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 biopelícula, una acumulación viscosa 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 definitoria común: están húmedas. Estos ambientes están "inundados periódicamente o continuamente con agua", según un artículo de 2007 publicado en Microbe Magazine. Las biopelículas prosperan en superficies húmedas o mojadas.
Las biopelículas se han establecido en tales entornos durante mucho tiempo. La evidencia fósil de biofilms data de hace aproximadamente 3.25 mil millones de años, según un artículo de 2004 publicado en la revista Nature Reviews Microbiology. Por ejemplo, se han encontrado biopelículas en las rocas hidrotermales de aguas profundas de 3.200 millones de años del Pilbara Craton en Australia. Se encuentran biopelículas similares en ambientes hidrotermales como aguas termales y respiraderos de aguas profundas.
Formación de biopelículas
La formación de biopelículas comienza cuando los microorganismos que flotan libremente, como las bacterias, entran en contacto con una superficie adecuada y comienzan a echar raíces, por así decirlo. Este primer paso de unión ocurre cuando los microorganismos producen una sustancia pegajosa conocida como una 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.
El apego es seguido por un período de crecimiento. Otras 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 Biopelículas. El agua canaliza las biopelículas entrecruzadas y permite el intercambio de nutrientes y productos de desecho, según el artículo publicado en Microbe.
Múltiples condiciones ambientales ayudan a determinar en qué medida crece una biopelícula. Estos factores también determinan si está hecho de solo unas pocas capas de células o significativamente más. "Realmente depende de la biopelícula", dijo Robin Gerlach, profesor del departamento de ingeniería química y biológica de la Universidad Estatal de Montana-Bozeman. Por ejemplo, los microorganismos que producen una gran cantidad de EPS pueden convertirse en biopelículas bastante gruesas, incluso si no tienen acceso a muchos 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 "esfuerzo cortante". "Si tiene un flujo muy alto a través de una biopelícula, como en un arroyo, la biopelícula suele ser bastante delgada. Si tiene una biopelícula en agua de flujo lento, como en un estanque, puede volverse muy espesa", explicó Gerlach.
Finalmente, las células dentro de una biopelícula pueden abandonar el pliegue y establecerse en una nueva superficie. O un grupo de células se separa, o las células individuales salen de la biopelícula y buscan un nuevo hogar. Este último proceso se conoce como "dispersión de siembra", según el Centro de Ingeniería de Biopelículas.
¿Por qué formar una biopelícula?
Para los microorganismos, vivir como parte de una biopelícula tiene ciertas ventajas. "Las comunidades de microbios suelen ser más resistentes al estrés", dijo Gerlach a Live Science. Los posibles factores estresantes incluyen la falta de agua, pH alto o bajo, o la presencia de sustancias tóxicas para los 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, el blanqueador 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 mucho antes de que puedan alcanzar varias células en la profundidad de la biopelícula, según un artículo de 2004 en Nature Reviews Microbiology.
Aún así, es posible que ciertos antibióticos penetren en el EPS y atraviesen 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 cierto nivel de actividad celular. Entonces, si las bacterias están fisiológicamente inactivas para empezar, no hay mucho para que un antibiótico interrumpa.
Otro modo de protección contra los antibióticos es la presencia de células bacterianas especiales conocidas como "persistentes". Dichas 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, "persiste" la función al producir sustancias que bloquean los objetivos de los antibióticos.
En general, los microorganismos que viven juntos como una biopelícula se benefician de la presencia de sus diversos miembros de la comunidad. Gerlach citó el ejemplo de microorganismos autotróficos y heterotróficos que viven juntos en biopelículas. Los autótrofos, como las bacterias fotosintéticas o las algas, pueden producir sus propios alimentos en forma de material orgánico (que contiene carbono), mientras que los heterótrofos no pueden producir sus propios alimentos y requieren fuentes externas de carbono. "En estas comunidades de múltiples organismos, a menudo cruzan la alimentación", dijo.
Biofilms y nosotros
Dada la amplia gama de entornos en los que encontramos biofilms, no sorprende que afecten muchos aspectos de la vida humana. Abajo hay algunos ejemplos.
Salud y enfermedad
A medida que la investigación ha progresado a lo largo de los años, las biopelículas, bacterianas y fúngicas, se han visto implicadas en una variedad de condiciones de salud. En una convocatoria de 2002 para solicitudes de subvenciones, los Institutos Nacionales de 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 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 principales que podría 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 una biopelícula pueden ser hasta 1.500 veces más resistentes a los antibióticos y otros agentes biológicos y químicos, según el artículo en 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 desafío importante 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. Candida crecer en implantes mamarios, marcapasos y válvulas cardíacas protésicas según un artículo de 2014 publicado en la revista Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida 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 por hongos que se desarrolla en la boca o la 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 dañinos", dijo Gerlach. Señaló que las biopelículas se usan en el tratamiento de aguas residuales, contaminantes de metales pesados como el cromato, explosivos como 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 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 puede hacerse mediante bacterias autótrofas, que crecen como biopelículas en superficies plásticas, según un artículo de 2013 publicado en la revista Water Research. Estas superficies de plástico tienen solo unos centímetros de tamaño y se distribuyen por todo el agua.
El explosivo TNT (2,4,6-trinitrotolueno) se considera un contaminante del suelo, aguas superficiales y subterráneas. La estructura química de TNT consiste en benceno (un anillo aromático hexagonal compuesto de seis átomos de carbono) unido a tres grupos nitro (NO2) y un grupo metilo (CH3) Los microorganismos degradan el 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 colegas, encontraron que la cepa de levadura Yarrowia lipolytica fue capaz de degradar TNT por ambos métodos, aunque principalmente atacando el anillo aromático.
Pilas de combustible microbianas
Las celdas de combustible microbianas usan bacterias para convertir los desechos orgánicos en electricidad. Los microbios viven en la superficie de un electrodo y transfieren electrones a él, creando finalmente 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 alimentan 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 contenedores que contienen cultivos bacterianos, que flotando libremente en el cultivo líquido en sí, según el artículo de 2004 en 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 las células individuales", dijo Gerlach. "Continuamos aprendiendo sobre ellos, y seguimos aprendiendo sobre cómo controlarlos mejor; tanto para reducir el detrimento, como en el campo de la medicina, o para aumentar los beneficios como en la biorremediación. No nos vamos a quedar sin preguntas interesantes en esa área ".
