Biofilme - Biofilm

Definição IUPAC

Agregado de microrganismos nos quais as células que são frequentemente incorporadas em uma matriz autoproduzida de substâncias poliméricas extracelulares (EPSs) aderem umas às outras e / ou a uma superfície.

Nota 1: Um biofilme é um sistema que pode ser adaptado internamente às condições ambientais pelos seus habitantes. Nota 2: A matriz autoproduzida de substâncias poliméricas extracelulares , também chamada de limo, é um conglomerado polimérico geralmente composto de biopolímeros extracelulares em várias formas estruturais.

Um biofilme compreende qualquer consórcio sintrófico de microrganismos no qual as células se aderem umas às outras e, muitas vezes, também a uma superfície. Essas células aderentes ficam embutidas em uma matriz extracelular viscosa que é composta de substâncias poliméricas extracelulares (EPSs). As células dentro do biofilme produzem os componentes EPS, que são tipicamente um conglomerado polimérico de polissacarídeos extracelulares , proteínas , lipídeos e DNA . Por terem uma estrutura tridimensional e representar um estilo de vida comunitário para microrganismos, foram metaforicamente descritos como "cidades para micróbios".

Biofilmes podem se formar em superfícies vivas ou não vivas e podem ser prevalentes em ambientes naturais, industriais e hospitalares. As células microbianas que crescem em um biofilme são fisiologicamente distintas das células planctônicas do mesmo organismo, que, ao contrário, são células únicas que podem flutuar ou nadar em um meio líquido. Biofilmes podem se formar nos dentes da maioria dos animais como placa dentária , onde podem causar cáries e doenças gengivais .

Os micróbios formam um biofilme em resposta a uma série de fatores diferentes, que podem incluir o reconhecimento celular de locais de fixação específicos ou não específicos em uma superfície, sinais nutricionais ou, em alguns casos, pela exposição de células planctônicas a concentrações subinibidoras de antibióticos . Uma célula que muda para o modo de crescimento de biofilme sofre uma mudança fenotípica no comportamento em que grandes conjuntos de genes são regulados diferencialmente .

Um biofilme também pode ser considerado um hidrogel , que é um polímero complexo que contém muitas vezes seu peso seco em água. Biofilmes não são apenas camadas de limo bacteriano, mas sistemas biológicos; as bactérias se organizam em uma comunidade funcional coordenada. Os biofilmes podem se fixar a uma superfície, como um dente ou rocha, e podem incluir uma única espécie ou um grupo diverso de microorganismos. Subpopulações de células dentro do biofilme se diferenciam para realizar várias atividades de motilidade, produção de matriz e esporulação, apoiando o sucesso geral do biofilme. As bactérias do biofilme podem compartilhar nutrientes e são protegidas de fatores prejudiciais ao meio ambiente, como dessecação, antibióticos e o sistema imunológico do corpo hospedeiro. Um biofilme geralmente começa a se formar quando uma bactéria que nata livremente se fixa a uma superfície.

Origem e formação

Origem dos biofilmes

Acredita-se que os biofilmes tenham surgido durante a Terra primitiva como mecanismo de defesa para procariotos, já que as condições naquela época eram muito severas para sua sobrevivência. Eles podem ser encontrados bem no início dos registros fósseis da Terra (cerca de 3,25 bilhões de anos atrás) como Archaea e Bactéria, e comumente protegem as células procarióticas ao fornecer-lhes homeostase, encorajando o desenvolvimento de interações complexas entre as células no biofilme.

Formação de biofilmes

A formação de um biofilme começa com a fixação de microorganismos flutuantes em uma superfície. A primeira bactéria colonizadora de um biofilme pode aderir à superfície inicialmente pelas forças fracas de van der Waals e efeitos hidrofóbicos. Se os colonos não forem separados imediatamente da superfície, eles podem se ancorar de forma mais permanente usando estruturas de adesão celular , como os pili . Um grupo único de Archaea que habita águas subterrâneas anóxicas tem estruturas semelhantes chamadas hami. Cada hamus é um tubo longo com três ganchos que são usados ​​para se prenderem uns aos outros ou a uma superfície, permitindo o desenvolvimento de uma comunidade.

A hidrofobicidade também pode afetar a capacidade das bactérias de formar biofilmes. Bactérias com hidrofobicidade aumentada têm repulsão reduzida entre o substrato e a bactéria. Algumas espécies de bactérias não são capazes de se fixar a uma superfície por conta própria com sucesso devido à sua motilidade limitada, mas, em vez disso, conseguem se ancorar na matriz ou diretamente em outras bactérias colonizadoras anteriores. Bactérias não móveis não podem reconhecer superfícies ou se agregar tão facilmente quanto bactérias móveis.

Durante a colonização da superfície, as células bacterianas são capazes de se comunicar usando produtos quorum sensing (QS), como N-acil homoserina lactona (AHL). Uma vez iniciada a colonização, o biofilme cresce por uma combinação de divisão celular e recrutamento. Matrizes polissacarídicas normalmente encerram biofilmes bacterianos. Além dos polissacarídeos, essas matrizes também podem conter material do ambiente circundante, incluindo, mas não se limitando a minerais, partículas de solo e componentes do sangue, como eritrócitos e fibrina. O estágio final da formação do biofilme é conhecido como dispersão, e é o estágio em que o biofilme se estabelece e só pode mudar de forma e tamanho.

O desenvolvimento de um biofilme pode permitir que uma colônia (ou colônias) de células agregadas seja cada vez mais tolerante ou resistente a antibióticos . A comunicação célula-célula ou quorum sensing demonstrou estar envolvida na formação de biofilme em várias espécies bacterianas.

Desenvolvimento

Cinco estágios de desenvolvimento do biofilme: (1) Fixação inicial, (2) Fixação irreversível, (3) Maturação I, (4) Maturação II e (5) Dispersão. Cada estágio de desenvolvimento no diagrama é emparelhado com uma fotomicrografia de um biofilme de P. aeruginosa em desenvolvimento . Todas as fotomicrografias são mostradas na mesma escala.

Os biofilmes são o produto de um processo de desenvolvimento microbiano . O processo é resumido por cinco estágios principais de desenvolvimento de biofilme (veja a ilustração à direita):

  1. Anexo inicial
  2. Anexo irreversível
  3. Maturação I
  4. Maturação II
  5. Dispersão

Dispersão

Dispersão de Biofilme

A dispersão de células da colônia de biofilme é uma etapa essencial do ciclo de vida do biofilme. A dispersão permite que os biofilmes se espalhem e colonizem novas superfícies. Enzimas que degradam a matriz extracelular do biofilme , como dispersina B e desoxirribonuclease , podem contribuir para a dispersão do biofilme. As enzimas que degradam a matriz do biofilme podem ser úteis como agentes anti-biofilme. Evidências demonstraram que um mensageiro de ácido graxo, o ácido cis -2-decenóico , é capaz de induzir a dispersão e inibir o crescimento de colônias de biofilme. Secretado por Pseudomonas aeruginosa , esse composto induz células ciclo heteromórficas em várias espécies de bactérias e na levedura Candida albicans . O óxido nítrico também demonstrou desencadear a dispersão de biofilmes de várias espécies de bactérias em concentrações subtóxicas. O óxido nítrico tem potencial como tratamento para pacientes que sofrem de infecções crônicas causadas por biofilmes.

Foi geralmente assumido que as células dispersas de biofilmes vão imediatamente para a fase de crescimento planctônico. No entanto, estudos têm mostrado que a fisiologia das células dispersas de biofilmes de Pseudomonas aeruginosa é altamente diferente daquela de células planctônicas e de biofilme. Portanto, o processo de dispersão é um estágio único durante a transição do biofilme para o estilo de vida planctônico nas bactérias. As células dispersas são altamente virulentas contra macrófagos e Caenorhabditis elegans , mas altamente sensíveis ao estresse de ferro, em comparação com as células planctônicas.

Propriedades

Os biofilmes são normalmente encontrados em substratos sólidos submersos ou expostos a uma solução aquosa , embora possam se formar como mantas flutuantes em superfícies líquidas e também na superfície das folhas, principalmente em climas de alta umidade. Com recursos suficientes para o crescimento, um biofilme crescerá rapidamente e se tornará macroscópico (visível a olho nu). Os biofilmes podem conter muitos tipos diferentes de microorganismos, por exemplo , bactérias , arquéias , protozoários , fungos e algas ; cada grupo executa funções metabólicas especializadas . No entanto, alguns organismos formarão filmes de uma única espécie sob certas condições. A estrutura social (cooperação / competição) dentro de um biofilme depende muito das diferentes espécies presentes.

Matriz extracelular

Micrografia eletrônica de varredura de biofilme de cultura mista, demonstrando em detalhes um arranjo espacialmente heterogêneo de células bacterianas e substâncias poliméricas extracelulares.

A matriz EPS consiste em exopolissacarídeos , proteínas e ácidos nucléicos. Uma grande proporção do EPS é mais ou menos fortemente hidratada, no entanto, também ocorre EPS hidrofóbico; um exemplo é a celulose, produzida por uma variedade de microrganismos. Essa matriz envolve as células dentro dela e facilita a comunicação entre elas por meio de sinais bioquímicos e também pela troca de genes. A matriz EPS também captura enzimas extracelulares e as mantém próximas às células. Assim, a matriz representa um sistema de digestão externo e permite microconsórcios sinérgicos estáveis ​​de diferentes espécies. Descobriu-se que alguns biofilmes contêm canais de água que ajudam a distribuir nutrientes e moléculas de sinalização. Esta matriz é forte o suficiente para que, sob certas condições, os biofilmes possam se tornar fossilizados ( Estromatólitos ).

As bactérias que vivem em um biofilme geralmente têm propriedades significativamente diferentes das bactérias de flutuação livre da mesma espécie, pois o ambiente denso e protegido do filme permite que elas cooperem e interajam de várias maneiras. Um benefício desse ambiente é o aumento da resistência a detergentes e antibióticos , pois a densa matriz extracelular e a camada externa de células protegem o interior da comunidade. Em alguns casos, a resistência aos antibióticos pode ser aumentada em até 5.000 vezes. A transferência lateral de genes é frequentemente facilitada dentro dos biofilmes bacterianos e arqueados e leva a uma estrutura de biofilme mais estável. O DNA extracelular é o principal componente estrutural de muitos biofilmes microbianos diferentes. A degradação enzimática do DNA extracelular pode enfraquecer a estrutura do biofilme e liberar células microbianas da superfície.

No entanto, os biofilmes nem sempre são menos suscetíveis aos antibióticos. Por exemplo, a forma de biofilme de Pseudomonas aeruginosa não tem maior resistência a antimicrobianos do que células planctônicas de fase estacionária, embora quando o biofilme é comparado a células planctônicas de fase logarítmica, o biofilme tem maior resistência a antimicrobianos. Essa resistência aos antibióticos tanto nas células em fase estacionária quanto nos biofilmes pode ser devida à presença de células persistentes .

Habitats

Esteiras de biofilme bacteriano colorem as fontes termais no Parque Nacional de Yellowstone . A maior área elevada do tapete tem cerca de meio metro de comprimento.
Bactéria termofílica na saída de Mickey Hot Springs , Oregon , com aproximadamente 20 mm de espessura.

Os biofilmes são onipresentes na vida orgânica. Quase todas as espécies de microrganismos têm mecanismos pelos quais eles podem aderir a superfícies e uns aos outros. Os biofilmes se formarão em praticamente todas as superfícies que não se desprendem em ambientes aquosos ou úmidos não estéreis . Os biofilmes podem crescer nos ambientes mais extremos: desde, por exemplo, águas extremamente quentes e salgadas de fontes termais que variam de muito ácidas a muito alcalinas, até geleiras congeladas .

Os biofilmes podem ser encontrados em rochas e seixos no fundo da maioria dos riachos ou rios e frequentemente se formam na superfície de piscinas de água estagnada . Os biofilmes são componentes importantes das cadeias alimentares em rios e riachos e são pastados pelos invertebrados aquáticos dos quais muitos peixes se alimentam. Os biofilmes são encontrados na superfície e no interior das plantas. Eles podem contribuir para doenças nas plantações ou, como no caso dos rizóbios fixadores de nitrogênio nos nódulos das raízes , existem em simbiose com a planta . Exemplos de doenças de cultivo relacionadas a biofilmes incluem Citrus Canker, Pierce's Disease of vine e Bacterial Spot de plantas como pimentas e tomates.

Filtros de percolação

Filtros percolantes em estações de tratamento de esgoto são removedores altamente eficazes de poluentes do licor de esgoto sedimentado. Eles atuam fazendo com que o líquido goteje sobre uma cama de material duro que é projetada para ter uma área de superfície muito grande. Um biofilme complexo se desenvolve na superfície do meio que absorve, adsorve e metaboliza os poluentes. O biofilme cresce rapidamente e quando se torna muito espesso para reter sua aderência na mídia, ele lava e é substituído por um filme recém-crescido. O filme lavado ("eliminado") é eliminado da corrente líquida para deixar um efluente altamente purificado.

Filtro de areia lento

Filtros de areia lentos são usados ​​na purificação de água para tratar água bruta para produzir um produto potável. Eles atuam através da formação de um biofilme chamado camada hipógea ou Schmutzdecke nos poucos milímetros superiores da camada de areia fina. O Schmutzdecke é formado nos primeiros 10–20 dias de operação e consiste em bactérias , fungos , protozoários , rotíferos e uma variedade de larvas de insetos aquáticos. À medida que um biofilme epígeo envelhece, mais algas tendem a se desenvolver e organismos aquáticos maiores podem estar presentes, incluindo alguns briozoários , caramujos e vermes anelídeos . O biofilme de superfície é a camada que fornece a purificação eficaz no tratamento de água potável, sendo a areia subjacente o meio de suporte para essa camada de tratamento biológico. Conforme a água passa pela camada hipógea, partículas de matéria estranha ficam presas na matriz mucilaginosa e o material orgânico solúvel é adsorvido . Os contaminantes são metabolizados pelas bactérias, fungos e protozoários. A água produzida a partir de um filtro de areia lento exemplar é de excelente qualidade com redução de 90-99% da contagem de células bacterianas.

Rizosfera

Micróbios benéficos às plantas podem ser categorizados como rizobactérias promotoras do crescimento das plantas . Esses promotores de crescimento de plantas colonizam as raízes das plantas e fornecem uma ampla gama de funções benéficas para seus hospedeiros, incluindo fixação de nitrogênio, supressão de patógenos, propriedades antifúngicas e degradação de materiais orgânicos. Uma dessas funções é a defesa contra bactérias e fungos patogênicos do solo por meio de resistência sistêmica induzida (ISR) ou respostas sistêmicas induzidas desencadeadas por micróbios patogênicos (resistência adquirida sistêmica induzida por patógenos). Os exsudatos das plantas atuam como sinais químicos para a colonização de bactérias específicas do hospedeiro. As etapas de colonização de rizobactérias incluem atrações, reconhecimento, adesão, colonização e crescimento. As bactérias que se mostraram benéficas e formam biofilmes incluem Bacillus, Pseudomonas e Azospirillum . Biofilmes na rizosfera freqüentemente resultam em resistências sistêmicas induzidas por patógenos ou plantas. As propriedades moleculares na superfície da bactéria causam uma resposta imune na planta hospedeira. Essas moléculas associadas a micróbios interagem com receptores na superfície das células vegetais e ativam uma resposta bioquímica que se pensa incluir vários genes diferentes em vários locais. Várias outras moléculas de sinalização têm sido associadas a respostas sistêmicas induzidas e respostas sistêmicas induzidas por patógenos, como ácido jasmônico e etileno. Componentes do envelope celular, como flagelos bacterianos e lipopolissacarídeos, que são reconhecidos pelas células vegetais como componentes de patógenos. Certos metabólitos de ferro produzidos por Pseudomonas também mostraram criar uma resposta sistêmica induzida. Esta função do biofilme ajuda as plantas a construir uma resistência mais forte aos patógenos.

Plantas que foram colonizadas por PGPR formando um biofilme ganharam resistências sistêmicas e são preparadas para defesa contra patógenos. Isso significa que os genes necessários para a produção de proteínas que atuam na defesa da planta contra patógenos foram expressos, e a planta tem um “estoque” de compostos para liberar para combater os patógenos. Um sistema de defesa preparado é muito mais rápido em responder à infecção induzida por patógenos e pode ser capaz de desviar os patógenos antes que eles sejam capazes de se estabelecer. As plantas aumentam a produção de lignina, reforçando as paredes celulares e dificultando a penetração de patógenos na célula, ao mesmo tempo que cortam nutrientes para as células já infectadas, impedindo a invasão de forma eficaz. Eles produzem compostos antimicrobianos, como fitoalexinas, quitinases e inibidores de proteinase, que impedem o crescimento de patógenos. Essas funções de supressão de doenças e resistência a patógenos levam, em última instância, a um aumento na produção agrícola e uma diminuição no uso de pesticidas químicos, herbicidas e fungicidas, pois há uma redução na perda de safra devido a doenças. A resistência sistêmica induzida e a resistência sistêmica adquirida induzida por patógenos são funções potenciais de biofilmes na rizosfera e devem ser levadas em consideração quando aplicadas em práticas agrícolas da nova era, devido ao seu efeito na supressão de doenças sem o uso de produtos químicos perigosos.

Intestino de mamífero

Estudos em 2003 descobriram que o sistema imunológico apóia o desenvolvimento de biofilme no intestino grosso. Isso foi apoiado principalmente pelo fato de que as duas moléculas mais abundantemente produzidas pelo sistema imunológico também suportam a produção de biofilme e estão associadas aos biofilmes desenvolvidos no intestino. Isso é especialmente importante porque o apêndice contém uma grande quantidade desses biofilmes bacterianos. Essa descoberta ajuda a distinguir a possível função do apêndice e a ideia de que o apêndice pode ajudar a reinocular o intestino com boa flora intestinal. No entanto, estados modificados ou interrompidos de biofilmes no intestino têm sido associados a doenças como a doença inflamatória intestinal e câncer colorretal .

Ambiente humano

No ambiente humano, os biofilmes podem crescer em chuveiros com muita facilidade, pois fornecem um ambiente úmido e quente para o biofilme se desenvolver. Biofilmes podem se formar dentro de canos de água e esgoto e causar entupimento e corrosão . Biofilmes em pisos e balcões podem dificultar o saneamento nas áreas de preparação de alimentos. Biofilme no solo pode causar bioclogging . Biofilmes em sistemas de resfriamento ou aquecimento de água são conhecidos por reduzir a transferência de calor. Biofilmes em sistemas de engenharia naval, como oleodutos da indústria offshore de petróleo e gás, podem levar a problemas substanciais de corrosão. A corrosão deve-se principalmente a fatores abióticos; no entanto, pelo menos 20% da corrosão é causada por microrganismos que estão ligados à subsuperfície do metal (ou seja, corrosão influenciada por micróbios ).

Incrustação de navio

A adesão bacteriana aos cascos dos barcos serve como base para a bioincrustação de embarcações marítimas. Depois que uma película de bactérias se forma, é mais fácil para outros organismos marinhos, como cracas, se prenderem. Tal incrustação pode reduzir a velocidade máxima da embarcação em até 20%, prolongando as viagens e consumindo combustível. O tempo em doca seca para reforma e repintura reduz a produtividade dos recursos de navegação, e a vida útil dos navios também é reduzida devido à corrosão e remoção mecânica (raspagem) de organismos marinhos do casco dos navios.

Estromatólitos

Estromatólitos são estruturas de acréscimo em camadas formadas em águas rasas pelo aprisionamento, ligação e cimentação de grãos sedimentares por biofilmes microbianos, especialmente de cianobactérias . Estromatólitos incluem alguns dos registros mais antigos da vida na Terra e ainda estão se formando hoje.

Placa dentária

Dentro do corpo humano, os biofilmes estão presentes nos dentes como placa dentária , onde podem causar cáries e doenças gengivais . Esses biofilmes podem estar em um estado não calcificado, que pode ser removido por instrumentos odontológicos, ou em um estado calcificado, que é mais difícil de remover. As técnicas de remoção também podem incluir antimicrobianos .

A placa dentária é um biofilme oral que adere aos dentes e consiste em muitas espécies de bactérias e fungos (como Streptococcus mutans e Candida albicans ), incorporados em polímeros salivares e produtos extracelulares microbianos. O acúmulo de microrganismos sujeita os dentes e os tecidos gengivais a altas concentrações de metabólitos bacterianos que resultam em doenças dentárias. O biofilme na superfície dos dentes está freqüentemente sujeito a estresse oxidativo e estresse ácido. Os carboidratos dietéticos podem causar uma redução dramática no pH dos biofilmes orais para valores de 4 e abaixo (estresse ácido). Um pH de 4 à temperatura corporal de 37 ° C causa a despurinação do DNA, deixando locais apurínicos (AP) no DNA, especialmente a perda de guanina.

O biofilme da placa dentária pode resultar na doença cárie dentária se for permitido que se desenvolva ao longo do tempo. Uma mudança ecológica de populações equilibradas dentro do biofilme dental é impulsionada por certas populações microbiológicas (cariogênicas) que começam a dominar quando o ambiente as favorece. A mudança para uma população microbiológica acidogênica , acidúrica e cariogênica se desenvolve e é mantida pelo consumo frequente de carboidratos dietéticos fermentáveis . A mudança de atividade resultante no biofilme (e a produção de ácido resultante dentro do biofilme, na superfície do dente) está associada a um desequilíbrio entre a desmineralização e a remineralização, levando à perda líquida de minerais nos tecidos duros dentais ( esmalte e dentina ), o sinal e o sintoma sendo uma lesão cariosa . Ao evitar que o biofilme da placa dentária amadureça ou devolvendo-o a um estado não cariogênico, a cárie dentária pode ser prevenida e interrompida. Isso pode ser alcançado por meio da etapa comportamental de redução do suprimento de carboidratos fermentáveis ​​(ou seja, ingestão de açúcar) e da remoção frequente do biofilme (ou seja, escovação dentária).

Comunicação intercelular

Um sistema de sinalização de detecção de quorum de feromônio de peptídeo em S. mutans inclui o peptídeo estimulador de competência (CSP) que controla a competência genética. Competência genética é a habilidade de uma célula de captar DNA liberado por outra célula. A competência pode levar à transformação genética, uma forma de interação sexual, favorecida em condições de alta densidade celular e / ou estresse, onde há oportunidade máxima de interação entre a célula competente e o DNA liberado das células doadoras próximas. Este sistema é expresso de forma otimizada quando células de S. mutans residem em um biofilme em crescimento ativo. As células de S. mutans cultivadas em biofilme são geneticamente transformadas a uma taxa de 10 a 600 vezes maior do que as células de S. mutans que crescem como células planctônicas flutuantes suspensas em líquido.

Quando o biofilme, contendo S. mutans e estreptococos orais relacionados, é submetido ao estresse ácido, o regulon de competência é induzido, levando à resistência à morte pelo ácido. Como apontado por Michod et al., A transformação em patógenos bacterianos provavelmente fornece um reparo recombinacional eficaz e eficiente de danos ao DNA. Parece que S. mutans pode sobreviver ao estresse ácido frequente em biofilmes orais, em parte, por meio do reparo recombinacional fornecido pela competência e transformação.

Interações predador-presa

As interações predador - presa entre biofilmes e bacterívoros, como o nematóide Caenorhabditis elegans , foram amplamente estudadas. Por meio da produção de matriz pegajosa e formação de agregados, os biofilmes de Yersinia pestis podem prevenir a alimentação obstruindo a boca de C. elegans . Além disso, biofilmes de Pseudomonas aeruginosa podem impedir a mobilidade deslizante de C. elegans , denominado como 'fenótipo de pântano', resultando no aprisionamento de C. elegans dentro dos biofilmes e impedindo a exploração de nematóides para se alimentar de biofilmes suscetíveis. Isso reduziu significativamente a capacidade do predador de se alimentar e se reproduzir, promovendo assim a sobrevivência dos biofilmes.

Diversidade taxonômica

Muitas bactérias diferentes formam biofilmes, incluindo gram-positivas (por exemplo, Bacillus spp, Listeria monocytogenes , Staphylococcus spp e bactérias de ácido láctico , incluindo Lactobacillus plantarum e Lactococcus lactis ) e espécies gram-negativas (por exemplo, Escherichia coli ou Pseudomonas aeruginosa ). As cianobactérias também formam biofilmes em ambientes aquáticos.

Biofilmes são formados por bactérias que colonizam plantas, por exemplo, Pseudomonas putida , Pseudomonas fluorescens e pseudomonas relacionadas que são bactérias comuns associadas a plantas encontradas em folhas, raízes e no solo, e a maioria de seus isolados naturais formam biofilmes. Vários simbiontes fixadores de nitrogênio de leguminosas, como Rhizobium leguminosarum e Sinorhizobium meliloti, formam biofilmes em raízes de leguminosas e outras superfícies inertes.

Junto com as bactérias, os biofilmes também são gerados por arquéias e por uma variedade de organismos eucarióticos , incluindo fungos, por exemplo, Cryptococcus laurentii e microalgas . Entre as microalgas, um dos principais progenitores de biofilmes são as diatomáceas , que colonizam ambientes frescos e marinhos em todo o mundo.

Para outras espécies em biofilmes associados a doenças e biofilmes provenientes de eucariotos, veja abaixo.

Doenças infecciosas

Descobriu-se que os biofilmes estão envolvidos em uma ampla variedade de infecções microbianas no corpo, segundo uma estimativa de 80% de todas as infecções. Os processos infecciosos nos quais os biofilmes foram implicados incluem problemas comuns, como vaginose bacteriana , infecções do trato urinário , infecções do cateter , infecções do ouvido médio , formação de placa dentária , gengivite , revestimento de lentes de contato e processos menos comuns, mas mais letais, como endocardite , infecções na fibrose cística e infecções de dispositivos internos permanentes, como próteses articulares , válvulas cardíacas e disco intervertebral. A primeira evidência visual de um biofilme foi registrada após a cirurgia da coluna. Verificou-se que, na ausência de apresentação clínica de infecção, a bactéria impregnada pode formar um biofilme ao redor de um implante, e esse biofilme pode permanecer indetectável por meio de métodos diagnósticos contemporâneos, incluindo esfregaço. O biofilme do implante está freqüentemente presente em casos de pseudoartrose "asséptica". Além disso, foi observado que os biofilmes bacterianos podem prejudicar a cicatrização de feridas cutâneas e reduzir a eficiência antibacteriana tópica na cura ou tratamento de feridas cutâneas infectadas. Acredita-se que a diversidade de células de P. aeruginosa dentro de um biofilme torne mais difícil o tratamento de pulmões infectados de pessoas com fibrose cística. A detecção precoce de biofilmes em feridas é crucial para o manejo bem-sucedido de feridas crônicas. Embora muitas técnicas tenham sido desenvolvidas para identificar bactérias planctônicas em feridas viáveis, poucas foram capazes de identificar biofilmes bacterianos com rapidez e precisão. Estudos futuros são necessários para encontrar meios de identificar e monitorar a colonização do biofilme à beira do leito para permitir o início oportuno do tratamento.

Foi demonstrado que os biofilmes estão presentes no tecido removido de 80% dos pacientes submetidos à cirurgia de sinusite crônica . Os pacientes com biofilmes mostraram ter sido desnudados de cílios e células caliciformes , ao contrário dos controles sem biofilmes que tinham cílios e morfologia de células caliciformes normais. Biofilmes também foram encontrados em amostras de dois dos 10 controles saudáveis ​​mencionados. As espécies de bactérias das culturas intra-operatórias não corresponderam às espécies de bactérias do biofilme do respectivo tecido do paciente. Em outras palavras, as culturas foram negativas, embora as bactérias estivessem presentes. Novas técnicas de coloração estão sendo desenvolvidas para diferenciar células bacterianas que crescem em animais vivos, por exemplo, de tecidos com inflamação alérgica.

A pesquisa mostrou que os níveis subterapêuticos de antibióticos β-lactâmicos induzem a formação de biofilme em Staphylococcus aureus . Este nível subterapêutico de antibiótico pode resultar do uso de antibióticos como promotores de crescimento na agricultura ou durante o curso normal da antibioticoterapia. A formação de biofilme induzida por meticilina de baixo nível foi inibida pela DNase, sugerindo que os níveis subterapêuticos do antibiótico também induzem a liberação de DNA extracelular. Além disso, de um ponto de vista evolutivo, a criação da tragédia dos comuns em micróbios patogênicos pode fornecer meios terapêuticos avançados para infecções crônicas causadas por biofilmes por meio de trapaceiros invasivos geneticamente modificados que podem invadir 'cooperadores' de bactérias patogênicas do tipo selvagem até cooperar as populações vão à extinção ou os 'cooperadores e trapaceiros' da população geral vão à extinção.

Pseudomonas aeruginosa

P. aeruginosa representa um organismo modelo de biofilme comumente usado , uma vez que está envolvida em diferentes tipos de infecções crônicas associadas ao biofilme. Exemplos de tais infecções incluem feridas crônicas, otite média crônica, prostatite crônica e infecções pulmonares crônicas em pacientes com fibrose cística (FC). Cerca de 80% dos pacientes com FC têm infecção pulmonar crônica, causada principalmente por P. aeruginosa crescendo em um biofilme não aderido à superfície circundado por PMN . A infecção permanece presente apesar da terapia antibiótica agressiva e é uma causa comum de morte em pacientes com FC devido ao dano inflamatório constante nos pulmões. Em pacientes com FC, uma terapia para o tratamento do desenvolvimento inicial do biofilme é o emprego da DNase para enfraquecer estruturalmente o biofilme.

Streptococcus pneumoniae

S. pneumoniae é a principal causa de pneumonia adquirida na comunidade e meningite em crianças e idosos, e de sepse em pessoas infectadas pelo HIV. Quando S. pneumoniae cresce em biofilmes, genes são expressos especificamente que respondem ao estresse oxidativo e induzem competência. A formação de um biofilme depende do peptídeo estimulador de competência (CSP). O CSP também funciona como um peptídeo de detecção de quorum. Não só induz a formação de biofilme, mas também aumenta a virulência na pneumonia e meningite.

Foi proposto que o desenvolvimento de competência e formação de biofilme é uma adaptação do S. pneumoniae para sobreviver às defesas do hospedeiro. Em particular, os leucócitos polimorfonucleares do hospedeiro produzem uma explosão oxidativa para se defender contra as bactérias invasoras, e essa resposta pode matar as bactérias ao danificar seu DNA. O S. pneumoniae competente em um biofilme tem a vantagem de sobrevivência de que pode assumir mais facilmente a transformação do DNA de células próximas no biofilme para uso no reparo recombinacional de danos oxidativos em seu DNA. O S. pneumoniae competente também pode secretar uma enzima (mureína hidrolase) que destrói células não competentes (fratricida), fazendo com que o DNA seja liberado no meio circundante para uso potencial pelas células competentes.

O insecto antimicrobiana péptido cecropina A pode destruir planctônicos e sésseis de formação de biofilme uropatogénicas de E. Coli as células, quer isoladamente quer quando combinado com o antibiótico ácido nalidíxico , sinergicamente compensação infecção in vivo (no insecto hospedeiro Galleria mellonella ) sem fora do alvo de citotoxicidade. O mecanismo de ação multi-alvo envolve a permeabilização da membrana externa seguida pela ruptura do biofilme desencadeada pela inibição da atividade da bomba de efluxo e interações com ácidos nucléicos extracelulares e intracelulares.

Usos e impacto

Em medicina

É sugerido que cerca de dois terços das infecções bacterianas em humanos envolvem biofilmes. As infecções associadas ao crescimento do biofilme geralmente são difíceis de erradicar. Isso se deve principalmente ao fato de que os biofilmes maduros apresentam tolerância aos antimicrobianos e evasão da resposta imunológica. Os biofilmes costumam se formar nas superfícies inertes de dispositivos implantados, como cateteres, válvulas cardíacas protéticas e dispositivos intra-uterinos. Algumas das infecções mais difíceis de tratar são aquelas associadas ao uso de dispositivos médicos.

A rápida expansão da indústria mundial de dispositivos biomédicos e produtos relacionados à engenharia de tecidos já está em US $ 180 bilhões por ano, mas esta indústria continua a sofrer com a colonização microbiana. Não importa a sofisticação, as infecções microbianas podem se desenvolver em todos os dispositivos médicos e construções de engenharia de tecidos. 60-70% das infecções adquiridas em hospitais estão associadas ao implante de um dispositivo biomédico. Isso leva a 2 milhões de casos anualmente nos Estados Unidos, custando ao sistema de saúde mais de US $ 5 bilhões em despesas adicionais com saúde.

O nível de resistência a antibióticos em um biofilme é muito maior do que em bactérias não biofilme e pode ser até 5.000 vezes maior. Foi demonstrado que a introdução de uma pequena corrente de eletricidade no líquido ao redor de um biofilme, junto com pequenas quantidades de antibiótico, pode reduzir o nível de resistência aos antibióticos para os níveis de bactérias não biofilme. Isso é denominado efeito bioelétrico . A aplicação de uma pequena corrente contínua por conta própria pode fazer com que um biofilme se desprenda de sua superfície. Um estudo mostrou que o tipo de corrente utilizada não alterou o efeito bioelétrico.

Na industria

Biofilmes também podem ser aproveitados para fins construtivos. Por exemplo, muitas estações de tratamento de esgoto incluem um estágio de tratamento secundário no qual a água residual passa por biofilmes cultivados em filtros, que extraem e digerem compostos orgânicos. Em tais biofilmes, as bactérias são principalmente responsáveis ​​pela remoção de matéria orgânica ( DBO ), enquanto protozoários e rotíferos são os principais responsáveis ​​pela remoção de sólidos em suspensão (SS), incluindo patógenos e outros microrganismos. Filtros de areia lentos dependem do desenvolvimento de biofilme da mesma forma para filtrar a água de superfície de fontes de lago, nascente ou rio para fins de consumo. O que consideramos água limpa é efetivamente um resíduo para esses organismos microcelulares. Os biofilmes podem ajudar a eliminar o óleo de petróleo de oceanos ou sistemas marinhos contaminados. O óleo é eliminado pelas atividades de degradação de hidrocarbonetos das comunidades de bactérias hidrocarbonoclásticas (HCB). Biofilmes são usados ​​em células de combustível microbianas (MFCs) para gerar eletricidade a partir de uma variedade de materiais iniciais, incluindo resíduos orgânicos complexos e biomassa renovável. Os biofilmes também são relevantes para a melhoria da dissolução de metais na indústria de biolixiviação

Indústria alimentícia

Os biofilmes tornaram-se problemáticos em várias indústrias de alimentos devido à capacidade de se formar nas plantas e durante os processos industriais. As bactérias podem sobreviver por longos períodos na água, esterco animal e solo, causando a formação de biofilme nas plantas ou no equipamento de processamento. O acúmulo de biofilmes pode afetar o fluxo de calor em uma superfície e aumentar a corrosão superficial e a resistência ao atrito dos fluidos. Isso pode causar perda de energia em um sistema e perda geral de produtos. Junto com os problemas econômicos, a formação de biofilme em alimentos representa um risco para a saúde dos consumidores devido à capacidade de tornar os alimentos mais resistentes a desinfetantes. Como resultado, de 1996 a 2010, o Centro de Controle e Prevenção de Doenças estimou 48 milhões de doenças transmitidas por alimentos por ano. Os biofilmes foram conectados a cerca de 80% das infecções bacterianas nos Estados Unidos.

Na produção, os microrganismos se fixam nas superfícies e os biofilmes se desenvolvem internamente. Durante o processo de lavagem, os biofilmes resistem à higienização e permitem que as bactérias se espalhem pelo produto. Esse problema também é encontrado em alimentos prontos para consumo, pois os alimentos passam por procedimentos de limpeza limitados antes do consumo. Devido à perecibilidade dos produtos lácteos e limitações nos procedimentos de limpeza, resultando no acúmulo de bactérias, os laticínios são suscetíveis à formação de biofilme e contaminação. As bactérias podem estragar os produtos mais rapidamente e os produtos contaminados representam um risco para a saúde dos consumidores. Uma espécie de bactéria que pode ser encontrada em várias indústrias e é uma das principais causas de doenças transmitidas por alimentos é a Salmonella . Grandes quantidades de contaminação por salmonela podem ser encontradas na indústria de processamento de aves, pois cerca de 50% das cepas de salmonela podem produzir biofilmes em granjas avícolas. Salmonella aumenta o risco de doenças de origem alimentar quando os produtos avícolas não são limpos e cozidos corretamente. Salmonella também é encontrada na indústria de frutos do mar, onde biofilmes se formam a partir de patógenos transmitidos por frutos do mar nos próprios frutos do mar, bem como na água. Os produtos do camarão são comumente afetados pela salmonela devido ao processamento anti-higiênico e às técnicas de manuseio. As práticas de preparação do camarão e de outros frutos do mar podem permitir o acúmulo de bactérias nos produtos.

Novas formas de procedimentos de limpeza estão sendo testadas para reduzir a formação de biofilme nesses processos, o que resultará em indústrias de processamento de alimentos mais seguras e produtivas. Essas novas formas de procedimentos de limpeza também têm um efeito profundo no meio ambiente, muitas vezes liberando gases tóxicos nos reservatórios de água subterrânea. Em resposta aos métodos agressivos empregados no controle da formação de biofilme, há uma série de novas tecnologias e produtos químicos sob investigação que podem prevenir a proliferação ou adesão de micróbios secretores de biofilme. As últimas biomoléculas propostas que apresentam atividade anti-biofilme marcante incluem uma gama de metabólitos, como ramnolipídios bacterianos e até mesmo alcalóides derivados de plantas e animais.

Na aquicultura

Um biofilme do Mar Morto

Na aquicultura de moluscos e algas , as espécies microbianas de incrustação biológica tendem a bloquear redes e gaiolas e, em última instância, competir com as espécies cultivadas por espaço e alimento. Biofilmes bacterianos iniciam o processo de colonização criando microambientes que são mais favoráveis ​​para espécies de bioincrustação. No ambiente marinho, os biofilmes podem reduzir a eficiência hidrodinâmica de navios e hélices, levar ao bloqueio do duto e ao mau funcionamento do sensor e aumentar o peso dos aparelhos implantados na água do mar. Numerosos estudos têm mostrado que o biofilme pode ser um reservatório para bactérias potencialmente patogênicas na aquicultura de água doce. Como mencionado anteriormente, os biofilmes podem ser difíceis de eliminar, mesmo quando antibióticos ou produtos químicos são usados ​​em altas doses. O papel que o biofilme desempenha como reservatório de patógenos bacterianos de peixes não foi explorado em detalhes, mas certamente merece ser estudado.

Biofilmes eucarióticos

Junto com as bactérias, os biofilmes são frequentemente iniciados e produzidos por micróbios eucarióticos. Os biofilmes produzidos por eucariotos são geralmente ocupados por bactérias e outros eucariotos semelhantes, porém a superfície é cultivada e o EPS é secretado inicialmente pelo eucarioto. Ambos os fungos e microalgas são conhecidos por formar biofilmes dessa forma. Biofilmes de origem fúngica são aspectos importantes da infecção humana e da patogenicidade fúngica, visto que a infecção fúngica é mais resistente aos antifúngicos.

No meio ambiente, os biofilmes fúngicos são uma área de pesquisa contínua. Uma área-chave de pesquisa são os biofilmes fúngicos em plantas. Por exemplo, no solo, fungos associados a plantas, incluindo micorriza , demonstraram decompor a matéria orgânica e proteger as plantas de patógenos bacterianos.

Biofilmes em ambientes aquáticos são freqüentemente formados por diatomáceas . A finalidade exata desses biofilmes é desconhecida, no entanto, há evidências de que o EPS produzido por diatomáceas facilita o estresse de frio e salinidade. Esses eucariotos interagem com uma gama diversificada de outros organismos dentro de uma região conhecida como a ficoesfera , mas o mais importante são as bactérias associadas às diatomáceas, pois foi demonstrado que, embora as diatomáceas excretem EPS, elas só o fazem quando interagem com certas espécies de bactérias.

Dispositivos de cultivo de biofilme

Existe uma grande variedade de dispositivos de cultivo de biofilme para imitar ambientes naturais ou industriais. Embora seja importante considerar que a plataforma experimental específica para pesquisa de biofilme determina que tipo de biofilme é cultivado e os dados que podem ser extraídos. Esses dispositivos podem ser agrupados em:

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Allison DG (2000). Estrutura da comunidade e cooperação em biofilmes . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79302-5.
  • Lynch JF, Lappin-Scott HM, Costerton JW (2003). Biofilmes microbianos . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-54212-8.
  • Fratamico M (2009). Biofilmes nas indústrias de alimentos e bebidas . Woodhead Publishing Limited. ISBN 978-1-84569-477-7.

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