BIOFILM: CARATTERISTICHE, FORMAZIONE, TIPOLOGIE ED ESEMPI - BIOLOGIA - 2024

I biofilm o biofilm sono comunità di microrganismi attaccati a una superficie, che vivono in una matrice di sostanze polimeriche extracellulari autogenerate. Furono inizialmente descritti da Antoine von Leeuwenhoek, quando esaminò gli "animalcules" (così chiamati per lui), su un piatto di materiale dai suoi stessi denti nel XVII secolo.

La teoria che concettualizza i biofilm e descrive il loro processo di formazione non è stata sviluppata fino al 1978. Si è scoperto che la capacità dei microrganismi di formare biofilm sembra essere universale.

Figura 1. Biofilm prodotto da Staphylococcus aureus in un catetere. Fonte: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. tramite https://commons.wikimedia.org

I biofilm possono esistere in ambienti diversi come sistemi naturali, acquedotti, serbatoi di stoccaggio dell'acqua, sistemi industriali, nonché in un'ampia varietà di mezzi come dispositivi medici e dispositivi per la permanenza nei pazienti ospedalieri (come i cateteri, per esempio).

Attraverso l'uso della microscopia elettronica a scansione e della microscopia laser a scansione confocale, è stato scoperto che i biofilm non sono depositi omogenei e non strutturati di cellule e limo accumulato, ma piuttosto strutture eterogenee complesse.

I biofilm sono comunità complesse di cellule associate su una superficie, incorporate in una matrice polimerica altamente idratata la cui acqua circola attraverso i canali aperti della struttura.

Molti organismi che hanno avuto successo nella loro sopravvivenza di milioni di anni nell'ambiente, ad esempio specie dei generi Pseudomonas e Legionella, utilizzano la strategia del biofilm in ambienti diversi dai loro ambienti nativi nativi.

Caratteristiche dei biofilm

Caratteristiche chimiche e fisiche della matrice del biofilm

-Le sostanze polimeriche extracellulari secrete da microrganismi del biofilm, macromolecole polisaccaridiche, proteine, acidi nucleici, lipidi e altri biopolimeri, per lo più molecole altamente idrofile, si incrociano per formare una struttura tridimensionale chiamata matrice del biofilm.

-La struttura della matrice è altamente viscoelastica, ha proprietà di gomma, è resistente alla trazione e alla rottura meccanica.

-La matrice ha la capacità di aderire alle superfici dell'interfaccia, compresi gli spazi interni dei mezzi porosi, attraverso polisaccaridi extracellulari che agiscono come gengive aderenti.

-La matrice polimerica è prevalentemente anionica e comprende anche sostanze inorganiche come i cationi metallici.

-Ha canali d'acqua attraverso i quali circolano ossigeno, nutrienti e sostanze di scarto che possono essere riciclati.

-Questa matrice del biofilm funziona come mezzo di protezione e sopravvivenza contro ambienti avversi, una barriera contro gli invasori fagocitici e contro l'ingresso e la diffusione di disinfettanti e antibiotici.

Caratteristiche ecofisiologiche dei biofilm

-La formazione della matrice in gradienti non omogenei, produce una varietà di microhabitat, che consente la biodiversità all'interno del biofilm.

-All'interno della matrice, la forma di vita cellulare è radicalmente diversa dalla vita libera, non associata. I microrganismi del biofilm sono immobilizzati, molto vicini tra loro, associati in colonie; questo fatto consente che si verifichino interazioni intense.

-Le interazioni tra i microrganismi nel biofilm includono la comunicazione attraverso segnali chimici in un codice chiamato "quorum sensing".

-Ci sono altre importanti interazioni come il trasferimento genico e la formazione di micro-consorzi sinergici.

-Il fenotipo del biofilm può essere descritto in termini di geni espressi dalle cellule associate. Questo fenotipo è alterato rispetto al tasso di crescita e alla trascrizione genica.

-Gli organismi all'interno del biofilm possono trascrivere geni che non trascrivono le loro forme di vita planctoniche o libere.

-Il processo di formazione del biofilm è regolato da geni specifici, trascritti durante l'adesione cellulare iniziale.

-Nello spazio ristretto della matrice esistono meccanismi di cooperazione e competizione. La competizione genera un adattamento costante nelle popolazioni biologiche.

-Viene generato un sistema digestivo esterno collettivo, che trattiene gli enzimi extracellulari vicino alle cellule.

-Questo sistema enzimatico permette di sequestrare, accumulare e metabolizzare nutrienti disciolti, colloidali e / o sospesi.

-La matrice funziona come un'area di riciclaggio esterna comune, stoccaggio dei componenti delle cellule lisate, fungendo anche da archivio genetico collettivo.

-Il biofilm funge da barriera strutturale protettiva contro i cambiamenti ambientali come l'essiccazione, l'azione di biocidi, antibiotici, risposte immunitarie dell'ospite, agenti ossidanti, cationi metallici, radiazioni ultraviolette ed è anche una difesa contro molti predatori come protozoi fagocitici e insetti.

-La matrice del biofilm costituisce un ambiente ecologico unico per i microrganismi, che consente uno stile di vita dinamico per la comunità biologica. I biofilm sono veri microecosistemi.

Formazione di biofilm

La formazione del biofilm è un processo in cui i microrganismi passano da uno stato nomade unicellulare a vita libera a uno stato sedentario multicellulare, dove la crescita successiva produce comunità strutturate con differenziazione cellulare.

Lo sviluppo del biofilm avviene in risposta a segnali ambientali extracellulari e segnali auto-generati.

I ricercatori che hanno studiato i biofilm concordano sul fatto che sia possibile costruire un modello ipotetico generalizzato per spiegare la loro formazione.

Questo modello di formazione del biofilm consiste in 5 fasi:

1. Adesione iniziale alla superficie.
2. Formazione di un monostrato.
3. Migrazione per formare microcolonie multistrato.
4. Produzione della matrice extracellulare polimerica.
5. Maturazione del biofilm tridimensionale.

Figura 2. Processo di formazione di un biofilm. Fonte: D. Davis, tramite Wikimedia Commons

Adesione iniziale alla superficie

La formazione del biofilm inizia con l'adesione iniziale dei microrganismi alla superficie solida, dove vengono immobilizzati. È stato scoperto che i microrganismi hanno sensori di superficie e che le proteine ​​di superficie sono coinvolte nella formazione della matrice.

Negli organismi non mobili, quando le condizioni ambientali sono favorevoli, aumenta la produzione di adesine sulla loro superficie esterna. In questo modo, aumenta la sua capacità di adesione cellula-cellula e superficie cellulare.

Nel caso delle specie mobili, i singoli microrganismi sono localizzati su una superficie e questo è il punto di partenza verso un cambiamento radicale del loro modo di vivere da mobile libero nomade, sedentario, quasi sessile.

La capacità di movimento si perde quindi nella formazione della matrice, partecipano diverse strutture come flagelli, ciglia, pilus e fimbria, oltre alle sostanze adesive.

Quindi, in entrambi i casi (microrganismi mobili e non mobili), si formano piccoli aggregati o microcolonie e si genera un contatto cellula-cellula più intenso; cambiamenti fenotipici adattivi al nuovo ambiente si verificano nelle cellule raggruppate.

Formazione di un monostrato e microcolonie in multistrato

Inizia la produzione di sostanze polimeriche extracellulari, avviene la formazione iniziale in monostrato e il successivo sviluppo in multistrato.

Produzione della matrice extracellulare polimerica e maturazione del biofilm tridimensionale

Infine, il biofilm raggiunge la sua fase di maturità, con un'architettura tridimensionale e la presenza di canali attraverso i quali circolano acqua, nutrienti, sostanze chimiche di comunicazione e acidi nucleici.

La matrice del biofilm trattiene le cellule e le tiene unite, favorendo un alto grado di interazione con la comunicazione intercellulare e la formazione di consorzi sinergici. Le cellule del biofilm non sono completamente immobilizzate, possono muoversi al suo interno e anche staccarsi.

Tipi di biofilm

Numero di specie

In base al numero di specie che partecipano al biofilm, quest'ultimo può essere classificato in:

• Biofilm di una specie. Ad esempio, biofilm formati da Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
• Biofilm di due specie. Ad esempio, è stata scoperta anche l'associazione di Streptococcus mutans e Vellionella parvula nei biofilm.
• Biofilm polimicrobici, composti da molte specie . Ad esempio, placca dentale.

Ambiente di formazione

Inoltre a seconda dell'ambiente in cui si formano, i biofilm possono essere:

• Naturale
• Industriale
• Domestico
• Ospitale

Figura 3. Biofilm di batteri termofili a Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Fonte: Amateria1121, da Wikimedia Commons

Tipo di interfaccia in cui vengono generati

D'altra parte, in base al tipo di interfaccia in cui sono formati, è possibile classificarli in:

• Biofilm di interfaccia solido-liquido , come quelli formati in acquedotti e serbatoi, tubazioni e serbatoi d'acqua in genere.
• Biofilm interfaccia solido-gas (SAB per l'acronimo in inglese Sub Aereal Biofilms); che sono comunità microbiche che si sviluppano su superfici minerali solide, direttamente esposte all'atmosfera e alla radiazione solare. Si trovano in edifici, rocce nude del deserto, montagne, tra gli altri.

Esempi di biofilm

-Placca dentale

La placca dentale è stata studiata come un interessante esempio di una comunità complessa che vive nei biofilm. I biofilm delle placche dentali sono duri e non elastici, per la presenza di sali inorganici, che conferiscono rigidità alla matrice polimerica.

I microrganismi della placca dentale sono molto vari e ci sono tra 200 e 300 specie associate nel biofilm.

Tra questi microrganismi ci sono:

• Il genere Streptococcus ; costituito da batteri acidurici che demineralizzano lo smalto e la dentina e danno inizio alla carie dentale. Ad esempio, le specie: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis e S. milleri.
• Il genere Lactobacillus , costituito da batteri acidofili che denaturano le proteine ​​della dentina. Ad esempio, le specie: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Il genere Actinomyces , che sono microrganismi acidurici e proteolitici. Tra queste, le specie: viscosus, A. odontoliticus e A. naeslundii.
• E altri generi , come: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis e Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilm in acque nere

Un altro esempio interessante sono le acque reflue domestiche, dove i microrganismi nitrificanti che ossidano ammonio, nitriti e batteri nitrificanti autotrofi vivono in biofilm attaccati ai tubi.

Tra i batteri ossidanti l'ammonio di questi biofilm, le specie numericamente dominanti sono quelle del genere Nitrosomonas, distribuite in tutta la matrice del biofilm.

I componenti maggioritari all'interno del gruppo degli ossidanti nitriti sono quelli del genere Nitrospira, che si trovano solo nella parte interna del biofilm.

- Subaerie biofilm

I biofilm subaerie sono caratterizzati da una crescita irregolare su superfici minerali solide come rocce ed edifici urbani. Questi biofilm presentano associazioni dominanti di funghi, alghe, cianobatteri, batteri eterotrofi, protozoi e animali microscopici.

In particolare, i biofilm SAB possiedono microrganismi chemolitotrofici, in grado di utilizzare sostanze chimiche minerali inorganiche come fonti di energia.

I microrganismi chemiolitotrofici hanno la capacità di ossidare composti inorganici come H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ e sfruttare l'energia potenziale elettrica prodotta dalle ossidazioni nel loro metabolismo.

Tra le specie microbiche presenti nei biofilm subaerei ci sono:

• Batteri del genere Geodermatophilus; cianobatteri del genere C hrococcoccidiopsis, specie coccoidi e filamentose come Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Alghe verdi dei generi Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia e Stichococcus.
• Batteri eterotrofi (dominanti nei biofilm subaerei): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. e Rhodococcus sp.
• Batteri chemioorganotrofi e funghi come Actynomycetales (streptomiceti e Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria e Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilm di agenti causali di malattie umane

Molti dei batteri noti come agenti causali delle malattie umane vivono nei biofilm. Tra questi ci sono: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans e Legionella pneumophyla.

-Piaga bubbonica

Di interesse è la trasmissione della peste bubbonica tramite il morso delle pulci, un adattamento relativamente recente dell'agente batterico responsabile di questa malattia, Yersinia pestis.

Questo batterio cresce come un biofilm attaccato al sistema digestivo superiore del vettore (la pulce). Durante un morso, la pulce rigurgita il biofilm contenente Yersinia pestis nel derma, dando inizio all'infezione.

-Cateteri venosi ospedalieri

I microrganismi isolati dal biofilm sui cateteri venosi centrali espiantati includono un'incredibile serie di batteri Gram-positivi e Gram-negativi, così come altri microrganismi.

Diversi studi scientifici riportano come batteri Gram-positivi dei biofilm nei cateteri venosi: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. e Streptococcus pneumoniae.

Tra i batteri Gram-negativi isolati da questi biofilm si segnalano: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida sppida sppida. . e Serratia marcescens.

Altri organismi presenti in questi biofilm sono: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis e Mycobacterium chelonei.

-Nell'industria

Per quanto riguarda il funzionamento dell'industria, i biofilm generano ostruzioni nei tubi, danni alle apparecchiature, interferenze in processi come il trasferimento di calore quando si coprono le superfici degli scambiatori o la corrosione delle parti metalliche.

Industria alimentare

La formazione di film nell'industria alimentare può creare significativi problemi operativi e di salute pubblica.

I patogeni associati nei biofilm possono contaminare i prodotti alimentari con batteri patogeni e causare gravi problemi di salute pubblica ai consumatori.

Tra i biofilm di patogeni associati all'industria alimentare ci sono:

Listeria monocytogenes

Questo patogeno utilizza nella fase iniziale della formazione del biofilm, flagelli e proteine ​​di membrana. Forma biofilm sulle superfici in acciaio delle affettatrici.

Nell'industria lattiero-casearia, i biofilm di Listeria monocytogenes possono essere prodotti nel latte fluido e nei prodotti lattiero-caseari. I residui di latticini in tubi, serbatoi, contenitori e altri dispositivi favoriscono lo sviluppo di biofilm di questo patogeno che li utilizza come nutrienti disponibili.

Pseudomonas

I biofilm di questi batteri possono essere trovati nelle strutture dell'industria alimentare, come pavimenti, scarichi e sulle superfici degli alimenti come carne, verdura e frutta, nonché nei derivati ​​del latte a bassa acidità.

Pseudomonas aeruginosa secerne diverse sostanze extracellulari che vengono utilizzate nella formazione della matrice polimerica del biofilm, aderendo a una grande quantità di materiali inorganici come l'acciaio inossidabile.

Lo Pseudomonas può coesistere all'interno del biofilm in associazione con altri batteri patogeni come Salmonella e Listeria.

Salmonella

Le specie Salmonella sono il primo agente causale di zoonosi di eziologia batterica e focolai di intossicazione alimentare.

Studi scientifici hanno dimostrato che la Salmonella può aderire come biofilm a superfici in calcestruzzo, acciaio e plastica negli impianti di trasformazione alimentare.

Le specie Salmonella possiedono strutture superficiali con proprietà aderenti. Inoltre, produce cellulosa come sostanza extracellulare, che è il componente principale della matrice polimerica.

Escherichia coli

Utilizza flagelli e proteine ​​di membrana nella fase iniziale della formazione del biofilm. Produce anche cellulosa extracellulare per generare la struttura tridimensionale della matrice nel biofilm.

Resistenza dei biofilm a disinfettanti, germicidi e antibiotici

I biofilm offrono protezione ai microrganismi che li compongono, all'azione di disinfettanti, germicidi e antibiotici. I meccanismi che consentono questa funzionalità sono i seguenti:

• Penetrazione ritardata dell'agente antimicrobico attraverso la matrice tridimensionale del biofilm, a causa della diffusione molto lenta e della difficoltà nel raggiungere la concentrazione effettiva.
• Tasso di crescita alterato e basso metabolismo dei microrganismi nel biofilm.
• Cambiamenti nelle risposte fisiologiche dei microrganismi durante la crescita del biofilm, con espressione genica di resistenza alterata.

Riferimenti

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