BIOFILME: CARACTERISTICI, FORMARE, TIPURI ȘI EXEMPLE - BIOLOGIE - 2025

De biofilmele sau biofilmele sunt comunități de microorganisme atașate la o suprafață, care trăiesc într - o matrice de substanțe polimerice extracelulare auto - generat. Au fost descrise inițial de Antoine von Leeuwenhoek, când a examinat „animalulele” (numite astfel pentru el), pe o farfurie cu material din dinții săi din secolul al XVII-lea.

Teoria care conceptualizează biofilmele și descrie procesul de formare a acestora nu a fost dezvoltată până în 1978. S-a descoperit că capacitatea microorganismelor de a forma biofilme pare a fi universală.

Figura 1. Biofilm produs de Staphylococcus aureus într-un cateter. Sursa: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. prin https://commons.wikimedia.org

Biofilmele pot exista în medii la fel de variate precum sistemele naturale, apeductele, rezervoarele de stocare a apei, sistemele industriale, precum și într-o mare varietate de medii, cum ar fi dispozitivele medicale și dispozitivele pentru pacienții din spital (cum ar fi cateterele, de exemplu).

Prin utilizarea microscopiei electronice de scanare și a microscopiei laser cu scanare confocală, s-a descoperit că biofilmele nu sunt depozite omogene, nestructurate de celule și silturi acumulate, ci mai degrabă structuri eterogene complexe.

Biofilmele sunt comunități complexe de celule asociate pe o suprafață, încorporate într-o matrice polimerică puternic hidratată a cărei apă circulă prin canalele deschise ale structurii.

Multe organisme care au avut succes în supraviețuirea lor de milioane de ani în mediu, de exemplu speciile din genurile Pseudomonas și Legionella, folosesc strategia de biofilm în alte medii decât mediile lor native.

Caracteristicile biofilmelor

Caracteristicile chimice și fizice ale matricei biofilmului

-Substanțele extracelulare polimerice secretate de microorganisme biofilme, macromolecule polizaharidice, proteine, acizi nucleici, lipide și alte biopolimeri, în mare parte molecule puternic hidrofile, se încrucișează pentru a forma o structură tridimensională numită matrice biofilmă.

-Structura matricei este extrem de viscoelastică, are proprietăți de cauciuc, este rezistentă la tracțiune și defecțiuni mecanice.

-Matricea are capacitatea de a adera la suprafețele de interfață, inclusiv spațiile interne ale mediilor poroase, prin polizaharide extracelulare care acționează ca gingii aderente.

-Matrică polimerică este predominant anionică și include, de asemenea, substanțe anorganice, cum ar fi cationii metalici.

-Are canale de apă prin care circulă oxigenul, substanțele nutritive și substanțele reziduale care pot fi reciclate.

-Această matrice a biofilmului funcționează ca un mijloc de protecție și supraviețuire împotriva mediilor adverse, o barieră împotriva invadatorilor fagocitici și împotriva intrării și difuziei dezinfectanților și a antibioticelor.

Caracteristicile ecofiziologice ale biofilmelor

-Formarea matricei în gradienți neomogeni, produce o varietate de microhabitate, ceea ce permite existența biodiversității în cadrul biofilmului.

-În cadrul matricei, forma de viață celulară este radical diferită de viața liberă, nefiind asociată. Microorganismele biofilm sunt imobilizate, foarte aproape unele de altele, asociate în colonii; acest fapt permite interacțiuni intense.

-Interațiile dintre microorganisme din biofilm includ comunicarea prin semnale chimice într-un cod numit „senzor de cvorum”.

-Există și alte interacțiuni importante, cum ar fi transferul de gene și formarea de micro-consorții sinergice.

-Fenotipul biofilmului poate fi descris în termeni de gene exprimate de celulele asociate. Acest fenotip este modificat în ceea ce privește rata de creștere și transcrierea genelor.

-Organismele din biofilm pot transcrie gene care nu își transcriu formele de viață planctonice sau libere.

-Procesul de formare a biofilmului este reglat de gene specifice, transcrise în timpul aderenței celulare inițiale.

-În spațiul limitat al matricei, există mecanisme de cooperare și concurență. Concurența generează o adaptare constantă la populațiile biologice.

-Este generat un sistem colectiv extern de digestie, care retine enzimele extracelulare in apropierea celulelor.

-Acest sistem enzimatic permite sechestrul, acumularea și metabolizarea, dizolvarea, coloidele și / sau substanțele nutritive suspendate.

-Matrică funcționează ca o zonă comună de reciclare externă, depozitarea componentelor celulelor lizate, servind și ca arhivă genetică colectivă.

-Biofilmul funcționează ca o barieră structurală de protecție împotriva modificărilor de mediu, cum ar fi desicarea, acțiunea biocidelor, antibioticelor, răspunsuri imune gazdă, agenți oxidanti, cationi metalici, radiații ultraviolete și este, de asemenea, o apărare împotriva multor prădători, cum ar fi protozoare fagocitare și insecte.

-Matricea biofilmului constituie un mediu ecologic unic pentru microorganisme, permițând un mod de viață dinamic pentru comunitatea biologică. Biofilmele sunt adevărate microecosisteme.

Formarea biofilmului

Formarea biofilmului este un proces în care microorganismele trec de la o stare unicelulară de viață liberă, nomadică la o stare sedentară multicelulară, în care creșterea ulterioară produce comunități structurate cu diferențiere celulară.

Dezvoltarea biofilmului are loc ca răspuns la semnalele de mediu extracelulare și la semnalele generate de sine.

Cercetătorii care au studiat biofilmele sunt de acord că este posibil să construiască un model ipotetic generalizat pentru a explica formarea lor.

Acest model de formare a biofilmului este format din 5 etape:

1. Aderenta initiala la suprafata.
2. Formarea unei monostraturi.
3. Migrația pentru formarea microcoloniilor multistrat.
4. Producția matricei extracelulare polimerice.
5. Maturizarea biofilmului tridimensional.

Figura 2. Procesul de formare a unui biofilm. Sursa: D. Davis, prin Wikimedia Commons

Aderenta initiala la suprafata

Formarea biofilmului începe cu aderarea inițială a microorganismelor la suprafața solidă, unde sunt imobilizate. S-a descoperit că microorganismele au senzori de suprafață și că proteinele de suprafață sunt implicate în formarea matricei.

În organismele non-mobile, atunci când condițiile de mediu sunt favorabile, crește producția de adezine pe suprafața lor externă. În acest fel, își crește capacitatea de aderență dintre celulă și celulă.

În cazul speciilor mobile, microorganismele individuale sunt localizate pe o suprafață și acesta este punctul de plecare spre o schimbare radicală a modului lor de viață de la mobilul liber nomad, la sedentar, aproape sesil.

Capacitatea de mișcare se pierde, prin urmare, în formarea matricei, participă diferite structuri, cum ar fi flagelul, cilia, pilusul și fimbria, pe lângă substanțele adezive.

Apoi, în ambele cazuri (microorganisme mobile și non-mobile), se formează mici agregate sau microcolonii și se generează un contact celulă celulă mai intens; modificări fenotipice adaptive la noul mediu apar în celulele grupate.

Formarea unei monostraturi și microcolonii în mai multe straturi

Începe producția de substanțe polimerice extracelulare, are loc formarea inițială în monostrat și dezvoltarea ulterioară în mai multe straturi.

Producția matricei extracelulare polimerice și maturizarea biofilmei tridimensionale

În cele din urmă, biofilmul atinge stadiul de maturitate, cu o arhitectură tridimensională și prezența canalelor prin care circulă apa, nutrienții, substanțele chimice de comunicare și acizii nucleici.

Matricea biofilmă reține celulele și le ține împreună, promovând un grad ridicat de interacțiune cu comunicarea intercelulară și formarea de consorții sinergice. Celulele biofilmului nu sunt complet imobilizate, ele se pot deplasa în interiorul său și pot deveni detașate.

Tipuri de biofilme

Număr de specii

În funcție de numărul de specii care participă la biofilm, acestea din urmă pot fi clasificate în:

• Biofilme ale unei specii. De exemplu, biofilme formate din Streptococcus mutans sau Vellionela parvula.
• Biofilme a două specii. De exemplu, a fost descoperită și asocierea Streptococcus mutans și Vellionella parvula în biofilme.
• Biofilme polimicrobiene, formate din mai multe specii . De exemplu, placa dentară.

Mediul de instruire

De asemenea, în funcție de mediul în care sunt formate, biofilmele pot fi:

• Natural
• Industrial
• Intern
• Ospitalier

Figura 3. Biofilme de bacterii termofile în Mickey Hot Springs, Oregon, SUA. Sursa: Amateria1121, de la Wikimedia Commons

Tipul de interfață în care sunt generate

Pe de altă parte, în funcție de tipul de interfață în care sunt formate, este posibil să le clasificăm în:

• Biofilme interfață solid-lichid , cum ar fi cele formate în apeducte și rezervoare, conducte și rezervoare de apă în general.
• Biofilme de interfață solid-gaz (SAB pentru acronimele sale în engleză Sub Aereal Biofilms); care sunt comunități microbiene care se dezvoltă pe suprafețe minerale solide, direct expuse atmosferei și radiațiilor solare. Se găsesc în clădiri, roci deșert, munți, printre altele.

Exemple de biofilme

-Placă dentară

Placa dentară a fost studiată ca un exemplu interesant al unei comunități complexe care trăiește în biofilme. Biofilmele plăcilor dentare sunt dure și nu sunt elastice, datorită prezenței sărurilor anorganice, care conferă rigiditate matricei polimerice.

Microorganismele plăcii dentare sunt foarte variate și există între 200 și 300 de specii asociate în biofilm.

Printre aceste microorganisme se numără:

• Genul Streptococcus ; alcătuit din bacterii acidurice care demineralizează smaltul și dentina și inițiază cariile dentare. De exemplu, speciile: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis și S. milleri.
• Genul Lactobacillus , format din bacterii acidofile care denaturează proteine ​​dentinice. De exemplu, speciile: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Genul Actinomyces , care sunt microorganisme acidurice și proteolitice. Printre acestea, speciile: viscosus, A. odontoliticus și A. naeslundii.
• Și alte genuri , cum ar fi: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis și Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilme în apă neagră

Un alt exemplu interesant este apele uzate menajere, în care microorganismele nitrifiante care oxidează amoniu, nitriți și bacterii de nitrifiere autotrofă trăiesc în biofilme atașate conductelor.

Dintre bacteriile oxidante de amoniu din aceste biofilme, speciile dominante numeric sunt cele din genul Nitrosomonas, distribuite pe întreaga matrice de biofilm.

Componentele majoritare din grupul de oxidanți ai nitriților sunt cele din genul Nitrospira, care sunt localizate doar în partea internă a biofilmei.

- Biofilme subacvatice

Biofilmele subacvatice se caracterizează prin creșterea netedă pe suprafețe minerale solide, precum roci și clădiri urbane. Aceste biofilme prezintă asociații dominante de ciuperci, alge, cianobacterii, bacterii heterotrofe, protozoare, precum și animale microscopice.

În special, biofilmele SAB posedă microorganisme chemolitotrofice, capabile să utilizeze substanțe chimice minerale anorganice ca surse de energie.

Microorganisme Chemolithotrophic au capacitatea de a oxida compuși anorganici , cum ar fi H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ și să profite de energia potențială electrică produsă de oxidări în metabolisme lor.

Printre speciile microbiene prezente în biofilmele subaeriene se numără:

• Bacterii din genul Geodermatophilus; cianobacterii din genul C hrococcoccidiopsis, specii coccoide și filamentoase precum Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Algele verzi din genurile Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia și Stichococcus.
• Bacterii heterotrofe (dominante în biofilme subaeriene): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. și Rhodococcus sp.
• Bacterii și ciuperci chimioorganotrofe, cum ar fi Actynomycetales (streptomicete și Geodermatophilaceae), Proteobacterii, Actinobacterii, Acidobacterii și Bacteroizi-citophaga-Flavobacterium.

-Bio filme de agenți cauzali ai bolilor umane

Multe dintre bacteriile cunoscute sub numele de agenți cauzali ai bolilor umane trăiesc în biofilme. Printre acestea se numără: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans și Legionella pneumophyla.

-Ciumă bubonică

Interesant este transmiterea ciumei bubonice prin mușcătura de purici, o adaptare relativ recentă a agentului bacterian responsabil pentru această boală, Yersinia pestis.

Această bacterie crește ca un biofilm atașat la sistemul digestiv superior al vectorului (purici). În timpul unei mușcături, puricii regurgitează biofilmul care conține Yersinia pestis în derm, inițizând astfel infecția.

-Catere venoase de spital

Organismele izolate din biofilm pe catetere venoase centrale exploatate includ o serie uimitoare de bacterii Gram-pozitive și Gram-negative, precum și alte microorganisme.

Câteva studii științifice raportează ca bacterii Gram-pozitive ale biofilmelor în catetere venoase: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus. și Streptococcus pneumoniae.

Dintre bacteriile Gram-negative izolate din aceste biofilme, sunt raportate următoarele: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas . si Serratia marcescens.

Alte organisme găsite în aceste biofilme sunt: ​​Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis și Mycobacterium chelonei.

-În industrie

În ceea ce privește funcționarea industriei, biofilmele generează obstrucții ale conductelor, deteriorarea echipamentelor, interferențe în procese precum transferurile de căldură la acoperirea suprafețelor schimbătorilor sau coroziunea pieselor metalice.

Industria alimentară

Formarea filmelor în industria alimentară poate crea probleme semnificative de sănătate publică și operaționale.

Agenții patogeni asociați în biofilme pot contamina produsele alimentare cu bacterii patogene și pot cauza grave probleme de sănătate publică pentru consumatori.

Printre biofilmele de agenți patogeni asociați cu industria alimentară se numără:

Listeria monocytogenes

Acest agent patogen se folosește în stadiul inițial al formării biofilmului, flagelelor și proteinelor membranare. Formează biofilme pe suprafețele de oțel ale mașinilor de tăiat.

În industria produselor lactate, biofilmele Listeria monocytogenes pot fi produse în lapte fluid și produse lactate. Reziduurile lactate din conducte, rezervoare, recipiente și alte dispozitive favorizează dezvoltarea biofilmelor acestui agent patogen care le folosește ca nutrienți disponibili.

Pseudomonas

Biofilmele acestor bacterii pot fi găsite în instalațiile din industria alimentară, cum ar fi podelele, scurgerile și pe suprafețele alimentare, cum ar fi carnea, legumele și fructele, precum și derivații cu conținut scăzut de acid din lapte.

Pseudomonas aeruginosa secretă mai multe substanțe extracelulare care sunt utilizate la formarea matricei polimerice a biofilmei, aderând la o cantitate mare de materiale anorganice, cum ar fi oțelul inoxidabil.

Pseudomonas poate coexista în biofilm în asociere cu alte bacterii patogene, cum ar fi Salmonella și Listeria.

Salmonella

Speciile de Salmonella sunt primul agent cauzal al zoonozelor de etiologie bacteriană și focare de intoxicații alimentare.

Studiile științifice au arătat că Salmonella poate adera sub formă de biofilme pe suprafețe de beton, oțel și plastic din instalațiile de procesare a alimentelor.

Speciile de Salmonella posedă structuri de suprafață cu proprietăți aderente. În plus, produce celuloză ca substanță extracelulară, care este componenta principală a matricei polimerice.

Escherichia coli

Folosește flagelele și proteinele de membrană în etapa inițială de formare a biofilmului. De asemenea, produce celuloză extracelulară pentru a genera cadrul tridimensional al matricei din biofilm.

Rezistența biofilmelor la dezinfectanți, germicide și antibiotice

Biofilmele oferă protecție microorganismelor care le compun, pentru acțiunea dezinfectanților, germicidelor și antibioticelor. Mecanismele care permit această caracteristică sunt următoarele:

• Penetrarea întârziată a agentului antimicrobian prin matricea tridimensională a biofilmului, datorită difuziei foarte lente și dificultății de a ajunge la concentrația eficientă.
• Viteza de creștere modificată și metabolismul mic al microorganismelor din biofilm.
• Modificări ale răspunsurilor fiziologice ale microorganismelor în timpul creșterii biofilmului, cu expresia modificată a genei cu rezistență modificată.

Referințe

1. Biofilme bacteriene. (2008). Subiecte actuale în microbiologie și imunologie. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hanovra: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM și Costerton, JW (2002). Biofilme: mecanisme de supraviețuire ale microorganismelor clinic relevante. Recenzii de microbiologie clinică. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC și Wingender, F. (2010). Matricea biofilmului. Recenzii ale naturii Microbiologie. 8: 623-633.
4. Gorbușina, A. (2007). Viața pe stânci. Microbiologie de mediu. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB și Kolter, R. (2000). Formarea biofilmului ca dezvoltare microbiană. Revizuirea anuală a microbiologiei 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Sposedley, L., Costerton, JW și Sposedley, P. (2004). Biofilme bacteriene: de la mediul natural la boli infecțioase. Recenzii ale naturii Microbiologie. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. și Mattick, J. (2002). ADN extracelular necesar pentru formarea biofilmului bacterian. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / știință.295.5559.1487