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02-Conceptos de Biopelicula y Bioensuciamiento
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BIMA-Biodeterioro y Biodegradación de Materiales. ETSII-UPM. Diego A. Moreno y Ana M. García Pág. 1 de 27
UNIDAD 2
CONCEPTOS DE BIOPELÍCULA Y BIOENSUCIAMIENTO
Introducción y Objetivos de la Unidad
Esta Unidad pretende recoger los aspectos relacionados con el proceso de
formación de las Biopelículas y las consecuencias, positivas y negativas, de su
desarrollo sobre los materiales.
Los objetivos de la Unidad son:
Conocer el concepto de Biopelícula y los actores que intervienen en su
formación.
Reconocer cada una de las fases en las que puede dividirse el desarrollo
de una Biopelícula.
Comprender la importancia de las Sustancias Poliméricas Extracelulares
(EPS) en las propiedades biológicas y fisicoquímicas de las Biopelículas.
Percibir la señal de quórum como mecanismo de comunicación entre las
células de la Biopelícula.
Entender los fenómenos de intercambio genético dentro de la
Biopelícula.
Conocer las ventajas del crecimiento microbiano en forma de
Biopelícula.
Distinguir algunos aspectos positivos y negativos del desarrollo de
Biopelículas sobre los materiales
Índice de la Unidad
1. Concepto de Biopelícula
1.1. Definición de Biopelícula
1.2. Microorganismos formadores de Biopelículas
2. Fases de formación de la Biopelícula
2.1. Fase de transporte a la superficie
2.2. Fase de adhesión inicial
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2.3. Fase de consolidación de la adhesión (Fase de Attachment)
2.4. Fase de colonización
2.5. Fase de desprendimiento (Fase de Detachment)
3. Las Sustancias Poliméricas Extracelulares (EPS, Extracellular Polymeric
Substances)
3.1. Definición de EPS
3.2. Composición de las EPS
4. Señal de Quórum o Quorum Sensing
5. Intercambio genético entre las células de la Biopelícula
6. Propiedades de las Biopelículas
7. Consecuencias del desarrollo de Biopelículas
Unidad 2. Concepto de Biopelícula y Bioensuciamiento
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1. Concepto de Biopelícula Puede resultar más o menos familiar el término Biopelícula, en inglés “biofilm”,
pero nuestra vida cotidiana está rodeada de estas estructuras: La placa que se forma en
los dientes, la película que cubre los alimentos cuando no se conservan de forma
adecuada, la capa resbaladiza sobre las piedras de los ríos, la capa verde que cubre las
piedras de muchos edificios (Figura 1) y que resulta a veces tan decorativa, … También
encontramos Biopelículas en intercambiadores de calor, en tuberías, en los cascos de los
barcos, etc.
Figura 1. Fotografía de una Biopelícula creciendo sobre pared de un edificio de piedra.
1.1. Definición de Biopelícula
El concepto de “Biopelícula” se define según Characklis y Marshall (1990)
como un “Conjunto de células inmovilizadas en un sustrato y embebidas en una matriz
exopolimérica de origen microbiano que las mantiene unidas junto a otras sustancias
del medio en que se encuentran”.
Los biofilms o Biopelículas están formadas por millones de microorganismos
que se acumulan en las superficies en ambientes húmedos. Estos organismos
formadores de películas excretan una sustancia pegajosa, las sustancias poliméricas
extracelulares, conocida como EPS (del inglés Extracellular Polymeric Substances),
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que les permite adherirse a los materiales ya sean metales, plásticos, partículas del
suelo, tejidos animales, etc. Y además los biofilms pueden atrapar partículas del medio
que los rodea como nutrientes, materia orgánica en suspensión, precipitados minerales,
células muertas, y microorganismos libres, lo que aumenta el volumen y la diversidad
biológica del propio biofilm.
1.2. Microorganismos formadores de Biopelículas
Las Biopelículas pueden estar formadas por un único tipo de microorganismos e
incluso por una única especie bacteriana, o pueden ser el resultado de la interacción de
diferentes especies bacterianas o de distintos grupos de organismos, que es lo más
habitual en la naturaleza. Por ejemplo, si consideramos la Biopelícula que se forma
sobre la superficie sumergida de un barco, se produce una sucesión escalonada de
grupos microbianos que se inicia con microalgas y posteriormente bacterias, que
aportan el sustrato sobre el que se asientan otros organismos superiores como moluscos
y crustáceos. Mientras que en las personas afectadas por fibrosis quística es muy
frecuente encontrar Biopelículas formadas por una única especie bacteriana,
Pseudomonas aeruginosa, sobre los pulmones de los enfermos.
Los tipos de microorganismos presentes en las Biopelículas dependen del
ambiente que envuelve a dicha Biopelícula, y los factores que caracterizan dicho
ambiente son el tipo y la cantidad de nutrientes presentes, la naturaleza del sustrato
sobre el que se asentará la Biopelícula, la disposición de la Biopelícula (donde el
transporte de nutrientes y de O2 puede ser limitante), la temperatura, etc. Las algas, por
ejemplo, son componentes importantes de los biofilms que se encuentran expuestos a la
luz, como los que aparecen sobre las rocas en las corrientes de ríos, y los hongos
acuáticos son los principales colonizadores de estructuras de madera sumergidas. Pero
las bacterias son, sin duda, los colonizadores primarios de las interfases sólido-líquido y
normalmente constituyen la parte dominante en la mayoría de los biofilms.
2. Fases de formación de la Biopelícula Independientemente de cual sea el microorganismo implicado, el proceso de
formación de una Biopelícula es bastante similar en todos los casos y comienza con la
llegada de las células al lugar donde se va a establecer el biofilm. Una vez allí, las
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células empiezan a colonizar la superficie y forman microcolonias. Mediante la
incorporación de nuevas células del medio (planctónicas) y procesos de división celular,
las microcolonias van aumentando de tamaño y rodeándose de una matriz extracelular
que les permite sostener esta estructura en formación. Dicha estructura se conoce con el
nombre de macrocolonia, y varias macrocolonias constituyen un biofilm maduro. A
partir de este biofilm maduro se pueden desprender células, que recuperan su estado
planctónico haciendo del desarrollo del biofilm un proceso dinámico. En la Figura 2 se
representan de forma esquemática las 5 fases en que puede dividirse el proceso de
formación de un biofilm, tal y como describe el Center for Biofilm Engineering de la
Universidad de Montana, en Bozeman (USA).
Figura 2. Esquema del proceso de formación de una Biopelícula: 1 Fase de transporte a la superficie, 2 Fase de adhesión inicial, 3 Fase de attachment, 4 Fase de colonización, 5 Fase de dettachment.
2.1. Fase de transporte a la superficie
En los primeros momentos de la formación de la Biopelícula una serie de
moléculas son depositadas sobre la superficie donde se desarrollará la misma, de modo
que quedará cubierta por una capa de moléculas orgánicas y proteínas, agua y sales
disueltas, propias del medio donde se encuentra inmersa. Esta mezcla de agua, iones,
sales y proteínas es lo que se denomina el sustrato condicionante en la formación de la
Biopelícula, y está presente antes de la llegada de los primeros microorganismos.
Los microorganismos planctónicos llegan a la superficie por diferentes motivos:
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movimientos Brownianos, a través de flagelos, gravedad, por difusión, etc. En algunas
ocasiones los microorganismos llegan en forma de agregados a la superficie que van a
colonizar procedentes, por ejemplo, de fragmentos desprendidos de otras Biopelículas
maduras.
En bacterias Gram-negativas (Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholerae,
Escherichia coli, Salmonella enterica) se ha visto que los flagelos y las fimbrias son
importantes para la etapa de adherencia primaria. La motilidad parece que ayuda a la
bacteria a alcanzar la superficie y contrarrestar las repulsiones hidrofóbicas. Sin
embargo, aunque la motilidad ayuda al proceso no parece ser un requisito esencial, pues
muchas bacterias Gram-positivas inmóviles como estafilococos, estreptococos y
micobacterias son capaces de formar biofilms. En el caso de las bacterias Gram-
positivas se ha descrito la participación de proteínas de superficie (AtlE, Bap, Esp) en
esta primera etapa.
2.2. Fase de adhesión inicial
El segundo paso se caracteriza por una adhesión “reversible” de los
microorganismos al sustrato condicionante. La naturaleza de dicho sustrato desempeña
un papel muy importante en la adhesión inicial. En general, la adhesión microbiana
aumenta al aumentar la rugosidad de la superficie. El pH y la fuerza iónica del medio
también afectan a la adhesión al sustrato así como la concentración de ciertos cationes
(calcio, hierro, magnesio) o nutrientes. Estas interacciones iniciales entre las células
microbianas y el sustrato están dominadas en parte por fuerzas electrostáticas, de
manera que la carga total de la superficie bacteriana, que depende de su composición, es
un factor importante. También juegan un papel interesante las fuerzas hidrofóbicas e
hidrofílicas de manera que aquellas bacterias con superficies hidrofóbicas se unirán
mejor a sustratos hidrofóbicos (como el plástico) y las hidrofílicas a sustratos
TRANSPORTE A LA SUPERFICIE
Llegada de los microorganismos: Gravedad, Difusión, Movimientos Brownianos, Cilios y Flagelos, Agregados, …
Formación del sustrato condicionante
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hidrofílicos (como el cristal). Pero hay que tener en cuenta que la superficie bacteriana
no es homogénea y que puede presentar zonas de diferente naturaleza y, de la misma
manera, el sustrato puede sufrir modificaciones en sus propiedades químicas. Si las
condiciones del medio no resultan óptimas para el desarrollo del biofilm, las bacterias
pueden desprenderse y volver al estado planctónico, buscando otros lugares más
apropiados.
2.3. Fase de consolidación de la adhesión (Fase de Attachment)
El tercer paso implica la unión “irreversible” entre el microorganismo y el
sustrato. Esta unión es más estable y a través del eje longitudinal de la célula, y no
mediante un único polo como la unión reversible. En la transición de la unión reversible
a irreversible parece que se encuentran implicados varios genes. En Pseudomonas
fluorescens se ha identificado el locus lap (del inglés large adhesión protein) formado
por un conjunto de genes responsables de esta unión irreversible de las células al
sustrato.
En esta fase se forman microcolonias que van aumentando su tamaño mediante
procesos de multiplicación de las células antiguas y de las que se van incorporando
desde el medio. Las células comienzan a segregar Sustancias Poliméricas
Extracelulares (EPS) y quedan englobadas en una matriz protectora, dando al conjunto
mayor cohesión y fuerza de unión. Esta matriz contribuye a muchas de las
características estructurales y funcionales del biofilm maduro.
ADHESIÓN INICIAL Naturaleza del sustrato
Fuerzas Hidrofóbicas e Hidrofílicas
Condiciones del medio: pH, fuerza iónica, cationes, nutrientes Fuerzas Electrostáticas: carga total de la superficie bacteriana
CONSOLIDACIÓN DE LA ADHESIÓN
Secreción de Sustancias Poliméricas Extracelulares
Formación de Microcolonias
Multiplicación de los microorganismos
Unión de los microorganismos entre sí y con la superficie
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2.4. Fase de colonización
Se produce el crecimiento de las microcolonias, formándose macrocolonias, con
mayor número de células, donde hay mayor heterogeneidad metabólica y fisiológica. La
estructura final de la macrocolonia se describe, en el grupo de las Pseudomonas, como
un “champiñón” de bordes bien definidos y el conjunto de champiñones y los canales
que los separan es lo que se conoce como biofilm maduro (Figura 3).
Se piensa que los canales son una forma de aumentar el área superficial del
biofilm para facilitar la captura de nutrientes y eliminar las sustancias de desecho. Una
vez formado, el mantenimiento de este biofilm maduro requiere procesos de
diferenciación celular que permiten a las células organizarse estructuralmente y
distribuir las actividades metabólicas entre las distintas células que forman el consorcio.
Para ello, los microorganismos sésiles expresan genes que no lo hacían cuando estaban
en estado planctónico.
2.5. Fase de desprendimiento (Fase de Detachment)
En cualquier momento durante la formación del biofilm, se pueden producir
desprendimientos de microorganismos o de pequeños fragmentos que pasan al medio y
son transportados a otras zonas, fenómeno conocido como desorción o dettachment.
La liberación de las bacterias desde el biofilm es el proceso que menos se
conoce. En Actinobacillus actinomicetecomitans se ha descrito una actividad
Agua
Macrocolonias
Canales
Desprendimiento
Figura 3. Biofilm maduro. A, Esquema propuesto por el Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman (USA). B, Micrografía Electrónica de Barrido de un biofilm maduro sobre un acero inoxidable inmerso en una piscina de combustible nuclear gastado (Laboratorio de Biodeterioro-UPM)
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enzimática, denominada dispersina que degrada de forma específica EPS de la matriz
del biofilm. La presencia en distintos genomas de hipotéticas proteínas
(endoglucanasas), que podrían ser responsables de una función similar, sugiere que la
degradación controlada de EPS puede representar un mecanismo controlado de
liberación de bacterias del biofilm.
En todas estas fases, como veremos más adelante, es necesario un alto grado de
interacción celular donde se hayan implicados mecanismos de comunicación célula-
célula a través de diferentes señales químicas conocidas como señales de quórum
(Figura 4).
Figura 4. Esquema de la comunicación entre células de un biofilm. (Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman (USA))
El siguiente enlace da acceso al Center for Biofilm Engineering de la
Universidad de Montana, en el que se pueden encontrar videos muy interesantes sobre
la formación de Biopelículas:
http://www.erc.montana.edu/Res-Lib99-SW/Movies/Database/MD_DisplayScript.asp
Comunicación célula-célula
DESPRENDIMIENTO Liberación de microorganismos o fragmentos de Biopelícula
Degradación de la matriz de EPS
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3. Las Sustancias Poliméricas Extracelulares (EPS, Extracellular
Polymeric Substances) 3.1. Definición de EPS
Uno de los factores clave en la estructura de la Biopelícula son las Sustancias
Poliméricas Extracelulares (EPS). Éstas proporcionan una matriz viscosa en la que se
localizan las células y actúan como una capa protectora frente a agentes potencialmente
peligrosos, así como una fuente de carbono y energía en condiciones limitantes (Figura
5). Son consideradas las principales responsables de las propiedades biológicas y
fisicoquímicas de los biofilms. Su proporción en los biofilms puede variar entre el 50%
y el 90% del contenido total en materia orgánica.
Figura 5. Biopelícula microbiana sobre acero inoxidable, Microscopía de Epifluorescencia, LIVE/DEAD Bacterial Viability Kit (Laboratorio de Biodeterioro-UPM)
La producción de EPS es una propiedad general de los microorganismos tanto
procariotas (bacterias) como eucariotas (algas y hongos) en ambientes naturales. Los
EPS son polímeros biosintéticos o biopolímeros. Fueron definidos por Geesey (1982)
como “sustancias poliméricas extracelulares de origen biológico que participan en la
formación de agregados microbianos”. Otra definición dada por Characklis y Wilderer
(1989) los considera “polímeros orgánicos de origen microbiano y que, en los biofilms,
son responsables de la cohesión entre las células y otras partículas del medio así como
de la unión de esta estructura al sustrato”.
Los primeros estudios sobre la estructura de los biofilms mostraron a los
polisacáridos como los componentes mayoritarios de las EPS, pero hoy día se sabe que
las proteínas y los ácidos nucleicos así como los fosfolípidos son componentes
importantes e incluso a veces predominantes en las EPS de muchos biofilms. Además la
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composición de la matriz de EPS es dinámica y depende de varios parámetros. Bajo
determinadas circunstancias las células van a reaccionar e influir en el ambiente físico y
químico que las rodea secretando macromoléculas biológicas específicas. Por otro lado,
el propio ambiente va a contener componentes de origen abiótico y moléculas
biológicas derivadas de la lisis de células que pueden entrar a formar parte de la matriz.
Las EPS son macromoléculas formadas por la polimerización de unidades
idénticas o similares que se repiten dentro de la molécula y que además pueden contener
sustituyentes no poliméricos de bajo peso molecular que alteran su estructura y
propiedades físicoquímicas. Por definición las EPS se localizan sobre o fuera de la
superficie celular independientemente de cual sea su origen, es decir, pueden ser
sintetizadas en el interior celular y después ser secretadas activamente al exterior o
como se ha mencionado anteriormente pueden proceder de la lisis de otras células
circundantes y adsorción desde el ambiente exterior. Además pueden estar sometidas a
la degradación activa por enzimas y a procesos de condensación, siendo modificadas.
3.2. Composición de las EPS
3.2.1. Polisacáridos
Los polisacáridos son polímeros formados por monosacáridos que se unen
repetidamente mediante enlaces glucosídicos formando cadenas lineales o ramificadas.
Existen diversas clasificaciones de los polisacáridos atendiendo a su química y
estructura. Los homopolisacáridos están constituidos por la repetición del mismo
monosacárido, como la celulosa, formada por la repetición sucesiva de moléculas de
glucosa, mientras que los heteropolisacáridos están formados por diferentes
monosacáridos o derivados de los mismos. También pueden contener sustituyentes
orgánicos como piruvato y acetato, e inorgánicos, como el sulfato. Tanto la longitud de
la cadena como los patrones de sustitución pueden variar dependiendo de la cepa
bacteriana y las condiciones de crecimiento. Basándose en la composición química, la
especificidad antigénica y la biosíntesis, los polisacáridos bacterianos se han dividido en
dos grupos, denominados polisacáridos específicos y no-específicos. Los primeros son
polisacáridos especiales también llamados antigénicos porque poseen propiedades
inmunológicas y son específicos de ciertas cepas bacterianas. Los constituyentes típicos
de estos polisacáridos son azúcares habituales en la naturaleza como la glucosa,
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galactosa, manosa, N-acetil-glucosamina, ácido glucurónico y galacturónico. La
especificidad de estos polisacáridos reside no en los monosacáridos que lo forman, sino
en la posición y configuración de las uniones glucosídicas. Los polisacáridos no-
específicos se encuentran en gran variedad de cepas bacterianas y son, por regla general,
estructuralmente diferentes y más simples que los polisacáridos específicos.
La forma de los polisacáridos puede influir de manera muy importante en las
propiedades físicas del biofilm. Existen tres conformaciones básicas: esferas, en forma
de barra rígida (stiff rod) y hebras al azar (random coil). A estas formas básicas hay que
añadir las formas de transición. En el caso de las formas al azar se trata de hebras
simples que se enrollan de forma aleatoria. Sin embargo, las barras rígidas forman
cadenas y dobles hélices debido a la presencia de fuerzas electrostáticas de repulsión
entre grupos cargados presentes a lo largo de la cadena, que dan lugar a una solución
acuosa viscosa con propiedades de gel. Cambios en la composición del solvente, en el
pH, en la temperatura, o en la adición de sales inorgánicas pueden inducir la transición
conformacional del polisacárido, y alterar las propiedades físicas de la molécula. En
algunos casos, cationes como el calcio y el magnesio, pueden facilitar la gelación
actuando como puentes iónicos entre las hebras de polisacárido. La temperatura también
influye en la formación de este gel, siendo las bajas temperaturas más favorables para su
estabilización. Las propiedades físicas de este gel son las responsables de muchos de los
fenómenos observados en las Biopelículas, debido a que esta estructura les confiere un
comportamiento viscoelástico.
Los alginatos constituyen un ejemplo de exopolisácaridos que se han estudiado
en profundidad debido a su relevancia como factor de virulencia en infecciones en
plantas, animales y en el hombre, así como por su potencial explotación comercial.
Concretamente los alginatos producidos por la bacteria Pseudomonas aeruginosa se
conocen con gran precisión debido a que constituyen un factor de virulencia muy
importante en las infecciones crónicas de pulmón de pacientes afectados por fibrosis
quística. Las bacterias inmersas en la matriz de alginato quedan protegidas de la defensa
inmune del huésped provocando la destrucción del pulmón y finalmente la muerte del
enfermo.
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3.2.2. Proteínas
Las proteínas son otro componente importante de las EPS, pudiendo proceder de
células vivas o muertas. Entre las proteínas que pueden desempeñar una función
importante en el biofilm destacan las lectinas y las liasas/polisacarasas. Las lectinas son
proteínas que se unen irreversiblemente a estructuras específicas de los hidratos de
carbono mediante puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas y aparecen con
frecuencia en animales, plantas y microorganismos. En las bacterias, muchas de ellas
parecen estar implicadas en la patogénesis mediando en la adhesión específica a la
célula del huésped. En el biofilm, una función para estas proteínas sería mediar la
adhesión de la célula a la matriz de EPS o a otras células de la comunidad del biofilm,
ya que estas moléculas proteicas provocan la agregación de células planctónicas. De
esta manera podrían garantizar la proximidad física de una especie determinada
facilitando las interacciones metabólicas entre diversos microorganismos.
Las liasas y polisacarasas tienen la capacidad de romper polisacáridos para
originar oligosacáridos de 2-5 unidades y están implicadas en la biosíntesis y utilización
de estos compuestos. En el contexto del biofilm se han propuesto varias funciones para
estas enzimas. Por ejemplo, la combinación de varias liasas permitiría la degradación
completa de los exopolisacáridos de la matriz de EPS proporcionando una fuente de
nutrientes a los microorganismos. Esta degradación colectiva de polisacáridos podría a
su vez modular el desprendimiento de las bacterias de la Biopelícula. Estas enzimas
también podrían modificar las propiedades químicas y físicas de los polisacáridos,
haciéndolos por ejemplo más hidrofóbicos.
3.2.3. Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos también son un componente importante de la matriz de
EPS, aunque su origen es incierto. Se pensaba que procedían fundamentalmente de
células muertas, pero hay estudios que sugieren que el ADN es un componente
estructural de la matriz en los primeros estadios del desarrollo de ciertos biofilms como
el de Pseudomonas aeruginosa (Whitchurch y cols., 2002). Una teoría que se baraja,
aunque no está claramente demostrada, es que una gran concentración de ADN
extracelular en la matriz de EPS junto con una alta densidad celular puede proporcionar
un escenario muy propicio para la transferencia horizontal de genes. En ciertos casos, la
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conjugación se ha visto incrementada en los biofilms con respecto a poblaciones
planctónicas.
4. Señal de Quórum o Quorum Sensing La teoría de que existe un “fenotipo específico de Biopelícula” como resultado
de una regulación diferencial de los genes cuando las células se encuentran formando
parte de una Biopelícula de alta densidad está siendo cada vez más respaldada. Las
señales celulares que controlan la transición desde la célula planctónica a la comunidad
microbiana adherida a la superficie de un material deben ser estudiadas en profundidad
para poder comprender el fenotipo del biofilm.
La señal de quórum es un mecanismo de comunicación célula–célula que se usa
para regular los procesos celulares dentro de una comunidad bacteriana de una forma
que depende de la densidad celular. La formación del biofilm es un fenómeno regulado
por esta señal de quórum. El “Quorum sensing” (QS) se refiere a la capacidad de un
microorganismo para percibir la densidad poblacional mediante la generación de señales
extracelulares, desarrollando como consecuencia una respuesta que tiene como objetivo
el comportamiento social coordinado. Este fenómeno, cuya existencia generalizada en el
mundo microbiano se ha descubierto en la última década, permite a las bacterias
comportarse como un organismo multicelular.
El término “multicelular” implica estar formado por varias células y que el
conjunto de células funcione como una entidad en la que se establecen señales entre las
diferentes células que forman el grupo para coordinar su actividad en beneficio de éste,
aunque esto suponga un sacrificio celular individual. Esta comunicación intercelular
puede establecerse mediante un contacto físico o a través de señales químicas. Y la
respuesta a esta comunicación puede ser igualitaria, en la que todas las células
responden de la misma manera, o puede ser diferente de unas células a otras. Las
Biopelículas, aunque sean muy distintas, cumplen estas tres características de
multicelularidad. La primera, que se ha repetido varias veces a lo largo del texto, es que
están formadas por muchas células. Para saber si existe comunicación intercelular en el
biofilm se han efectuado varios estudios y los análisis microscópicos han puesto de
manifiesto que las células interactúan directamente entre ellas de forma física y también
a través de la matriz exopolimérica. En lo referente a las señales químicas se han
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detectado, por ejemplo, en biofilms mixtos de Pseudomonas sp y Burkholderia sp
mecanismos de alimentación cruzada y también se han detectado señales químicas no
relacionadas con procesos metabólicos. Además la respuesta igualitaria y la de división
de tareas ha sido observada en Biopelículas de Pseudomonas aeruginosa, aunque no se
ha comprobado que la división de tareas suponga un beneficio para el conjunto del
biofilm. Por tanto, el programa de diferenciación celular que llevan a cabo las células
cuando crecen y proliferan sobre superficies (en las Biopelículas) requiere un alto grado
de interacción coordinada entre las células que lo forman similar al de los organismos
multicelulares. Las pequeñas moléculas liberadas por algunas células modulan la
actividad de otras células próximas, regulando actividades colectivas.
Las bacterias cuentan con sistemas de regulación que les permiten cambiar la
expresión de ciertos genes en respuesta a cambios en el medio ambiente. Pero además
algunos de estos sistemas de regulación detectan cambios en la población bacteriana ya
que promueven la modificación de la expresión genética en función de la densidad
celular. Estos sistemas detectan cuándo se ha llegado a una masa crítica de bacterias
gracias a que cada célula produce de forma constante una pequeña cantidad de una
sustancia difusible llamada autoinductor. Cuando el número de células alcanza un
umbral en el que la cantidad de autoinductor es suficientemente elevada el compuesto
interacciona y activa a un activador transcripcional que cambia el patrón de expresión
génica.
Formado por varias células
Organismo Multicelular BIOPELÍCULA
Comunicación intercelular
Física Química
Respuesta coordinada Igualitaria Diferente
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Figura 6. Esquema de la señal de Quórum en la bacteria Gram-negativa Pseudomonas aeruginosa
Entre las bacterias Gram-negativas, la señal de quórum dependiente de AHL (N-
acyl-L-Homoserine Lactone) es ampliamente conocida. La participación de un sistema
de QS en la formación de biofilm se indicó por primera vez por Davies y cols. en 1998
para Pseudomonas aeruginosa (Figura 6). Éstos detectaron un mutante lasI que formaba
biofilms indiferenciados al ser comparados con los formados por la cepa salvaje, lo que
llevó a pensar que el sistema las era necesario para el desarrollo de la arquitectura del
biofilm. El sistema las es uno de los dos sistemas QS mejor caracterizados que se han
descrito en Pseudomonas aeruginosa y consiste en un activador transcripcional LasR y
la sintasa de AHL LasI que dirige la síntesis de N-3-oxo-dodecanoil-homoserina lactona
(3-oxo-C12-HSL). El otro sistema QS denominado rhl está formado por RhlR y RhlI
que dirige la síntesis de N-butanoil-L-homoserina lactona (C4-HSL). El sistema las
regula positivamente la expresión de rhlR y rhlI, por lo que ambos sistemas QS están
jerárquicamente organizados con el sistema las a la cabeza de la cascada de señales. Se
ha comprobado que estas mismas señales regulan la expresión de genes de virulencia de
Activador Transcripcional
Sintasa de AHL
3-oxo-C12-HSLAUTOINDUCTOR
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Pseudomonas aeruginosa implicados en la infección, daño tisular y generación de la
respuesta inflamatoria del huésped.
5. Intercambio genético entre las células de la Biopelícula El ambiente microbiano que se genera dentro de una Biopelícula parece un lugar
ideal para que se produzca el intercambio genético dentro de la misma especie y entre
especies diferentes. Además se ha comprobado que las células que forman Biopelículas
normalmente son expertas en los procesos de intercambio genético.
Al hablar de intercambio genético nos estamos refiriendo a la transferencia
horizontal de genes, o lo que es lo mismo fenómenos de parasexualidad, en los que un
organismo adquiere información genética de otro organismo en un proceso
independiente de la reproducción. Es decir, la información genética se transmite dentro
de la misma generación y no de una generación a otra como ocurre en los procesos de
división celular. La transferencia horizontal de genes puede ocurrir entre organismos de
la misma especie o de especies diferentes. De hecho, estos procesos parasexuales se
consideran uno de los principales mecanismos implicados en la evolución microbiana
ya que se puede transferir gran cantidad de información genética de unos
microorganismos a otros provocando la adquisición de nuevas características
fenotípicas de forma muy rápida.
Existen tres procesos de transferencia genética horizontal: transformación,
conjugación y transducción.
La transformación natural requiere la unión y captura de ADN libre hacia el
interior bacteriano y la expresión de la información genética que contiene. Ello implica
varios pasos: unión del ADN a la célula, transporte hacia el interior celular y todos los
pasos subsiguientes de propagación y expresión del material genético. El proceso que
permite la transformación se denomina competencia, que es un estado transitorio que
precisa que las células se encuentren activas metabólicamente y capaces de activar un
conjunto de genes específicos. En los biofilms se ha observado el proceso de
transformación in vitro en dos casos: en la bacteria Gram-positiva Streptococcus mutans
y en la Gram-negativa Acinetobacter sp.
En el caso de las bacterias Gram-positivas la inducción de la competencia ocurre
en la fase exponencial de crecimiento y parece estar asociado a procesos de quorum
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sensing. Como ya se comentó en el apartado anterior, el QS implica la secreción de
moléculas señal y su detección posterior por las células vecinas permitiendo a la
comunidad “sentir” la densidad celular. En los estreptococos, la competencia está unida
al QS mediante la producción, exportación y captura subsiguiente por las células
vecinas de un pequeño péptido señal llamado factor de competencia (CF). Cuando el CF
alcanza una cantidad crítica es detectado por una histidina-kinasa unida a membrana que
inicia la inducción de una cascada de genes específicos de competencia. La
transformación comienza con la unión del ADN de doble hélice al exterior celular de
forma independiente de su secuencia. Se diferencia de los otros dos procesos de
transferencia horizontal en que es un proceso ADNasa sensible, es decir, el ADN queda
expuesto al ambiente donde puede ser degradado por acción de nucleasas. Al poco de
unirse, se producen incisiones en una de las hebras de la doble hélice de ADN por
acción de endonucleasas específicas de transformación y a partir de estas incisiones se
va degradando la hebra de ADN, de forma que la otra hebra va pasando al interior del
citoplasma. Una vez que ha entrado en la célula, el ADN exógeno recombina con la
zona complementaria del cromosoma bacteriano, previo desplazamiento y posterior
degradación de la cadena homóloga de éste. En el caso de bacterias Gram-negativas, la
transformación implica la captura de secuencias específicas de ADN de doble hélice que
deben ser reconocidas por la célula receptora. Además es un proceso que ocurre entre
bacterias de la misma especie o de especies muy próximas durante la fase estacionaria
de crecimiento.
La elevada tasa de transformación que se ha observado en muchos biofilms
sugiere que la competencia puede ser el estado natural para poblaciones que se adhieren
a superficie. El ADN capturado puede conferir un fenotipo ventajoso como la
resistencia a algún tóxico o el aumento de la actividad metabólica. Pero también puede
ser heterólogo o inservible para recombinación y expresión o incluso puede que, siendo
homólogo y se exprese, no confiera ninguna ventaja al receptor. Podría ser, por tanto,
que este mecanismo de captura fuese simplemente una manera de proporcionar una
fuente de energía a las células.
En la conjugación el material genético se transfiere desde la bacteria donadora
hasta la bacteria receptora sin pasar por el medio de suspensión. El intercambio de
material genético depende del contacto directo entre dos células y está polarizado, es
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decir, ciertas cepas designadas F+ (fertilidad más) actúan siempre de donadoras y otras,
F- (fertilidad menos) actúan como receptoras. Las cepas F+ contienen un plásmido,
llamado plásmido F, que lleva todos los genes que codifican la transferencia genética
por conjugación. También se puede producir la conjugación de ADN cromosómico pero
en este caso las células donadoras tienen el factor F integrado en su cromosoma. Y
también se pueden transferir transposones y otros elementos genéticos incluso entre
especies diferentes. En algunos casos la conjugación ha sido asociada a fenómenos de
QS y formación de biofilms. En Escherichia coli se han detectado plásmidos
conjugativos que codifican factores que inducen a las células planctónicas a entrar en o
formar Biopelículas.
Por último, la transducción implica la transferencia del material genético
empaquetado en unas partículas fagocíticas lo que previene su degradación por
nucleasas. Como la partícula es más o menos estable la célula donadora y receptora no
necesitan encontrarse en el mismo sitio simultáneamente. En este caso la célula
receptora debe tener sitios específicos de unión que sean reconocidos por el fago
atacante. La transducción puede ser generalizada, cuando cualquier ADN bacteriano es
empaquetado y transferido, o especializada cuando sólo algunos genes particulares
pueden ser transferidos. En la transducción generalizada el ADN del donante se
empaqueta en el fago y luego se inyecta en la célula receptora de manera que si hay
regiones homólogas se integrará en el cromosoma y se expresará. En la transducción
especializada, se requiere que el fago entre en estado lisogénico, donde permanece
dormido en el genoma bacteriano hasta que se activa en respuesta a señales ambientales
concretas. Una vez activado, se libera del cromosoma bacteriano y se replica, se expresa
y el genoma del fago se empaqueta en su cápside proteica. La excisión del genoma del
fago suele hacerse de forma precisa, pero puede ocurrir que parte del ADN del huésped
se libere junto con el del fago pasando a formar parte del genoma de éste y por tanto
pudiendo pasar a otras células huésped.
6. Propiedades de las Biopelículas Las Biopelículas parecen ser una forma de vida muy favorable para los
microorganismos así como una estrategia de supervivencia. En los biofilms se
establecen gradientes de oxígeno y otros aceptores de electrones, así como gradientres
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de diferentes sustratos, de productos y gradientes de pH. Por ello pueden coexistir
ambientes aerobios y anaerobios muy cercanos con el desarrollo de gran variedad de
especies distintas. Esto origina microconsorcios lo que facilita, por ejemplo, la
degradación de sustancias que no podrían ser degradadas por una única especie.
En las Biopelículas los microorganismos viven continuamente a altas densidades
celulares en poblaciones mixtas, facilitando los procesos de comunicación entre las
células que constituyen el biofilm, lo que sólo es posible gracias a la estrecha
proximidad de las bacterias que se mantienen unidas gracias a las EPS.
La transferencia horizontal de genes se ve facilitada por este estrecho contacto
entre los agregados de células y la acumulación de ADN en la matriz de EPS, lo que
puede contribuir a cambios fenotípicos en los microorganismos del biofilm.
El fenómeno de quorum sensing que ya hemos visto también puede ocasionar la
expresion de nuevos fenotipos. Las señales químicas activan la transcripción de una
serie de genes para que se inicie una respuesta coordinada de la población. Estas señales
de quórum están implicadas en la adhesión y el mantenimiento del biofilm.
Además las EPS secuestran nutrientes de la fase acuosa lo cual es muy
interesante en ambientes oligotróficos, y retienen agua lo que previene de la desecación.
Esta matriz influye en la sorción de sustratos disueltos y particulados como los
compuestos biodegradables. La unión y acumulacion de cationes como el calcio y el
magnesio por las EPS puede afectar profundamente al comportamiento reológico y
difusibilidad de los biofilms.
Y una propiedad muy importante que no puede pasar desapercibida es la
resistencia de los biofilms a los agentes antimicrobianos como desinfectantes,
antibióticos y biocidas. Siempre que se discute sobre la resistencia de los
microorganismos a las sustancias antibióticas se busca respuesta en la mutación
genética (las bacterias mutan de forma que se hacen resistentes a uno o más
antibióticos). De forma alternativa, pueden adquirir de otros microorganismos genes
que codifican para proteínas que expulsan de la célula o destruyen antibióticos (genes
de resistencia a antibióticos). Pero estos mecanismos se refieren fundamentalmente a
organismos de vida libre en suspensión, es decir, planctónicos. Por el contrario, la
resistencia antimicrobiana de las Biopelículas se explica como consecuencia del paso a
un estado fisiológico diferente, es decir, las bacterias de la Biopelícula son
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genéticamente idénticas a sus homólogas planctónicas, no han adquirido mutaciones o
elementos genéticos de otros organismos, y cuando se desprenden de ella y recuperan su
estado planctónico vuelven a ser susceptibles del ataque por tales sustancias
antimicrobianas. Esto es, las bacterias utilizan una serie de mecanismos moleculares
para expresar un fenotipo que puede resultar ventajoso en un ambiente particular.
La forma en que las Biopelículas se hacen resistentes no está del todo clara,
aunque se han propuesto varias teorías, entre las que se barajan la dificultad de la
difusión de los antibióticos o biocidas a través del biofilm, la activación de una
respuesta de estrés o el incremento en la expresión de proteínas que excretan los
antibióticos.
El grado de protección de los biofilms frente a estas sustancias se puede
cuantificar de diferente manera. Por ejemplo, se puede usar una dosis fija de
antimicrobiano y comparar la mortalidad que produce en células planctónicas y en el
biofilm o comparar la cantidad de antimicrobiano necesaria para producir una tasa de
mortalidad dada en las células planctónicas y en el biofilm. El hecho de que la
resistencia de los biofilms a biocidas y antibióticos se haya observado en la naturaleza y
en condiciones de laboratorio y bajo circunstancias muy diferentes indica que es un
fenómeno que no depende de factores ambientales específicos. Además el que las
células que se desprenden del biofilm recuperen la susceptibilidad a estas sustancias
refleja un estado fenotípico o físico reversible.
Son muchos los factores que controlan el grado de resistencia de una Biopelícula
a un antimicrobiano entre los que se pueden destacar la concentración de
antimicrobiano, el grosor de la Biopelícula, la edad de la Biopelícula, la densidad
celular, la composición de especies y el genotipo. Los biofilms más gruesos, más
Cambio en la expresión genética
Estado fisiológico REVERSIBLE (Quorum Sensing)
Mutación genética
Adquisición de genes de resistencia a antibióticos
Células Planctónicas BIOPELÍCULA
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maduros y más densos son, por lo general, menos susceptibles al ataque por
antimicrobianos que los biofilms delgados, jóvenes y dispersos. Por ejemplo, Leriche y
Carpentier (1995) observaron que biofilms de cuatro días de edad de Samonella enterica
serovar Typhimurium eran al menos tres veces más resistentes a la desinfección por
hipoclorito que los de sólo un día de edad, aunque la densidad celular inicial era muy
similar en los dos biofilms.
En general los biofilms compuestos por varias especies son más resistentes que
los formados por una única especie porque en los biofilms mixtos una especie puede
proteger a otra mediante diversos mecanismos y viceversa. Por ejemplo, en biofilms
mixtos de Candida albicans y Staphylococcus epidermidis (muy frecuentes en
infecciones asociadas a catéteres endovasculares) se ha observado que la presencia de
Candida albicans protege a Staphylococcus epidermidis de la vancomicina y por su
parte Staphylococcus epidermidis protege a Candida albicans del ataque por azoles.
Aunque existen pocos datos experimentales es probable que la presencia de
partículas abióticas en el biofilm aumente la resistencia a estos agentes antimicrobianos.
Los productos de corrosión, precipitados, fibras, células muertas, etc, que forman parte
de los biofilms podrían aumentar la protección reduciendo la difusión de los
antimicrobianos y/o incrementando la capacidad de sorción, es decir, pueden obstruir
físicamente la difusión o pueden unirse al antimicrobiano impidiendo su llegada a las
células del biofilm.
Otro aspecto muy importante es la dosis de antimicrobiano y el tiempo de
aplicación que se emplean para tratar a los biofilms. La regla concentración-tiempo
supone que la eficacia del tratamiento con el antimicrobiano es proporcional a la
concentración del mismo y a la duración del tratamiento. Es decir en principio una dosis
de 50 mg/L durante dos horas tendría el mismo efecto que una dosis de 10 mg/L
aplicada durante diez horas. Sin embargo, en la práctica esto no ocurre y se ha
comprobado que en el tratamiento de Biopelículas funciona mejor una dosis elevada que
una dosis más baja aplicada durante un periodo prolongado.
Los mecanismos de protección que subyacen tras la resistencia de las Biopelículas a
los agentes antimicrobianos podrían ser varios: agotamiento del antimicrobiano en el
medio que baña a la Biopelícula mediante reacciones de neutralización entre el agente y
los constituyentes de la Biopelícula; lenta penetración del antimicrobiano en la
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Biopelícula; microambientes químicos dentro de la Biopelícula donde no hay
crecimiento de células o hay un crecimiento muy lento; respuestas adaptativas al estrés.
Parece que ninguno de estos mecanismos podría explicar por sí solo la resistencia a
biocidas y antibióticos y que lo que ocurre es una combinación de varios de ellos de
forma coordinada para hacer frente al ataque de tales agentes. Además se ha
comprobado que estos mecanismos de resistencia son defensas multicelulares. Cuando
un agente antimicrobiano no penetra en el biofilm es porque se neutraliza mientras
difunde por un cluster de células y este mecanismo sólo puede manifestarse cuando los
microorganismos están agregados y realizan la actividad neutralizante de forma
colectiva. Una única célula flotando en un océano de antimicrobiano no puede
reaccionar lo suficientemente rápido para contrarrestar el efecto del antimicrobiano. Sin
embargo, en un biofilm las células pueden liberar enzimas para destruir el
antimicrobiano y generar gradientes de concentración de forma que, aunque las células
de la superficie del biofilm se vean afectadas por el agente antimicrobiano, las células
más internas queden protegidas.
Algunos de los miroorganismos en los que se ha estudiado y confirmado esta
resistencia figuran en la Tabla 1 y se encuentran desde bacterias a levaduras y desde
organismos estrictamente aerobios hasta anaerobios pasando por bacterias reductoras de
sulfato. Las sustancias antimicrobianas a las que muestran resistencia los
microorganismos que constituyen los biofilms también son muchas y muy heterogéneas
desde oxidantes de amplio espectro como el cloro hasta antibióticos con dianas muy
específicas (Tabla 2).
Tabla 1. Microorganismos con susceptibilidad antimicrobiana reducida cuando forman Biopelículas
Actinobacillus Lactobacillus Bacillus Legionella
Campilobacter Listeria Candida Mycobacterium
Citrobacter Porphyromonas Corynebacterium Proteus
Desulfovibrio Pseudomonas Enterobacter Salmonella Enterococcus Staphylococus Escherichia Streptococcus Gardnerella Vibrio
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Tabla 2. Agentes antimicrobianos con escasa actividad frente a microorganismos formadores de Biopelículas
Biocidas Antibioticos 2,2-Dibromo-3-nitrolopropionamida Isotiazolona Amikacina Fosfomicina 2-Bromo-2-nitro-1,3-propanodiol Monocloramina Anfotericina B Gentamicina Ácido peracético Monopersulfato de potasio Ampicilina Metronidazol Clorhexidina Ozono Aztreonam Novobiocina Cloro Peróxido de hidrógeno Cefazolina Ofloxacina Clorosulfamato Polihexametileno biguanida Ceftazidima Piperacilina Cloruro de benzalconio Povidona yodada Cefuroxima Rifampicina Cloruro de cetilpiridinio Surfactantes anfotéricos Ciprofloxacino Tetraciclina Dióxido de cloro Triclosán Clindamina Tobramicina Formaldehído Yodo Eritromicina Trimetoprim-sulfametoxazol Glutaraldehído Fluconazol Vancomicina
7. Consecuencias del desarrollo de Biopelículas Una vez adheridos a la superficie, los microorganismos de la Biopelícula llevan
a cabo una serie de reacciones propias de su metabolismo que pueden resultar
beneficiosas o perjudiciales dependiendo de las circunstancias. Algunos problemas
relacionados con la formación de biofilms son el bioensuciamiento (o biofouling) y la
corrosión microbiana (conocida como MIC, del inglés Microbiologically Influenced
Corrosion) que son especialmente importantes en la industria, causando la pérdida de
millones de euros anuales a las empresas como consecuencia del daño a equipos y
productos.
El concepto Bioensuciamiento (o biofouling) implica el ensuciamiento o
contaminación de la superficie de materiales asociado a actividad microbiana, es decir,
la acumulación sobre una superficie de microorganismos y/o macroorganismos y sus
productos metabólicos. Y muy relacionado con el concepto de Bioensuciamiento está el
de Biodeterioro, que se refiere al cambio indeseable en las propiedades de un material
causado por la acción de un organismo vivo.
Desde el punto de vista cultural hay que destacar edificios, esculturas, pinturas,
libros y documentos, muebles y demás obras de arte que sufren Biodeterioro como
consecuencia del desarrollo de biofilms sobre su superficie. Los efectos producidos por
el desarrollo de las Biopelículas en monumentos históricos y bienes culturales no son
objeto de esta Unidad y serán discutidos más adelante. Como pequeña introducción se
puede indicar que los soportes pétreos de edificios y esculturas pueden verse afectados
por bacterias, hongos, líquenes y algas que producen pigmentaciones, fisuras,
descamaciones, eflorescencias, etc. El papel de libros y documentos sufre
fundamentalmente la acción de hongos que degradan enzimáticamente la lignina y la
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celulosa. El ataque bacteriano es menos frecuente pero se da en condiciones de
humedad alta y las especies implicadas suelen ser Cytophaga, Cellvibrio y
Cellfalcicula. En la madera y también por acción de los hongos se producen
ablandamientos, fisuraciones, cambios de color y cambio de sus características
mecánicas. Las pinturas sufren procesos de Biodeterioro relacionados, en muchos casos,
con la degradación del aglutinante presente en la composición del pigmento (gelatinas,
sacarosas, aceites, proteínas, almidones, gomas, celulosas, …). Debido a la variedad de
elementos susceptibles de ser atacados, los hongos y bacterias que actúan sobre estos
soportes es muy elevado. Los efectos más frecuentes son cambios de color,
descamaciones y roturas.
En el ambiente clínico se ha calculado que los gastos asociados a los problemas
ocasionados por el desarrollo de estas comunidades alcanzan la cifra de billones de
euros anualmente. Los biofilms son responsables de enfermedades como la otitis media,
que es de las más frecuentes entre los niños pequeños, la endocarditis, que consiste en la
infección de la superficie interna del corazón y sus válvulas, la fibrosis quística, y la
infección respiratoria aguda causada por Legionella, como consecuencia de los biofilms
que crecen en las instalaciones de aire acondicionado. Además los biofilms pueden ser
responsables de una gran cantidad de infecciones nosocomiales (las que se adquieren en
los hospitales). Como ejemplo de este tipo de infecciones se pueden citar la
colonización de catéteres, prótesis, vendajes, y otros tipos de instrumental médico, por
diversos microorganismos. También se ha comentado ya que las bacterias que crecen
sobre la superficie de los dientes formando Biopelículas son responsables de la placa
dental y en último término de la caries.
Por otro lado, los biofilms colonizan la superficie de fregaderos, inodoros y
encimeras sobre todo, en baños y cocinas, por lo que unas prácticas pobres de limpieza
y desinfección en el hogar pueden incrementar la incidencia de enfermedades
provocadas por organismos patógenos.
Los métodos tradicionales para acabar con las bacterias como los antibióticos y
los desinfectantes no suelen ser eficaces en el tratamiento de los biofilms. Las dosis
requeridas para eliminar las Biopelículas son muy elevadas y/o requieren largos
periodos de aplicación, por lo que pueden resultar indeseables desde el punto de vista
medioambiental, y seguramente también prohibidas por la legislación, y no ser prácticas
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desde el punto de vista médico ya que podrían acabar antes con el paciente que con la
propia Biopelícula. Por ello es necesario el desarrollo de nuevas estrategias para la
eliminación de estos biofilms, teniendo en cuenta la forma en que las bacterias se
adhieren a la superficie de los materiales, crecen, y se desprenden de los mismos.
Sin embargo, el desarrollo de Biopelículas no implica siempre efectos negativos.
Las bacterias del biofilm pueden “romper”/degradar contaminantes del suelo y del agua,
en un proceso conocido como Biorremediación para disminuir la concentración de tales
sustancias o incluso llegar a eliminarlas. La biotecnología, por ejemplo, trata de
aprovechar esta capacidad microbiana mediante el desarrollo de biofilms en
biorreactores adecuados para el tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales.
Y de la misma forma los biofilms pueden ser utilizados para la producción a gran
escala de una amplia variedad de sustancias químicas tales como enzimas, aditivos y
antibióticos.
Además el desarrollo de ciertos biofilms sobre la superficie de las raíces de
plantas puede facilitar su crecimiento incrementando la productividad agrícola.
La flora microbiana que se desarrolla sobre la piel y las mucosas del cuerpo y
que constituyen la primera barrera al ataque de otros microorganismos patógenos y los
microorganismos que crecen en el tubo digestivo y ayudan a la digestión de ciertos
compuestos que no sería posible degradar por la acción de las propias células son otros
ejemplos de aspectos positivos de las Biopelículas.
Bibliografía Libros: Characklis, W.C., Marshall, K.C. 1990. Biofilms. John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y. Characklis, W.C., Wilderer, P.A. 1989. Structure and Function of Biofilms. Wiley, Chichester. Wingender, J., Neu, T.R., Flemming, H.-C. 1999. Microbial Extracellular Polymeric Substances. Characterization, Structure and Function. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York.
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Artículos: Davies, D.G., Parsek, M.R., Pearseon, J.C., Iglewski, B.H., Costerton, J.W., Greenberg, E.P. 1998. The involvement of cell-to-cell signals in the development of a bacterial biofilm. Science, 280(5361):295-298. Geesey, G.G. 1982. Microbial exopolymers: ecological and economic considerations. ASM News, 48:9-14. Leriche, V., Carpentier, B. 1995. Viable but nonculturable Salmonella typhimurium in single-species and binary-species biofilms in response to chlorine treatment. Journal of Food Protection, 58(11):1186-1191. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P.C., Mattick J.S. 2002. Extracellular DNA required for bacterial biofilm formation. Science, 295(5559):1487. Enlaces de internet: Biofilms online. Center for Biofilm Engineering http://www.biofilmsonline.com/cgi-bin/biofilmsonline/index.html Biofilms: online Manual. American Society for Microbiology http://www.personal.psu.edu/faculty/j/e/jel5/biofilms/index.html The Biofilm Club http://www.biofilmclub.co.uk/ The CBE Image Library. Center for Biofilm Engineering http://www.erc.montana.edu/Res-Lib99-SW/Image_Library/default.htm
