Biofilms bacterianos: las películas microbiológicas

Por Colaborador Invitado, el 30 junio, 2022. Categoría(s): Biología • Ciencia

Como si de buenos actores de cine se trataran, los microorganismos juegan el papel de protagonista en este artículo. Aunque claro está que las películas de las que hablaremos no serán del cine que todos conocemos sino más bien de películas bacterianas. En el articulo de hoy descubriremos los biofilms, también conocidos como las biopelículas, y su importancia.

Tal vez te resulte extraño el término acuñado para referirnos a estas agrupaciones de microorganismos sobre distintas superficies así que empezaremos explicando un concepto fundamental en esta materia: la agrupación bacteriana.

Cuando las bacterias se reproducen el número de individuos de la población -en este caso de la colonia bacteriana- aumenta. Desde luego no hay ningún misterio en esto y es que, en biología, la división celular provoca la multiplicación de todos los individuos. Gracias a la forma que tienen de reproducirse las células se mantienen juntas tras la división siempre y cuando no posean una estructura que les permita moverse, como los cilios o flagelos.

Biopelícula de S. aureus. Las flechas blancas indican las capas (superior, media e inferior) de esta.

Estas agrupaciones celulares, originadas por su división, pueden ir acumulándose sobre las superficies, lo que dará lugar al nacimiento de una biopelícula.

La biopelícula no es más que una comunidad de microorganismos conformada por una o varias especies que está rodeada de una matriz molecular externa y que conviven adheridos a una superficie o un tejido. Para entender mejor la definición de estos términos voy a contarlo con un símil más cercano:

  • La comunidad de microrganismos sería similar a las viviendas agrupadas en una comunidad. En cada vivienda viven familias, -independientemente del número de individuos que la conformen- y estas conviven en la comunidad con el resto de los vecinos. Cada uno es de su padre y de su madre, son independientes, pero esto no determina que no puedan convivir y conformar una comunidad de vecinos.
  • En cuanto a las moléculas que secretan las bacterias en el biofilm vayamos a la comunidad mencionada anteriormente. Es como si los vecinos sacaran fuera la basura pero se deshacen de ella por la ventana, es decir, tiran -en este caso la exocitan– multitud de residuos al exterior.

Composición del biofilm

Estoy convencido de que, al menos una vez en la vida, has visto una biopelícula y no sabías que lo era. Seguro que has observado una pequeña baba en las rocas de un acuario o de un río, una ligera mucosidad en un jarrón que contenía flores, ese reborde brillante de una tubería vieja y húmeda, o incluso la famosa placa dental. Pues bien todos ellos son ejemplos cotidianos de biopelículas, contra las que diariamente libramos una batalla, mismamente al limpiar las encimeras de la cocina, el baño o lavarnos los dientes.

Placa dental

Esa higiene evita un desarrollo exacerbado de los microorganismos porque, aunque no todos sean malos, pueden provocar una enfermedad o dañar las superficies. Pero realmente, ¿de qué están compuestas? La composición como muchas cosas en biología puede ser variable, aunque principalmente encontramos agua y por supuesto el agregado bacteriano –edificio de la comunidad de vecinos-. Ese agua compone en su mayoría la matriz extracelular y disuelta en ella podemos encontrar más compuestos moleculares: exopolisacáridosproteínas DNA -recuerda la basura que tiraban por la ventana los vecinos-.

Pero, si las bacterias se encuentran encerradas en esa matriz, ¿cómo es posible que accedan a los nutrientes o el oxígeno para poder vivir? Precisamente porque la estructura no es sólida, sino más bien es viscosa, y posee canales –las ventanas del edificio- que permiten un flujo constante de los nutrientes, agua y oxígeno entre otros. Hay que destacar también que cada biopelícula –como cada comunidad­ de vecinos– tiene una serie de requerimientos y su nivel de exigencia en cuanto a nutrientes, pH u oxígeno será diferente.

Además, en esa matriz las células establecen relaciones y se comunican por quorum sensing, llegando incluso a cooperar para que la comunidad sobreviva y perdure en el tiempo. Gracias a ello se logra una expresión de genes conjunta estrictamente regulada para que todo funcione correctamente logrando incluso cambios en la estructura celular o su metabolismo.

Biopelícula en una depuradora de agua

Crecimiento del biofilm: factores que influyen en su formación y regulación

Como toda película de cine, las biopelículas, también tienen un inicio, un desarrollo y por supuesto pueden tener un final. Centrándonos en su inicio, todo comienza con una etapa de adhesión sobre la superficie que paulatinamente se va a colonizar. Aquí es dónde las estructuras de movimiento mencionadas anteriormente, los cilios y los flagelos, juegan un papel importante, puesto que gracias a ellas las bacterias se desplazan para colonizar nuevos ambientes o entornos. Sin embargo, la presencia o no de estas estructuras, no es un factor determinante para que las bacterias puedan formar una biopelícula.

Las células iniciales que llegan y se adhieren a la superficie empezaran a dividirse y con ello a multiplicar su número y crecer como comunidad, y poco a poco van agrupándose cada vez más y más.

Cuando ese agrupamiento es lo suficientemente grande comienzan a secretar los exopolisacáridos –es decir, empiezan a tirar la basura por la venta– formándose así esa capa externa en la que se encuentran embebidas. Con la exocitosis de todas las moléculas necesarias se formarán nuevos canales –las ventanas-, ampliando así su red de comunicación y nutrición.

Por último, cuando la biopelícula está completamente formada y madura, algunas bacterias de esta gran comunidad salen para poder colonizar nuevas superficies –como si un vecino se mudara para formar otra comunidad- completando así el ciclo de la película. En definitiva, la biopelícula pasa por varias fases que se pueden resumir en:

  1. Adhesión a una superficie
  2. Crecimiento y acumulación
  3. 3. Maduración temprana y secreción de exopolisacáridos
  4. Creación de canales, expresión de genes y maduración final.
  5. Dispersión de algunos individuos para la recolonización de nuevas superficies.
Etapas de crecimiento de una película bacteriana. 1) Adhesión a una superficie, 2) Crecimiento y acumulación, 3) Maduración temprana y secreción de exopolisacáridos, 4) Creación de canales, expresión de genes y maduración final y 5) Dispersión de algunos individuos para la recolonización de nuevas superficies

La formación se produce en respuesta a las condiciones ambientales y, como he mencionado anteriormente, es un proceso activado mediante la autoinducción gracias a la comunicación bacteriana (quorum sensing) y está estrictamente regulado por cascadas de genes. Esto ha abierto un abanico de posibilidades en investigación, pues dar con una diana que llegue a inhibir la formación de biopelículas puede suponer una revolución en el sector de la microbiología, debido a la importancia de estas películas en la industria o la sanidad.

En la imagen se observan cocos embebidos en los exopolisacáridos de la biopelícula

Importancia de los biofilms: impacto y papel en la resistencia a antibióticos

Como hemos visto, las biopelículas las podemos encontrar en multitud de lugares y es innegable que esto repercutirá directamente en el entorno o ambiente que colonicen. Este impacto puede ser tanto positivo como negativo, pues no todas las películas que se forman son malas o dañinas para la salud de los animales y plantas.

Algunas, como por ejemplo las biopelículas formadas por Staphylococcusepidermidis, juegan un papel protector fundamental ya que impiden la colonización de bacterias patógenas gracias a que estimula las células de nuestro sistema inmune evitando así que otras se adhieran y nos infecten. Otro caso similar es el de los lactobacilos vaginales, que previenen la colonización vaginal de otros microorganismos, ya bien sean bacterias u hongos, gracias a que disminuyen el pH vaginal.

Igualmente las bacterias de nuestra boca también nos protegen frente a patógenos que podrían causarnos caries o periodontitis pues éstas, viven en equilibrio, mientras las condiciones externas se mantengan constantes y favorables, para lo cual una correcta higiene es fundamental.

Pero no es oro todo lo que reluce y, como es de esperar, las biopelículas también pueden ser muy peligrosas. Un ejemplo claro es la infección por Pseudomonas aeruginosa en los pacientes con fibrosis quística. La bacteria colonizará y residirá en el pulmón, formando una película que le permitirá vivir en el tejido durante mucho tiempo y, precisamente esta larga exposición, provocará daños severos en el pulmón.

Otro trono favorito que tienen las bacterias para adherirse son los implantes médicos como por ejemplo los catéteres o las sondas urinarias. Una vez que han formado la biopelícula esta actúa con una fuente de infección constante y puede comprometer la salud de las personas sobre todo si está en condiciones de inmunodeficiencia.

Staphylococcusaureus formando una película en un catéter

La eliminación completa de una infección por biopelículas es más compleja y duradera que una infección bacteriana normal y corriente. La larga exposición de los pacientes a estas bacterias supone un problema puesto que al tratarlas con antibióticos algunas de las bacterias, sino lo son antes, pueden desarrollar resistencia a dichos antibióticos.

Las biopelículas de bacterias multirresistentes son comunes en ambientes hospitalarios y estas infecciones nosocomiales -infecciones adquiridas dentro del ámbito hospitalario- pueden trasmitirse de paciente en paciente llegando a ser mortal en algunos casos.

Staphylococcusaureus multirresistente.

¿A mí como individuo en qué me afecta todo esto? La multirresistencia es un problema global que afecta y afectará a nivel mundial a todos y cada uno de los sectores que conocemos, no solo a nosotros como humanos, sino a animales, plantas y medioambiente por igual. Como he comentado anteriormente el impacto de las biopelículas en el sector sanitario es muy grande y su formación puede aumentar aún más la resistencia a los antibióticos. La problemática de esto puede extenderse también al sector alimentario e industrial, puesto que algunos patógenos que se trasmiten por vía alimentaria como Escherichiacoli Salmonella sp también pueden formar parte de estas películas, recuerda que pueden estar formada por multitud de bacterias distintas y esto incluye géneros y especies amplios.

La divulgación y la actuación a nivel individual, como una buena higiene de manos, es muy importante para tratar de frenar todo esto. Por otro lado, cualquier investigación que favorezca el desarrollo de nuevas estrategias de prevención (desinfección) o tratamiento (como la terapia fágica con bacteriófagos) contra estas bacterias será vital para solucionar el problema de la multirresistencia.

 

Las bacterias que pueblan la tierra han existido durante millones de años. La formación de biopelículas es una estrategia más de supervivencia, un mecanismo curioso que pasa desapercibido por muchos de nosotros. Muchas son beneficiosas y juegan un papel fundamental en el correcto funcionamiento de muchos sistemas, pero otras no lo son tanto y esto puede suponer un problema a nivel mundial en distintos sectores. El desarrollo de nuevos métodos para detectar su presencia, para eliminarlos o para prevenir que se formen nos ayudará a comprender mejor el maravilloso mundo microscópico que está oculto y sobre todo a combatir la problemática global que supone la multirresistencia a antibióticos.

 

Este artículo ha sido redactado por el equipo de Microbacterium.es  de forma exclusiva para Naukas. Artículo redactado por Samuel Soria y editado por Carmen de Jesús Gil.

 

Bibliogragía

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Davey ME, O’Toole GA. Microbialbiofilms: fromecologyto molecular genetics. Microbiol Mol BiolRev 2000; 64: 847-867

Cucarella C, Solano C, Valle J, Amorena B, Lasa I, Penades JR. Bap, a Staphylococcusaureus surface proteininvolved in biofilmformation. J Bacteriol 2001; 183: 2888-2896

https://scielo.isciii.es/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1137-66272005000300002#:~:text=DEFINICI%C3%93N%20DE%20BIOFILM,las%20bacterias%20en%20la%20naturaleza

http://www.cresa.cat/blogs/sociedad/es/espanol-biofilms-bacterianos-por-que-deberia-importarnos/

https://www.immunology.org/es/public-information/bitesized-immunology/pathogens-and-disease/biofilms-y-su-papel-en-la-patog%C3%A9nesis

Biofilms: ¿Qué son y cómo se forman?

https://www.ulceras.net/articulo.php?id=204

https://es.wikipedia.org/wiki/Biopel%C3%ADcula

 

 

 



Por Colaborador Invitado, publicado el 30 junio, 2022
Categoría(s): Biología • Ciencia