una placa de material de sus propios dientes en el siglo XVII.
La teoría que conceptualiza a las biopelículas y describe su proceso de formación, no se había desarrollado hasta 1978. Se descubrió que la capacidad de los microorganismos para formar biopelículas, parece ser universal.
Las biopelículas pueden existir en ambientes tan variados como sistemas naturales, acueductos, tanques de depósito de agua, sistemas industriales, así como en una gran variedad de medios como aparatos y dispositivos médicos de permanencia en pacientes hospitalarios (como catéteres, por ejemplo).
A través del uso de microscopía electrónica de barrido y microscopía láser confocal de barrido, se descubrió que los biofilms no son depósitos homogéneos, desestructurados, de células y limo acumulado, sino estructuras heterogéneas complejas.
Las biopelículas son comunidades complejas de células asociadas en una superficie, incluidas en una matriz polimérica altamente hidratada cuya agua circula por canales abiertos de la estructura.
Muchos organismos que han sido exitosos en su sobrevivencia de millones de años en el ambiente, por ejemplo especies de los géneros Pseudomonas y Legionella, utilizan la estrategia de biopelícula en ambientes diferentes a sus entornos originarios nativos.
Índice del artículo
- 1 Características de las biopelículas
- 2 Formación de biopelículas
- 3 Tipos de biopelículas
- 4 Ejemplos de biopelículas
- 5 Resistencia de las biopelículas a desinfectantes, germicidas y antibióticos
- 6 Referencias
-Las sustancias extracelulares poliméricas secretadas por los microorganismos del biofilm, macromoléculas de polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros biopolímeros, moléculas en su mayoría muy hidrofílicas, se entrecruzan formando una estructura tridimensional llamada matriz del biofilm.
-La estructura de la matriz es altamente viscoelástica, tiene propiedades de goma, es resistente a la tracción y a ruptura mecánica.
-La matriz tiene capacidad de adherencia a superficies interfases, incluyendo espacios internos de medios porosos, a través de polisacáridos extracelulares que actúan como gomas adherentes.
-La matriz polimérica es predominantemente aniónica y también incluye sustancias inorgánicas como cationes metálicos.
-Posee canales de agua por donde circulan oxígeno, nutrientes y sustancias de desecho que pueden ser recicladas.
-Esta matriz de la biopelícula, funciona como medio de protección y supervivencia ante entornos adversos, barrera ante invasores fagocíticos y contra la entrada y difusión de desinfectantes y antibióticos.
-La formación de la matriz en gradientes no homogéneos, produce una variedad de microhábitats, lo cual permite que exista biodiversidad dentro de la biopelícula.
-Dentro de la matriz, la forma de vida celular es radicalmente diferente de la vida libre, no asociada. Los microorganismos de la biopelícula, están inmovilizados, muy próximos unos a otros, asociados en colonias; este hecho permite que ocurran intensas interacciones.
-Las interacciones entre los microorganismos de la biopelícula incluyen la comunicación a través de señales químicas en un código llamado “quorum sensing”.
-Existen otras interacciones importantes como la transferencia de genes y la formación de microconsorcios sinergísticos.
-El fenotipo del biofilm puede describirse en términos de los genes expresados por las células asociadas. Este fenotipo está alterado con respecto a la tasa de crecimiento y la transcripción genética.
-Los organismos dentro del biofilm pueden transcribir genes que no transcriben sus formas de vida planctónica o libre.
-El proceso de formación de la biopelícula está regulado por genes específicos, transcritos durante la adhesión celular inicial.
-En el espacio confinado de la matriz, existen mecanismos de cooperación y de competencia. La competencia genera una adaptación constante en las poblaciones biológicas.
-Se genera un sistema digestivo externo colectivo, que retiene las enzimas extracelulares cerca de las células.
-Este sistema enzimático permite secuestrar, acumular y metabolizar, nutrientes disueltos, coloidales y/o en suspensión.
-La matriz funciona como una zona externa común de reciclaje, almacén de los componentes de células lisadas, sirviendo además de archivo genético colectivo.
-La biopelícula funciona como una barrera estructural protectora ante cambios ambientales como la desecación, la acción de biocidas, antibióticos, respuestas inmunes del hospedador, agentes oxidantes, cationes metálicos, radiación ultravioleta y también es defensa contra muchos depredadores como protozoarios fagocíticos e insectos.
-La matriz de la biopelícula constituye un ambiente ecológico único para los microorganismos, que permite una forma de vida dinámica a la comunidad biológica. Las biopelículas son verdaderos microecosistemas.
La formación de biopelículas es un proceso en el cual los microorganismos pasan de un estado unicelular nómada, de vida libre, a un estado sedentario multicelular, donde el posterior crecimiento produce comunidades estructuradas y con diferenciación celular.
El desarrollo del biofilm ocurre como respuesta a señales extracelulares ambientales y señales autogeneradas.
Los investigadores que han estudiado las biopelículas, concuerdan en que es posible construir un modelo hipotético generalizado para explicar su formación.
Este modelo de formación de las biopelículas consta de 5 etapas:
- Adhesión inicial a la superficie.
- Formación de una monocapa.
- Migración para formar microcolonias en multicapas.
- Producción de la matriz extracelular polimérica.
- Maduración de la biopelícula tridimensional.
La formación de la biopelícula se inicia con la adhesión inicial de microorganismos a la superficie sólida, donde se inmovilizan. Se ha descubierto que los microorganismos poseen sensores de superficie y que en la formación de la matriz intervienen proteínas de superficie.
En organismos no móviles, cuando las condiciones ambientales son propicias, se incrementa la producción de adhesinas en su superficie externa. De esta manera, aumenta su capacidad de adherencia célula-célula y célula-superficie.
En el caso de especies móviles, los microorganismos individuales se localizan en una superficie y éste es el punto de partida hacia un cambio radical en su modo de vida de libre móvil nómada, a sedentaria, casi sésil.
La capacidad de movimiento se pierde pues en la formación de la matriz, participan las diferentes estructuras como flagelos, cilios, pilus y fimbrias, además de las sustancias adhesivas.
A continuación, en ambos casos (microorganismos móviles y no móviles), se forman pequeños agregados o microcolonias y se genera un contacto célula-célula más intenso; ocurren cambios fenotípicos adaptativos al nuevo entorno, en las células agrupadas.
Comienza la producción de sustancias poliméricas extracelulares, ocurre la formación inicial en monocapa y el desarrollo posterior en multicapas.
Finalmente, la biopelícula alcanza su estadío de madurez, con una arquitectura tridimensional y presencia de canales a través de los cuales circulan el agua, nutrientes, compuestos químicos de comunicación y ácidos nucleicos.
La matriz de la biopelícula retiene a las células y las mantiene juntas, promoviendo un alto grado de interacción con comunicación intercelular y formación de consorcios sinergísticos. Las células del biofilm no están completamente inmovilizadas, pueden moverse dentro de éste y también desprenderse.
De acuerdo al número de especies participantes en la biopelícula, estas últimas se pueden clasificar en:
- Biofilms de una especie. Por ejemplo, las biopelículas formadas por Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
- Biofilms de dos especies. Por ejemplo, se ha descubierto también la asociación de Streptococcus mutans y Vellionela parvula en biopelículas.
- Biofilms polimicrobianos, conformados por muchas especies. Por ejemplo, la placa dental.
También según el ambiente donde se forman, las biopelículas pueden ser:
- Naturales
- Industriales
- Domésticas
- Hospitalarias
Por otra parte, según el tipo de interfase donde se forman, es posible clasificarlas en:
- Biopelículas de interfase sólido-líquido, como las formadas en acueductos y tanques, pipas y depósitos de agua en general.
- Biopelículas de interfase sólido-gas (SAB por sus siglas en inglés Sub Aereal Biofilms); las cuales son comunidades microbianas que se desarrollan en superficies minerales sólidas, expuestas directamente a la atmósfera y a la radiación solar. Se encuentran en edificios, rocas desnudas de desiertos, montañas, entre otros.
Se ha estudiado la placa dental, como ejemplo interesante de una comunidad compleja que vive en biopelículas. Los biofilms de las placas dentales son duros y no elásticos, debido a la presencia de sales inorgánicas, que dan rigidez a la matriz polimérica.
Los microorganismos de la placa dental son muy variados y existen entre 200 a 300 especies asociadas en biofilm.
Entre estos microorganismos, se encuentran:
- El género Streptococcus; constituido por bacterias acidúricas que desmineralizan el esmalte y la dentina, e inician la caries dental. Por ejemplo, las especies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis y S. milleri.
- El género Lactobacillus, conformado por bacterias acidófilas desnaturalizadoras de las proteínas de la dentina. Por ejemplo, las especies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
- El género Actinomyces, que son microorganismos acidúricos y proteolíticos. Entre estos, las especies: viscosus, A. odontoliticus y A. naeslundii.
- Y otros géneros, como: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis y Actinobacillus actinomycetecomitans.
Otro ejemplo interesante son las aguas de desechos domésticos, donde viven en biofilms adheridos a tuberías, microorganismos nitrificantes oxidantes de amonio, de nitrito y bacterias nitrificantes autótrofas.
Entre las bacterias oxidantes de amonio de estos biofilms, se encuentran como especies dominantes numéricamente, las del género Nitrosomonas, distribuidas en toda la matriz de la biopelícula.
Las componentes mayoritarias dentro del grupo de oxidantes de nitrito, son las del género Nitrospira, las cuales se ubican sólo en la parte interna de la biopelícula.
Los biofilms subaéreos se caracterizan por un crecimiento en parches sobre superficies sólidas minerales como rocas y construcciones urbanas. Estos biofilms presentan asociaciones dominantes de hongos, algas, cianobacterias, bacterias heterótrofas, protozoarios, así como animales microscópicos.
Particularmente, los biofilms SAB poseen microorganismos quimiolitotróficos, capaces de utilizar sustancias químicas inorgánicas minerales como fuentes de energía.
Los microorganismos quimiolitotróficos tienen la capacidad de oxidar compuestos inorgánicos como H2, NH3, NO2, S, HS, Fe2+ y aprovechar la energía de potencial eléctrico producto de las oxidaciones en sus metabolismos.
Entre las especies microbianas presentes en los biofilms subaéreos, se encuentran:
- Bacterias del género Geodermatophilus; cianobacterias de los géneros Chrococcoccidiopsis, especies cocoides y filamentosas como Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
- Algas verdes de los géneros Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia y Stichococcus.
- Bacterias heterótrofas (dominantes en las biopelículas subaéreas): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. y Rhodococcus sp.
- Bacterias quimiórganotróficas y hongos como Actynomicetales (streptomicetes y Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria y bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.
Muchas de las bacterias conocidas como agentes causales de enfermedades humanas, viven en biofilms. Entre éstas, se encuentran: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans y Legionella pneumophyla.
Resulta interesante la trasmisión de la peste bubónica por picadura de pulga, una adaptación relativamente reciente del agente bacterial causal de esta enfermedad, Yersinia pestis.
Esta bacteria crece como biofilm adherido al aparato digestivo superior del vector (la pulga). Durante una picadura, la pulga regurgita la biopelícula contentiva de Yersinia pestis en la dermis y así se inicia la infección.
Entre los organismos aislados de biopelículas en catéteres venosos centrales explantados, se encuentran una asombrosa variedad de bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, además de otros microorganismos.
Varios estudios científicos reportan como bacterias Gram-positivas de biofilms en catéteres venosos: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcusaureus,Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. y Streptococcus pneumoniae.
Entre las bacterias Gram-negativas aisladas de estas biopelículas se reportan: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. y Serratia marcescens.
Otros organismos encontrados en estas biopelículas son: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis y Mycobacterium chelonei.
En cuanto a la operatividad de la industria, los biofilms generan obstrucciones de tuberías, daños en equipos, interferencias en los procesos como por ejemplo transferencias de calor al cubrir superficies de los intercambiadores, o corrosión de partes metálicas.
Industria de alimentos
La formación de películas en industrias del ramo alimentario puede generar importantes problemas operativos y de salud pública.
Los agentes patógenos asociados en los biofilms pueden contaminar los productos alimenticios con bacterias patógenas y generar graves problemas de salud pública en los consumidores.
Entre los biofilms de patógenos asociados a la industria de alimentos, se encuentran:
Listeria monocytogenes
Este agente patógeno emplea en la etapa inicial de formación de la biopelícula, flagelos y proteínas de membrana. Forma biopelículas en las superficies de acero de máquinas rebanadoras.
En la industria láctea, pueden producirse biopelículas de Listeria monocytogenes en leche líquida y productos derivados de la leche. Los residuos lácteos en tuberías, tanques, recipientes y otros dispositivos, favorecen el desarrollo de biofilms de este patógeno que los utiliza como nutrientes disponibles.
Pseudomonas spp.
Biopelículas de estas bacterias se pueden encontrar en instalaciones de industrias de alimentos, como pisos, desagües y en las superficies de los alimentos como carnes, verduras y frutas, además de derivados de baja acidez de la leche.
Pseudomonas aeruginosa secreta varias sustancias extracelulares las cuales se emplean en la formación de la matriz polimérica de la biopelícula, adhiriéndose a gran cantidad de materiales inorgánicos como el acero inoxidable.
Pseudomonas puede coexistir dentro del biofilm en asociación a otras bacterias patógenas como Salmonella y Listeria.
Salmonella spp.
Las especies de Salmonella son el primer agente causal de zoonosis de etiología bacteriana y brotes de toxoinfección alimentaria.
Estudios científicos han demostrado que Salmonella puede adherirse en forma de biofilms, a las superficies de cemento, acero y plástico, de las instalaciones de plantas procesadoras de alimentos.
Las especies de Salmonella poseen estructuras de superficie con propiedades adherentes. Adicionalmente produce celulosa como sustancia extracelular, la cual es la principal componente de la matriz polimérica.
Escherichia coli
Emplea flagelos y proteínas de membrana en el paso inicial de formación de la biopelícula. También produce celulosa extracelular para generar el entramado tridimensional de la matriz en la biopelícula.
Las biopelículas ofrecen protección a los microorganismos que la conforman, a la acción de desinfectantes, germicidas y antibióticos. Los mecanismos que permiten esta característica son los siguientes:
- Penetración retardada del agente antimicrobiano a través de la matriz tridimensional de la biopelícula, por difusión muy lenta y dificultad de alcanzar la concentración efectiva.
- Tasa de crecimiento alterada y bajo metabolismo de los microorganismos en la biopelícula.
- Cambios en las respuestas fisiológicas de los microorganismos durante el crecimiento de la biopelícula, con expresión de genes de resistencia alterada.
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