¿Qué Son Las Biopelículas?

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Las biopelículas son capas viscosas de microorganismos que se adhieren a las superficies húmedas. Pueden causar hasta el 80 por ciento de las infecciones.

Las biopelículas son un colectivo de uno o más tipos de microorganismos que pueden crecer en muchas superficies diferentes. Los microorganismos que forman biopelículas incluyen bacterias, hongos y protistas.

Un ejemplo común de una placa dental de biopelículas, una acumulación de bacterias que se forma en las superficies de los dientes. La escoria de estanque es otro ejemplo. Se han encontrado biopelículas que crecen en minerales y metales. Se han encontrado bajo el agua, bajo tierra y por encima del suelo. Pueden crecer en tejidos vegetales y animales, y en dispositivos médicos implantados como catéteres y marcapasos.

Cada una de estas superficies distintas tiene una característica de definición común: están húmedas. Estos ambientes están "periódicamente o continuamente llenos de agua", según un artículo de 2007 publicado en Microbe Magazine. Biofilms prosperan sobre superficies húmedas o mojadas.

Las biopelículas se han establecido en tales entornos durante mucho tiempo. La evidencia fósil de biopelículas se remonta a hace unos 3.25 mil millones de años, según un artículo publicado en 2004 en la revista Nature Reviews Microbiology. Por ejemplo, se han encontrado biopelículas en las rocas hidrotermales de aguas profundas de 3,2 billones de años de Pilbara Craton en Australia. Biofilms similares se encuentran en ambientes hidrotermales tales como aguas termales y respiraderos de aguas profundas.

Este limo de color marrón verdoso, que se encuentra en las rocas en un lecho de un arroyo, es un biofilm compuesto de algas.

Este limo de color marrón verdoso, que se encuentra en las rocas en un lecho de un arroyo, es un biofilm compuesto de algas.

Crédito: USGS

Formación de biopelículas

La formación de biopelículas comienza cuando los microorganismos que flotan libremente, como las bacterias, entran en contacto con una superficie apropiada y comienzan a echar raíces, por así decirlo. Este primer paso de unión se produce cuando los microorganismos producen una sustancia pegajosa conocida como sustancia polimérica extracelular (EPS), según el Centro de Ingeniería de Biopelículas de la Universidad Estatal de Montana. Un EPS es una red de azúcares, proteínas y ácidos nucleicos (como el ADN). Permite que los microorganismos en una biopelícula se peguen entre sí.

El apego es seguido por un período de crecimiento. Más capas de microorganismos y EPS se construyen sobre las primeras capas. En última instancia, crean una estructura 3D bulbosa y compleja, según el Centro de Ingeniería de Biofilm. Los canales de agua entrecruzan las biopelículas y permiten el intercambio de nutrientes y productos de desecho, según el artículo de Microbe.

Las múltiples condiciones ambientales ayudan a determinar hasta qué punto crece una biopelícula. Estos factores también determinan si está formado por solo unas pocas capas de células o mucho más. "Realmente depende de la biopelícula", dijo Robin Gerlach, profesor del departamento de ingeniería química y biológica de la Montana State University-Bozeman. Por ejemplo, los microorganismos que producen una gran cantidad de EPS pueden convertirse en biofilms bastante gruesos incluso si no tienen acceso a una gran cantidad de nutrientes, dijo. Por otro lado, para los microorganismos que dependen del oxígeno, la cantidad disponible puede limitar cuánto pueden crecer. Otro factor ambiental es el concepto de "estrés cortante". "Si tiene un flujo muy alto [de agua] a través de un biofilm, como en un arroyo, el biofilm generalmente es bastante delgado. Si tiene un biofilm en agua que fluye lentamente, como en un estanque, puede volverse muy espeso". Gerlach explicó.

Finalmente, las células dentro de un biofilm pueden dejar el pliegue y establecerse en una nueva superficie. O bien se rompe un grupo de células o células individuales salen de la biopelícula y buscan un nuevo hogar. Este último proceso se conoce como "dispersión de semillas", según el Centro de Ingeniería de Biofilm.

¿Por qué formar un biofilm?

Para los microorganismos, vivir como parte de un biofilm tiene ciertas ventajas. "Las comunidades de microbios suelen ser más resistentes al estrés", dijo Gerlach a WordsSideKick.com. Los factores estresantes potenciales incluyen la falta de agua, pH alto o bajo o la presencia de sustancias tóxicas para microorganismos como antibióticos, antimicrobianos o metales pesados.

Hay muchas explicaciones posibles para la resistencia de las biopelículas. Por ejemplo, la cubierta viscosa de EPS puede actuar como una barrera protectora. Puede ayudar a prevenir la deshidratación o actuar como un escudo contra la luz ultravioleta (UV). Además, las sustancias nocivas como los antimicrobianos, la lejía o los metales se unen o neutralizan cuando entran en contacto con el EPS. Por lo tanto, se diluyen a concentraciones que no son letales antes de que puedan alcanzar varias células en la biopelícula, según un artículo de 2004 en Nature Reviews Microbiology.

Aún así, es posible que ciertos antibióticos penetren en el EPS y se abran paso a través de las capas de una biopelícula. Aquí, otro mecanismo de protección puede entrar en juego: la presencia de bacterias que están fisiológicamente inactivas. Para funcionar bien, todos los antibióticos requieren algún nivel de actividad celular. Entonces, si las bacterias están fisiológicamente inactivas para comenzar, no hay mucho para que se rompa un antibiótico.

Otro modo de protección contra los antibióticos es la presencia de células bacterianas especiales conocidas como "persistentes". Tales bacterias no se dividen y son resistentes a muchos antibióticos. Según un artículo de 2010 publicado en la revista Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, los "persistentes" funcionan al producir sustancias que bloquean los objetivos de los antibióticos.

En general, los microorganismos que viven juntos como un biofilm se benefician de la presencia de varios miembros de su comunidad. Gerlach citó el ejemplo de microorganismos autótrofos y heterótrofos que viven juntos en biopelículas.Los autótrofos, como las bacterias fotosintéticas o las algas, pueden producir su propio alimento en forma de material orgánico (que contiene carbono), mientras que los heterótrofos no pueden producir su propio alimento y requieren fuentes externas de carbono. "En estas comunidades multi-orgánicas, a menudo se cruzan con la alimentación", dijo.

Biofilms y nosotros

Dada la amplia gama de entornos en los que encontramos biopelículas, no es sorprendente que afecten muchos aspectos de la vida humana. Abajo hay algunos ejemplos.

Una micrografía electrónica de barrido muestra una biopelícula formada por Candida albicans en un disco intravascular preparado a partir de material de catéter.

Una micrografía electrónica de barrido muestra una biopelícula formada por Candida albicans en un disco intravascular preparado a partir de material de catéter.

Crédito: CDC

Salud y enfermedad

A medida que la investigación ha progresado a lo largo de los años, las biopelículas (bacterianas y fúngicas) se han relacionado con diversas afecciones de salud. En una convocatoria de 2002 para solicitudes de subvenciones, los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) señalaron que las biopelículas representaban "más del 80 por ciento de las infecciones microbianas en el cuerpo".

Las biopelículas pueden crecer en dispositivos médicos implantados, como válvulas cardíacas protésicas, prótesis articulares, catéteres y marcapasos. Esto a su vez conduce a infecciones. El fenómeno se observó por primera vez en la década de 1980, cuando se encontraron biopelículas bacterianas en catéteres intravenosos y marcapasos. También se sabe que las biopelículas bacterianas causan endocarditis infecciosa y neumonía en las personas con fibrosis quística, según el artículo de 2004 en Nature Reviews Microbiology, entre otras infecciones.

"La razón por la cual la formación de biopelículas es una gran causa de preocupación es que, dentro de una biopelícula, las bacterias son más resistentes a los antibióticos y otros desinfectantes importantes que se podrían usar para controlarlos", dijo AC Matin, profesor de microbiología e inmunología en Stanford. Universidad. De hecho, en comparación con las bacterias que flotan libremente, las que crecen como biopelículas pueden ser hasta 1.500 veces más resistentes a los antibióticos y otros agentes biológicos y químicos, según el artículo de Microbe. Matin describió la resistencia a la biopelícula combinada con el aumento general de la resistencia a los antibióticos entre las bacterias como un "doble golpe" y un gran desafío para el tratamiento de infecciones.

Las biopelículas fúngicas también pueden causar infecciones al crecer en dispositivos implantados. Especies de levadura como los miembros del género. Cándida crecen con implantes mamarios, marcapasos y válvulas cardíacas protésicas según un artículo publicado en 2014 en la revista Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Cándida Las especies también crecen en los tejidos del cuerpo humano, lo que lleva a enfermedades como la vaginitis (inflamación de la vagina) y la candidiasis orofaríngea (una infección de levadura que se desarrolla en la boca o garganta). Sin embargo, los autores señalan que la resistencia a los medicamentos no se mostró en estos casos.

Biorremediación

A veces, las biopelículas son útiles. "La biorremediación, en general, es el uso de organismos vivos, o sus productos, por ejemplo, enzimas, para tratar o degradar compuestos nocivos", dijo Gerlach. Señaló que las biopelículas se utilizan para tratar aguas residuales, contaminantes de metales pesados ​​como el cromato, explosivos como el TNT y sustancias radiactivas como el uranio. "Los microbios pueden degradarlos o cambiar su movilidad o su estado tóxico y, por lo tanto, hacerlos menos dañinos para el medio ambiente y para los humanos", dijo.

La nitrificación con biopelículas es una forma de tratamiento de aguas residuales. Durante la nitrificación, el amoníaco se convierte en nitritos y nitratos a través de la oxidación. Esto se puede hacer con bacterias autótrofas, que crecen como biopelículas en superficies de plástico, según un artículo de 2013 publicado en la revista Water Research. Estas superficies de plástico tienen un tamaño de unos pocos centímetros y se distribuyen a través del agua.

El TNT explosivo (2,4,6-trinitrotolueno) se considera un contaminante del suelo, aguas superficiales y aguas subterráneas. La estructura química de TNT consiste en benceno (un anillo aromático hexagonal hecho de seis átomos de carbono) unido a tres grupos nitro (NO2) y un grupo metilo (CH3). Los microorganismos degradan la TNT por reducción, según un artículo de 2007 publicado en la revista Applied and Environmental Microbiology. La mayoría de los microorganismos reducen los tres grupos nitro, mientras que algunos atacan el anillo aromático. Los investigadores, Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach y sus colegas, encontraron que la cepa de levadura Yarrowia lipolytica fue capaz de degradar el TNT por ambos métodos, aunque principalmente atacando el anillo aromático.

Pilas de combustible microbianas

Las células de combustible microbianas utilizan bacterias para convertir los residuos orgánicos en electricidad. Los microbios viven en la superficie de un electrodo y transfieren electrones a él, creando en última instancia una corriente, dijo Gerlach. Un artículo de 2011 publicado en Illumin, una revista en línea de la Universidad del Sur de California, señala que las bacterias que impulsan las células de combustible microbianas descomponen los alimentos y los desechos corporales. Esto proporciona una fuente de energía de bajo costo y energía limpia y sostenible.

La investigación en curso

Nuestro mundo está lleno de biopelículas. De hecho, a mediados del siglo XX, se encontraron más bacterias en las superficies internas de los recipientes que contienen cultivos bacterianos, que flotando libremente en el propio cultivo líquido, según el artículo de 2004 de Nature Reviews Microbiology. Comprender estas complejas estructuras microbianas es un área activa de investigación.

"Las biopelículas son comunidades increíbles. Algunas personas las han comparado con organismos multicelulares porque hay mucha interacción entre células individuales", dijo Gerlach. "Continuamos aprendiendo acerca de ellos, y continuamos aprendiendo cómo controlarlos mejor; tanto para reducir el daño, como en el campo de la medicina, o para aumentar el beneficio, como en la biorremediación. No vamos a quedarnos sin Preguntas interesantes en esa área ".

Recursos adicionales

  • CDC: biopelículas fúngicas y resistencia a fármacos
  • Estado de Penn: cómo funciona una celda de combustible microbiana
  • USGS: Biofilms in Streams ayuda a crear variaciones diarias en las concentraciones de metales


Suplemento De Vídeo: Vídeo explicativo sobre los Biofilms y como actúa Prontosan.




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