Biofilm, Formación, Desarrollo, Dispersión, Propiedades, Ejemplos, Las biopelículas y enfermedades infecciosas

Una biopelícula es cualquier grupo de microorganismos en el que las células se pegan el uno al otro en una superficie. Estas células adherentes están frecuentemente embebidos dentro de una matriz de producción propia de sustancia polimérica extracelular. Biofilm EPS, que también se conoce como limo, es un conglomerado compuesto polimérico generalmente de ADN extracelular, proteínas, y polisacáridos. Las biopelículas pueden formar en superficies vivos o no vivos y pueden ser frecuentes en los entornos naturales, industriales y hospitalarios. Las células microbianas que crecen en un biofilm son fisiológicamente distinta de las células planctónicas del mismo organismo, que, por el contrario, son las células individuales que puedan flotar o nadar en un medio líquido.

Los microbios forman una biopelícula en respuesta a muchos factores, que pueden incluir el reconocimiento celular de sitios de unión específicos o no específicos sobre una superficie, las señales nutricionales, o en algunos casos, por la exposición de las células planctónicas a concentraciones sub-inhibitorias de antibióticos. Cuando una célula se cambia al modo de biopelícula de crecimiento, se somete a un cambio fenotípico en el comportamiento en el que grandes suites de genes están regulados diferencialmente.

Formación

La formación de una biopelícula comienza con la unión de microorganismos que flotan libremente a una superficie. Estos primeros colonizadores se adhieren a la superficie inicialmente a través de débil, la adhesión reversible a través de fuerzas de van der Waals. Si los colonos no se separan inmediatamente de la superficie, que pueden anclarse más permanente, mediante las estructuras de adhesión celular tales como pili. La hidrofobicidad también juega un papel importante en la determinación de la capacidad de las bacterias para formar biopelículas, como aquellos con una mayor hidrofobicidad han reducido repulsión entre la matriz extracelular y la bacteria. Algunas especies no son capaces de adherirse a una superficie sobre su propio pero a veces son capaces de anclarse a la matriz o directamente a colonos anteriores. Es durante esta colonización que las células son capaces de comunicarse a través de la detección de quórum utilizando productos tales como AHL. Algunas bacterias son incapaces de formar biopelículas como éxito debido a su limitada motilidad. Bacterias no móviles no pueden reconocer la superficie o agregado juntos tan fácilmente como bacterias móviles. Una vez que la colonización ha comenzado, el biofilm crece a través de una combinación de la división celular y el reclutamiento. Matrices de polisacáridos normalmente encierran biofilms bacterianos. Además de los polisacáridos, estas matrices también pueden contener material del entorno circundante, incluyendo pero no limitado a, partículas minerales del suelo, y los componentes de la sangre, tales como eritrocitos y fibrina. La etapa final de la formación de biopelículas se conoce como dispersión, y es la etapa en la que se establezca el biofilm y sólo puede cambiar de forma y tamaño. El desarrollo de un biofilm puede permitir una colonia de células agregada a ser cada vez más resistentes a los antibióticos.

Desarrollo

Hay cinco etapas de desarrollo de la biopelícula:

  • Fijación inicial:
  • Apego Irreversible:
  • Maduración I:
  • Maduración II:
  • Dispersión:
  • Dispersión

    La dispersión de las células de la colonia de la biopelícula es una etapa esencial del ciclo de vida de biopelículas. Dispersión permite biofilms para difundir y colonizar nuevas superficies. Las enzimas que degradan la matriz extracelular biopelícula, tales como dispersin B y desoxirribonucleasa, pueden jugar un papel en la dispersión de la biopelícula. Biofilm matriz de enzimas de degradación pueden ser útiles como agentes anti-biopelícula. La evidencia reciente ha demostrado que un mensajero de ácido graso, ácido cis-2-decenoico, es capaz de inducir la dispersión y la inhibición del crecimiento de las colonias de biofilm. Secretada por Pseudomonas aeruginosa, este compuesto induce a las células heteromorfos cyclo en varias especies de bacterias y la levadura Candida albicans. El óxido nítrico también se ha demostrado para activar la dispersión de biopelículas de varias especies de bacterias a concentraciones sub-tóxicas. El óxido nítrico tiene el potencial para el tratamiento de pacientes que sufren de infecciones crónicas causadas por biopelículas.

    Propiedades

    Las biopelículas se encuentran generalmente en sustratos sólidos sumergidos en o expuestos a una solución acuosa, aunque se pueden formar como esteras flotantes en la superficie del líquido y también en la superficie de las hojas, particularmente en climas de alta humedad. Teniendo en cuenta los recursos suficientes para el crecimiento, un biofilm crecerá rápidamente para ser macroscópica. Las biopelículas pueden contener muchos tipos diferentes de microorganismos, por ejemplo, bacterias, arqueas, protozoos, hongos y algas, cada grupo realiza funciones metabólicas especializadas. Sin embargo, algunos organismos se forman películas de una sola especie bajo ciertas condiciones. La estructura social dentro de un biofilm depende en gran medida de las diferentes especies presentes.

    La matriz extracelular

    La biopelícula se mantiene unido y protegido por una matriz de compuestos poliméricos secretadas llamadas EPS. EPS es una abreviatura de cualquiera de estas sustancias poliméricas extracelulares o exopolisacáridos. Esta matriz protege las células dentro de él y facilita la comunicación entre ellos a través de señales bioquímicas. Se han encontrado algunas biopelículas para contener canales de agua que ayudan a distribuir los nutrientes y moléculas de señalización. Esta matriz es lo suficientemente fuerte que, bajo ciertas condiciones, las biopelículas pueden llegar a ser fosilizados.

    Las bacterias que viven en una biopelícula generalmente tienen propiedades significativamente diferentes de bacterias que flotan libremente de la misma especie, como el medio ambiente denso y protegido de la película permite a cooperar e interactuar de diversas maneras. Uno de los beneficios de este entorno se incrementa la resistencia a los detergentes y antibióticos, como la densa matriz extracelular y la capa exterior de las células proteger el interior de la comunidad. En algunos casos de resistencia a los antibióticos puede ser aumentado por mil. Transferencia lateral de genes se facilita en gran medida en las biopelículas y conduce a una estructura del biofilm más estable.

    Sin embargo, las biopelículas no siempre son menos susceptibles a los antibióticos. Por ejemplo, la forma de biopelículas de Pseudomonas aeruginosa no tiene mayor resistencia a los antimicrobianos que las células planctónicas la fase estacionaria, aunque cuando se compara la biopelícula de las células planctónicas fase logarítmica, la biopelícula tiene una mayor resistencia a los antimicrobianos. Esta resistencia a los antibióticos en ambas células en fase estacionaria y biofilms puede ser debido a la presencia de células persister.

    Ejemplos

    Las biopelículas son omnipresentes. Casi todas las especies de microorganismos, no sólo las bacterias y arqueas, tienen mecanismos por los que se pueden adherir a las superficies y el uno al otro. Las biopelículas se forman en prácticamente todas las superficies no-vertimiento en un ambiente acuoso no estéril.

    • Las biopelículas se pueden encontrar en las rocas y cantos rodados en la parte inferior de la mayoría de los arroyos o ríos y, a menudo se forman en la superficie del agua estancada. De hecho, los biofilms son componentes importantes de las cadenas alimenticias en los ríos y arroyos y son pastoreados por los invertebrados acuáticos de los que muchos alimentos para peces.
    • Las biopelículas pueden crecer en los ambientes más extremos: de, por ejemplo, los de calor extremo, aguas salobres de aguas termales que van desde muy ácido o muy alcalino, a los glaciares congelados.
    • En el entorno humano, biofilms pueden crecer en las duchas con mucha facilidad, ya que proporcionan un ambiente húmedo y cálido de la biopelícula para prosperar. Las biopelículas pueden formar dentro de las tuberías de agua y alcantarillado y causar obstrucción y corrosión. Las biopelículas en los pisos y contadores pueden dificultar el saneamiento en las áreas de preparación de alimentos.
    • Las biopelículas en sistemas de refrigeración o de calefacción de agua son conocidos por reducir la transferencia de calor.
    • Las biopelículas en los sistemas de ingeniería marítima, tales como tuberías de la industria de petróleo y gas en alta mar, puede dar lugar a problemas de corrosión sustanciales. La corrosión se debe principalmente a factores abióticos, sin embargo, al menos el 20% de la corrosión es causada por microorganismos que se unen al metal del subsuelo.
    • Adherencia bacteriana a cascos de barcos sirve como la base para la contaminación biológica de los buques de navegación marítima. Una vez que una película de formas de bacterias, es más fácil para otros organismos marinos como los percebes se unan. Tal ensuciamiento puede reducir la velocidad máxima del buque hasta en un 20%, la prolongación de viajes y consumir combustible. Tiempo en dique seco para volver a montar y volver a pintar reduce la productividad de los activos de transporte, y la vida útil de los barcos también se reduce debido a la eliminación de la corrosión y mecánica de los organismos marinos del casco de los buques.
    • Las biopelículas también pueden ser aprovechadas con fines constructivos. Por ejemplo, muchas plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen una etapa de tratamiento de aguas residuales en el que pasa por encima de las biopelículas cultivadas en filtros, que extraen y digieren los compuestos orgánicos. En tales biopelículas, las bacterias son principalmente responsables de la eliminación de la materia orgánica, mientras que los protozoos y rotíferos son principalmente responsables de la eliminación de sólidos en suspensión, incluyendo los agentes patógenos y otros microorganismos. Filtros lentos de arena se basan en el desarrollo del biofilm de la misma manera para filtrar las aguas superficiales del lago, manantial o fuente del río para beber. Lo que consideramos como el agua limpia es efectivamente un material de desecho de estos organismos microcelulares.
    • Las biopelículas pueden ayudar a eliminar el aceite de petróleo de los océanos contaminados o sistemas marinos. El aceite se elimina por las actividades de hidrocarburos de degradación de las comunidades microbianas, en particular, por un notable grupo recientemente descubierto de especialistas, las denominadas bacterias hidrocarbonoclásticas.
    • Los estromatolitos son estructuras de capas acreción formado en aguas poco profundas de la captura, la unión y la cementación de granos sedimentarios de biofilms microbianos, especialmente de las cianobacterias. Los estromatolitos son algunos de los más antiguos registros de la vida en la Tierra, y aún se están formando hoy.
    • Las biopelículas están presentes en los dientes de la mayoría de los animales como la placa dental, donde pueden causar caries dental y la enfermedad de las encías.
    • Las biopelículas se encuentran en la superficie y en el interior de las plantas. Ellos pueden contribuir a enfermedades de los cultivos o, como en el caso de Rhizobium de fijación de nitrógeno en las raíces, existe en simbiosis con la planta. Ejemplos de enfermedades de los cultivos relacionados con las biopelículas son cancro de los cítricos, la enfermedad de las uvas de Pierce, y la mancha bacteriana de las plantas, tales como pimientos y tomates.
    • Las biopelículas se utilizan en las células microbianas de combustible para generar electricidad a partir de una variedad de materiales de partida, incluyendo los residuos orgánicos complejos y la biomasa renovable.

    Las biopelículas y enfermedades infecciosas

    Las biopelículas se han encontrado a participar 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 visto implicados biofilms son problemas comunes, tales como las infecciones del tracto urinario, infecciones del catéter, las infecciones del oído medio, la formación de la placa dental, gingivitis, lentes de contacto de recubrimiento y procesos menos comunes pero más letales tales como endocarditis, infecciones en quística fibrosis, y las infecciones de dispositivos habitación permanente, como prótesis articulares y las válvulas cardíacas. Más recientemente se ha observado que las biopelículas bacterianas pueden alterar la cicatrización de heridas cutáneas y reducir la eficiencia antibacteriano tópico en la curación o el tratamiento de heridas infectadas de la piel.

    Se ha demostrado recientemente que las biopelículas están presentes en el tejido extraído de 80% de los pacientes sometidos a cirugía para la sinusitis crónica. Los pacientes con biofilms se demostrarse que se ha despojado de las células ciliares y la copa, a diferencia de los controles sin biofilms que tenían cilios normales y morfología de las células caliciformes. Las biopelículas también fueron encontrados en muestras de dos de los 10 controles sanos mencionados. Las especies de bacterias a partir de cultivos interoperativas no corresponden a las especies de bacterias en la biopelícula sobre el tejido del respectivo paciente. En otras palabras, los cultivos fueron negativos, aunque las bacterias estaban presentes.

    Las biopelículas también se pueden formar en las superficies inertes de los dispositivos implantados tales como los catéteres, válvulas cardíacas protésicas y dispositivos intrauterinos.

    Las nuevas técnicas de tinción se están desarrollando para diferenciar las células bacterianas que crecen en animales vivos, por ejemplo, de los tejidos con alergias inflamaciones.

    La investigación ha demostrado que los niveles sub-terapéuticos de antibióticos-lactámicos inducen la formación de biofilm en Staphylococcus aureus. Este nivel sub-terapéutica de los antibióticos puede resultar de la utilización de antibióticos como promotores del crecimiento en la agricultura, o durante el curso normal de terapia antibiótica. La formación de biopelículas inducida por meticilina bajo nivel fue inhibida por DNasa, lo que sugiere que los niveles sub-terapéuticos de antibióticos también inducen la liberación de ADN extracelular.

    La placa dental

    La placa dental es el material que se adhiere a los dientes y consiste en células bacterianas, polímeros salivales y productos extracelulares bacterianos. La placa es una biopelícula sobre las superficies de los dientes. Esta acumulación de microorganismos sujeta los dientes y los tejidos gingivales a altas concentraciones de metabolitos bacterianos que se traduce en enfermedades dentales.

    Legionelosis

    Bacterias de Legionella se sabe que crecen bajo ciertas condiciones en las biopelículas, en el que están protegidos contra los desinfectantes. Los trabajadores de las torres de refrigeración, las personas que trabajan en las salas y las personas que toman una ducha de aire acondicionado están expuestos a Legionella por inhalación cuando los sistemas no están bien diseñados, construidos o mantenidos.