BIOFILMS, CARA O CREU?

Moltes vegades no som conscients de la relació que hi ha entre tots els organismes existents i menyspreem la funció que desenvolupen. Els bacteris són microorganismes fonamentals pel correcte funcionament de l'ecosistema que constitueix la Terra. És així perquè tenen la capacitat de sobreviure en condicions extremes i això els ha permès colonitzar gairebé tots els hàbitats. Els biofilms són per defecte la forma de vida de la majoria d'espècies bacterianes i els responsables d'algunes de les seves propietats més importants.

Foto 1. Vista des d'un microscopi electrònic 

de "scanning" d'un biofilm de Staphylococcus

a la cara interna d'un instrument mèdic

Un biofilm és una comunitat microbiana sèssil caracteritzada per cèl·lules que viuen adherides irreversiblement a un substrat o interfase enmig d'una matriu d'exopolisacàrids sintetitzada per elles mateixes¹ . Aquestes cèl·lules presenten un fenotip alterat en relació a la fase de creixement i transcripció gènica ja que la seva forma de vida les obliga a tenir un sistema de senyals cèl·lula - cèl·lula molt sofisticat i un cert grau d'especialització cel·lular² . 

La formació dels biofilms comença amb l'agregació d'una interfase de matèria orgànica present en el medi que proporciona als bacteris les condicions adequades per la seva adhesió. Els bacteris s'uniran a la interfase per mitjà de flagels o fímbries (en cas de bacteris gram-negatius) o bé utilitzant proteïnes d'unió (si es tracta de bacteris gram-positius)3 i, acte seguit, començaran a dividir-se per colonitzar el substrat. Un cop formada la "microcolònia", s'establiran les relacions cèl·lula - cèl·lula i els bacteris secretaran la matriu polisacàrida o EPS. La maduració del biofilm inclou la formació dels canals per l'intercanvi nutritiu i d'oxigen, i l'alliberació d'alguns bacteris que en el seu estat plantònic colonitzaran noves superfícies7. 

Foto 2. Esquema representant les etapes presents durant el desenvolupament d'un biofilm sobre un substrat

El sistema encarregat d'induïr la formació del biofilm és el "quorum sensing" o autoinducció. Aquest mecanisme de regulació depèn directament de l'acumulació en el medi d'una molècula senyal, autoinductora, que permet als bacteris saber la densitat de població en cada moment. Els bacteris, utilitzen el creixement en forma de biofilm per fer front a condicions adverses. 

EFECTES ADVERSOS PER L'HOME A NIVELL SANITARI I MÈDIC

L'any 2002 WHO, "World Health Organization", va publicar un informe on es constatava que les malalties infeccioses són la segona causa de mortalitat a Europa i les causants del doble de morts que el càncer. Més de la meitat d'aquestes malalties infeccioses estan relacionades amb els biofilms, els quals acaben generant infeccions cròniques.

A diferència de les infeccions agudes, aquelles vinculades amb els biofilms presenten més resistència (de 10 a 1000 vegades més) davant els antibiòtics, agents antimicrobians convencionals i una extrema capacitat d'evadir els mecanismes de defensa de la cèl·lula hoste5.

La principal explicació d'aquesta major resistència és la presència de la matriu de polisacàrids que formen els biofilms, la qual impedeix la penetració total de l'antibiòtic al seu interior. Altres raons podrien ser la neutralització dels antibiòtics per productes microbians (com enzims) o el canvi de fenotip que pateixen els bacteris després de la formació de biofilms6.

Els principals microorganismes responsables d'aquest tipus de infecció són Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus epidermis, Streptococcus aureus, cocs grampositius i bacteris anaeròbics gramnegatius i gèneres d'algunes espècies de fongs, com Candida i Aspergillus, que s'associen als bacteris. Part de les malalties estan representades a la Taula 1, de les quals destaquen la pneumònia de pacients amb fibrosis quística, les càries dentals i periodontitis i infeccions vinculades amb dispositius mèdics, com les lents de contacte, que causen les malalties nosocomials6.

Taula 1. Infeccions relacionades amb la formació de biofilms7.
Infecció o malaltia	Espècie bacteriana formadora de biofilm
Càries dental	Cocs gram-positiu acido gènics (ex. Streptococcus)
Periodontitis	Bacteris anaeròbics orals gram-negatius
Otitis mitjana	Soques no tipables de Haemophilus influenzae
Infeccions del múscul- esquelet	Cocs gram-positius (ex: Staphylococcus)
Fascitis necrotitzant	Streptococs Grup A
Osteomelitis	Varies espècies bacterianes i fúngiques, generalment barrejades
Prostatis bacteriana	Escherichia coli i altres bacteris gram-negatius
Endocarditis de la vàlvula nativa	Streptococcus del grup “viridans”
Pneumònia per fibrosis quística	Pseudomonas aeruginosa i Burkholderia cepacia
Meloidosis	Pseudomonas pseudomallei
Infeccions nosocomials	S.epidermis, S. aureus, Candida albicans..
Pneumònia (cures intensives)	Bacils gram-negatius
Sutures	Staphylococcus epidermidis i Staphylococcus aureus
Orificis de sortida	S. epidermis i S. aureus
Vies arteriovenoses	S. epidermis i S. aureus
Bucles esclerals	Cocs gram-positius
Lents de contacte	P. aeruginosa i cocs gram-positius

Tot i així, és important recalcar que els biofilms no només s'associen a processos infecciosos sinó que alguns també fan funcions de protecció. Aquests protegeixen d'altres microorganismes patògens en zones com la vagina i les dents.

Foto 3.Exemple de pacient amb periodontitis 

Sobre l'esmalt de les dents hi ha present una quantitat de bacteris no patògens que formen biofilms i protegeixen de la colonització d'altres microorganismes patògens. Aquests romanen en equilibri mentre les condicions són constants, però amb una dieta excessiva en carbohidrats i sucres, per mitjà de la fermentació es generen uns àcids que desmineralitzen l'esmalt dental i acaba provocant el que s'anomena càries. D'aquesta manera la flora microbiana canvia i els bacteris patògens poden colonitzar i formar biofilms infecciosos. És el cas de la periodontitis, que acabarà produint la destrucció tissular i, fins i tot, la pèrdua de l'os deixant sense suport ossi la dentadura8.

Descobriments recents

L’any 2005 el biòleg Alejandro Toledo Arana va identificar dos gens nous que actuen com a reguladors en el procés de formació del biofilm de Staphylococcus aureus, un dels bacteris que amb més freqüència es relaciona amb les infeccions per implants mèdics.

L’investigador va iniciar el seu estudi basant-se en la  homologia estructural entre Bap i Esp, dues proteïnes associades a la formació de biofilms (encara que en diferents espècies).  Es va analitzar si la presència del gen esp estava relacionada amb l’habilitat per produir biofilm i el resultat va ser positiu. A més, la investigació va demostrar que quantitats milimolars de calci agregades al medi de cultiu inhibien la formació del biofilm de colònies Bap-positives, això suggereix l’existència d’un mecanisme de regulació del biofilm.

Utilitzant l'estudi de mutants de Staphylococcus que havien perdut la capacitat de formar el biofilm, Toledo va descobrir un regulador positiu encarregat de l'acumulació de l'exopolisacàrid principal, el Pnp o polinucleòtid fosforilasa. Per altra banda, el cultiu bacterià va posar de manifest que la majoria de cèl·lules aïllades no tenien capacitat per formar biofilm en medi sintètic. Així, es va descobrir un nou regulador negatiu (repressor) de l'expressió de proteïnes que participen en el biofilm, l'ArIRS.

Biofilms en la indústria alimentària

Entre els productes de salut més importants que afecten la població humana hi ha les malalties de transmissió alimentària (ETA).

A la indústria alimentària és molt comuna la presència de biofilms en conduccions, maquinària, equips i materials degut a la seva insuficient desinfecció, fet que incrementa les probabilitats de contaminació del producte acabat, provocant toxiinfeccions alimentàries als consumidors. Per altra banda, es poden trobar també en enllaunats, productes aviaris i càrnics, pastes, pizzes, productes làctics, cervesa, vegetals, etc. En definitiva, en qualsevol lloc que els confereixi estabilitat, nutrients i espai9.

Salmonella spp és el principal causant de brots de toxiinfecció alimentària a la UE en els últims anys, donant lloc a la salmonelosis (Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria, EFSA 2009)10.

APLICACIONS BIOTECNOLÒGIQUES DELS BIOFILMS

Els microorganismes són utilitzats per eliminar, desinfectar o simplement immobilitzar agents contaminants en grans superfícies amb concentracions baixes de contaminant i on el sòl no podria suportar una estratègia de remediació amb productes químics. Aquest és el procés que es coneix com a bioremediació, que tracta de reduïr el dany ocasionat a l'ecosistema com a conseqüència de l'activitat humana11.

Recentment s'han descrit alguns mecanismes de bioremediació per a diferents materials contaminants com ara hidrocarburs clorats, hidrocarburs poliaromàtics o, fins i tot, metalls pesants. Aquests mètodes es poden enfocar de dues maneres: in situ, que s'aplica en sòls o aigües a la seva ubicació original, o ex-situ, que s'aplica en sòls o aigües que han de ser desplaçats i tractats en un bioreactor11.

En biotecnologia ambiental, els biofilms juguen un paper important en la bioremediació i comporten un seguit d'avantatges respecte als bacterisi plantònics: es troben en ambients resguardats i tenen una major captació de nutrients, així com la seva resistència davant de substàncies tòxiques. Convé recalcar que poden aprofitar qualsevol superfície sòlida per a créixer-hi, fet que facilita el seu ús en plantes de tractament d'aigües, per exemple: sistemes tradicionals de filtració, llacunes modificades i sistemes suplementaris per a l'eliminació de nutrients o tractament d'aigües especialitzades12.

La utilització d'energia nuclear genera residus radioactius amb una vida mitjana molt elevada i difícils de tractar. A més, aquests residus poden arribar a ser especialment perillosos si es difonen en l'aigua, podent contaminar ocens, rius i, fins i tot, aigües potables. L'any 2005 a València, Espanya, es va dur a terme un experiment que deixava entreveure la possible utilització de materials metàl·lics com un nou mètode de bioremediació per a la descontaminació d'aigües radioactives. Al 2011, la biotecnòloga Gemma Reguera va utilitzar un Geobacter sulfureducens dissenyat al laboratori per formar un biofilm capaç de captar l'urani dissolt en l'aigua i fixar-lo, eliminant així una contaminació indiscriminada i terrible12,13.

Foto 4. G.Sulfureducens en biofilm amb cristalls d'urani capturats

CONCLUSIONS

Tot i la importància de les aplicacions microbiològiques i fisiològiques que té la formació dels biofilms, la informació de la que es disposa actualment sobre la seva producció, regulació i paper davant la resistència a antibiòtics és insuficient. L'actual i futura identificació d'elements genètics i factors ambientals associats a la seva formació permetrà establir estratègies efectives pel seu control i aplicació. 

BIBLIOGRAFIA I WEBGRAFIA

[1] Donlan, R. M. (2002). Biofilms: Microbial Life on Surfaces. Emerging Infectious Diseases, 8(9). DOI: 10.3201/eid08091020063

[2] Domínguez Rodríguez, L. (2010). Informe del Comité Científico de la Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición (AESAN) en relación a los biofilms y su repercusión en la seguridad alimentaria, (12), 37-61. Recuperat de https://www.gencat.cat/salut/acsa/html/ca/dir2949/41_biofilms_12_2.pdf

[3] i [4] Lasa Uzcudum, Í. (2004). Biofilms bacterianos. Sociedad Española de Microbiología, (37), 14-18. Recuperat de http://www.semicrobiologia.org/pdf/actualidad/SEM37_14.pdf 

[5] Mah, T. F., O'toole, G. A. (2001). Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents. TRENDS in microbiology, 9(1), 34-39. Recuperat de http://goo.gl/QEqTqv

[6] Castrillón, L. E., Palma, A., Padilla, M. (2010). Importancia de las biopelículas en la práctica médica. Dermatología Revista Mexicana, 54(1), 14-24. Recuperat de http://www.medigraphic.com/pdfs/derrevmex/rmd-2010/rmd101d.pdf

[7] Lasa Uzcudun, Í. (2004). Biofilms bacterianos. Sociedad Española de Microbiología, (37), 14-18. Recuperat de http://www.semicrobiologia.org/pdf/actualidad/SEM37_14.pdf

[8] Sharma, M., Yadav, S. (2008). Biofilms: microbes and disease. SciELO, 12(6). Recuperat de http://goo.gl/Zrk6Z3

[9] Téllez Peña, S. (2010). Los Biofilms y su repercusión en la Industria Alimentaria. VIVASET. Recuperat de https://www.visavet.es/es/articulos/biofilms-repercusion-industria-alimentaria.php

[10] Stepanovic, S., Cirkovic, I., Ranin, L.,Svabic-Vlahovic, M. (2004). Biofilm formation by Salmonella spp. and Listeria monocytogenes on plastic surfaces. ResearchGate, 38(5), 428-432. DOI: 10.1111/j.1472-765X.2004.01513.x

[11] Microbial biofilms: Current Research and Applications (1a ed.). (2012). Norfolk, UK: Caister Academic Press.

[12] Echevarría García, L. (2013). Técnicas y métodos de uso de las biopelículas en la búsqueda de procesos de biorremediación. Scientific International Journal, 10(3), 32-43. Recuperat de http://www.nperci.org/L.%20Echevarria-Biopeliculas-V10N3.pdf

[13] Campillo, S. (2015). Superbiotecnología: algunas de las aplicaciones más impresionantes de la ciencia. Recuperat de http://hipertextual.com/2015/04/biotecnologia-aplicaciones

- Donlan, R. M. (2002). Biofilms: Microbial Life on Surfaces. Emerging Infectious Diseases, 8(9). DOI: 10.3201/eid0809.020063

- Rodríguez, M., Cáceres, Z., González, C., Morales, A. (2006). Fibrosis quística y colonización bacteriana del tracto respiratorio. SciELO, 60(3). Recuperat de http://goo.gl/W9Lngk
- Rojas Bayona M., Escobar Gutiérrez A. (Juny - Desembre, 2013). Biopelícula: un mecanismo de supervivència de Helicobacter pylori. Scielo 16(2), 335-342. Recuperat de http://www.scielo.org.co/pdf/rudca/v16n2/v16n2a07.pdf