Biofilmes: características, treinamento, tipos e exemplos

Os biofilmes ou biofilmes são comunidades de microrganismos aderidos a uma superfície, que vivem em um auto – matriz gerada de substâncias poliméricas extracelulares. F hey foram inicialmente descrito por Antoine von Leeuwenhoek, quando examinou os “animálculos” (assim batizado por ele) em um material de placa de seus próprios dentes no século XVII.

A teoria que conceitua biofilmes e descreve seu processo de formação não havia sido desenvolvida até 1978. Foi descoberto que a capacidade dos microrganismos para formar biofilmes parece ser universal.

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Figura 1. Biofilme produzido por Staphylococcus aureus em um cateter. Fonte: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via https://commons.wikimedia.org

Os biofilmes podem existir em ambientes tão variados quanto sistemas naturais, aquedutos, tanques de reservatórios de água, sistemas industriais, bem como em uma ampla variedade de meios, como dispositivos médicos e dispositivos para internação hospitalar (como cateteres, por exemplo).

Através do uso da microscopia eletrônica de varredura e da microscopia confocal a laser, descobriu-se que os biofilmes não são depósitos homogêneos, não estruturados, celulares e de lodo acumulado, mas estruturas heterogêneas complexas.

Biofilmes são comunidades complexas de células associadas em uma superfície, incluídas em uma matriz polimérica altamente hidratada, cuja água circula pelos canais abertos da estrutura.

Muitos organismos que obtiveram sucesso na sobrevivência de milhões de anos no meio ambiente, por exemplo espécies do gênero Pseudomonas e Legionella , usam a estratégia de biofilme em ambientes diferentes dos ambientes nativos nativos.

Características dos biofilmes

Características químicas e físicas da matriz de biofilme

Substâncias extracelulares poliméricas secretadas por microorganismos de biofilme, macromoléculas de polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos, lipídios e outros biopolímeros, principalmente moléculas muito hidrofílicas, se cruzam formando uma estrutura tridimensional chamada matriz de biofilme.

-A estrutura da matriz é altamente viscoelástica, possui propriedades de borracha, é resistente à tração e à ruptura mecânica.

-A matriz tem a capacidade de aderir a superfícies em interfase, incluindo espaços internos de meios porosos, através de polissacarídeos extracelulares que atuam como gengivas aderentes.

-A matriz polimérica é predominantemente aniônica e também inclui substâncias inorgânicas, como cátions metálicos.

-Tem canais de água através dos quais circulam oxigênio, nutrientes e resíduos, que podem ser reciclados.

-Esta matriz de biofilme, funciona como um meio de proteção e sobrevivência contra ambientes adversos, barreira contra invasores fagocitários e contra a entrada e difusão de desinfetantes e antibióticos.

Características ecofisiológicas dos biofilmes

-A formação da matriz em gradientes não homogêneos produz uma variedade de microhabitats, o que permite que a biodiversidade exista no biofilme.

– Dentro da matriz, a forma de vida celular é radicalmente diferente da vida livre, não associada. Os microorganismos do biofilme são imobilizados, muito próximos um do outro, associados em colônias; Esse fato permite interações intensas.

-As interações entre os microrganismos do biofilme incluem a comunicação através de sinais químicos em um código chamado “sensor de quorum”.

-Há outras interações importantes, como a transferência de genes e a formação de micro-consórcios sinérgicos.

-O fenótipo do biofilme pode ser descrito em termos dos genes expressos pelas células associadas. Este fenótipo é alterado em relação à taxa de crescimento e transcrição genética.

-Os organismos dentro do biofilme podem transcrever genes que não transcrevem suas formas de vida planctônicas ou livres.

-O processo de formação de biofilme é regulado por genes específicos, transcritos durante a adesão inicial da célula.

-No espaço confinado da matriz, existem mecanismos de cooperação e competição. A competição gera constante adaptação em populações biológicas.

-É gerado um sistema digestivo coletivo externo, que retém enzimas extracelulares próximas às células.

-Este sistema enzimático permite sequestrar, acumular e metabolizar nutrientes dissolvidos, coloidais e / ou suspensos.

-A matriz funciona como uma zona externa comum de reciclagem, armazenamento de componentes de células lisadas, servindo também como arquivo genético coletivo.

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-O biofilme funciona como uma barreira estrutural protetora contra mudanças ambientais, como dessecação, ação de biocidas, antibióticos, respostas imunes do hospedeiro, agentes oxidantes, cátions metálicos, radiação ultravioleta e também é uma defesa contra muitos predadores, como protozoários fagocitários e insetos.

-A matriz de biofilme constitui um ambiente ecológico único para microorganismos, o que permite à comunidade biológica um modo de vida dinâmico. Os biofilmes são verdadeiros microecossistemas.

Formação de biofilme

A formação de biofilme é um processo no qual os microrganismos passam de um estado nômade, de vida livre, unicelular para um estado sedentário multicelular, onde o crescimento subsequente produz comunidades estruturadas com diferenciação celular.

O desenvolvimento do biofilme ocorre em resposta a sinais extracelulares ambientais e sinais auto-gerados.

Pesquisadores que estudaram biofilmes concordam que é possível construir um modelo hipotético generalizado para explicar sua formação.

Este modelo de formação de biofilme consiste em 5 etapas:

  1. Adesão inicial à superfície.
  2. Formação de uma monocamada.
  3. Migração para formar microcolônias em multicamadas.
  4. Produção da matriz extracelular polimérica.
  5. Maturação do biofilme tridimensional.

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Figura 2. Processo de formação de um biofilme. Fonte: D. Davis [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons

Adesão inicial à superfície

A formação do biofilme começa com a adesão inicial dos microrganismos à superfície sólida, onde são imobilizados. Foi descoberto que os microrganismos possuem sensores de superfície e que proteínas de superfície estão envolvidas na formação da matriz.

Nos organismos não móveis, quando as condições ambientais são favoráveis, aumenta a produção de adesinas em sua superfície externa. Dessa maneira, aumenta sua capacidade de adesão célula-célula e superfície celular.

No caso de espécies móveis, os microorganismos individuais estão localizados em uma superfície e este é o ponto de partida para uma mudança radical no seu modo de vida, de nômade móvel livre para sedentário, quase séssil.

A capacidade de movimento é assim perdida na formação da matriz, além das substâncias adesivas, diferentes estruturas como flagelos, cílios, pilus e fimbriae.

Então, em ambos os casos (microrganismos móveis e não móveis), pequenos agregados ou microcolônias são formados e um contato célula-célula mais intenso é gerado; mudanças fenotípicas adaptativas ocorrem no novo ambiente, em células agrupadas.

Formação de uma monocamada e microcolônias em multicamadas

Começa a produção de substâncias poliméricas extracelulares, ocorre a formação inicial de monocamada e subsequente desenvolvimento de multicamadas.

Produção da matriz extracelular polimérica e maturação do biofilme tridimensional

Finalmente, o biofilme atinge seu estágio de maturidade, com uma arquitetura tridimensional e presença de canais pelos quais circulam água, nutrientes, compostos de comunicação química e ácidos nucléicos.

A matriz de biofilme mantém as células e as mantém unidas, promovendo um alto grau de interação com a comunicação intercelular e a formação de consórcios sinérgicos. As células do biofilme não são completamente imobilizadas, elas podem se mover dentro dela e também se destacar.

Tipos de biofilmes

Número de espécies

De acordo com o número de espécies participantes do biofilme, este último pode ser classificado em:

  • Biofilmes de uma espécie. Por exemplo, biofilmes formados por Streptococcus mutans ou Vellionela parvula.
  • Biofilmes de duas espécies. Por exemplo, a associação de Streptococcus mutans e Vellionela parvula em biofilmes também foi descoberta .
  • Biofilmes polimicrobianos, compostos de muitas espécies . Por exemplo, placa dentária.

Ambiente de treinamento

Ainda de acordo com o ambiente em que são formados, os biofilmes podem ser:

  • Natural
  • Industrial
  • Doméstica
  • Hospitaleiro

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Figura 3. Biofilmes de bactérias termofílicas em Mickey Hot Springs, Oregon, EUA. Fonte: Amateria1121 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], do Wikimedia Commons

Tipo de interface em que são gerados

Por outro lado, de acordo com o tipo de interface em que são formadas, é possível classificá-las em:

  • Biofilmes de interface sólido-líquido , como os formados em aquedutos e tanques, tubulações e tanques de água em geral.
  • Biofilmes de interface de gás sólido (SAB pela sigla em inglês de biofilmes sub-aéreos em inglês); que são comunidades microbianas que se desenvolvem em superfícies minerais sólidas, diretamente expostas à atmosfera e à radiação solar. Eles são encontrados em edifícios, rochas nuas de desertos, montanhas, entre outros.
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Exemplos de biofilmes

-A placa dentária

A placa dentária tem sido estudada como um exemplo interessante de uma comunidade complexa que vive em biofilmes. Os biofilmes das placas dentárias são duros e não elásticos, devido à presença de sais inorgânicos, que conferem rigidez à matriz polimérica.

Os microrganismos da placa dentária são muito variados e existem entre 200 e 300 espécies associadas no biofilme.

Entre esses microrganismos, estão:

  • O gênero Streptococcus ; constituída por bactérias ácidas que desmineralizam o esmalte e a dentina e iniciam a cárie dentária. Por exemplo, as espécies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis e S. milleri.
  • O gênero Lactobacillus , composto por bactérias acidofílicas desnaturantes de proteínas da dentina. Por exemplo, as espécies: casei, L. fermentum, L. acidophillus .
  • O gênero Actinomyces , microorganismos acidúricos e proteolíticos. Entre elas, as espécies: viscosus, A. odontoliticus e A. naeslundii.
  • E outros gêneros , como: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis e Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmes de água preta

Outro exemplo interessante são as águas residuais domésticas, onde vivem em biofilmes aderidos a tubos, amônia oxidante, nitrito e bactérias nitrificadoras autotróficas.

Dentre as bactérias oxidantes de amônio desses biofilmes, as do gênero Nitrosomonas estão distribuídas como espécies numericamente dominantes , distribuídas por toda a matriz do biofilme.

Os principais componentes do grupo oxidante de nitrito são os do gênero Nitrospira, localizados apenas na parte interna do biofilme.

– Biofilmes da subárea

Os biofilmes de subáreas são caracterizados pelo crescimento de manchas em superfícies minerais sólidas, como rochas e construções urbanas. Esses biofilmes apresentam associações dominantes de fungos, algas, cianobactérias, bactérias heterotróficas, protozoários e animais microscópicos.

Particularmente, os biofilmes SAB possuem microorganismos quimiolitotróficos, capazes de usar produtos químicos minerais inorgânicos como fontes de energia.

microrganismos Quimiolitotróficos tem a capacidade de oxidar compostos inorgânicos, tais como H 2 , NH 3 , NO 2 , S, SH, Fe 2+ e aproveitar a energia do produto de potencial eléctrico oxidações seus metabolismos.

Entre as espécies microbianas presentes nos biofilmes subaéreos, estão:

  • Bactérias do gênero Geodermatophilus; cianobactérias do gênero C hrococcoccidiopsis, espécies de cocos e filamentosos como Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Algas verdes dos gêneros Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia e Stichococcus.
  • Bactérias heterotróficas (dominantes em biofilmes subaéreos): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp ., Paenibacillus sp ., Pseudomonas sp . e Rhodococcus sp .
  • Bactérias quimio-organotróficas e fungos, como Actynomycetales (estreptomicetos e Geodermatophilaceae) , Proteobactérias, Actinobactérias, Acidobactérias e bacteróidesides-citofágicos-Flavobacterium.

-Biopélulas de agentes causadores de doenças humanas

Muitas das bactérias conhecidas como agentes causadores de doenças humanas, vivem em biofilmes. Entre eles estão: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans e Legionella pneumophyla.

– Peste bubônica

Interessante é a transmissão da peste bubônica por picadas de pulga, uma adaptação relativamente recente do agente bacteriano causador dessa doença, Yersinia pestis.

Essa bactéria cresce como um biofilme ligado ao sistema digestivo superior do vetor (a pulga). Durante uma picada, a pulga regurgita o biofilme que contém Yersinia pestis na derme e, assim, a infecção começa.

Cateteres venosos hospitalares

Entre os organismos isolados de biofilmes em cateteres venosos centrais explantados, há uma variedade incrível de bactérias Gram-positivas e Gram-negativas, além de outros microorganismos.

Vários estudos científicos relatam bactérias do biofilme Gram-positivas em cateteres venosos: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis , Streptococcus spp . e Streptococcus pneumoniae.

Entre as bactérias Gram-negativas isoladas a partir destes biofilmes são relatados: Acinetobacter spp , Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp, Providencia .. Spp . e Serratia marcescens.

Outros organismos encontrados nesses biofilmes são: Candida spp ., Candida albicans, Candida tropicalis e Mycobacterium chelonei.

-Na indústria

No que diz respeito à operacionalidade da indústria, os biofilmes geram obstruções nos tubos, danos ao equipamento, interferências nos processos, como transferências de calor na cobertura de superfícies dos trocadores ou corrosão de peças metálicas.

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Indústria alimentícia

A formação de filmes em indústrias da indústria de alimentos pode gerar importantes problemas operacionais e de saúde pública.

Os patógenos associados nos biofilmes podem contaminar produtos alimentares com bactérias patogênicas e gerar sérios problemas de saúde pública nos consumidores.

Entre os biofilmes de patógenos associados à indústria de alimentos, estão:

Listeria monocytogenes

Este patógeno é usado no estágio inicial de formação do biofilme, flagelos e proteínas da membrana. Forma biofilmes nas superfícies de aço das máquinas de cortar.

Na indústria de laticínios, os biofilmes de Listeria monocytogenes podem ser produzidos em leite líquido e produtos lácteos. Os resíduos de laticínios em tubulações, tanques, contêineres e outros dispositivos favorecem o desenvolvimento de biofilmes desse patógeno que os utiliza como nutrientes disponíveis.

Pseudomonas spp .

Os biofilmes dessas bactérias podem ser encontrados em instalações da indústria de alimentos, como pisos, ralos e superfícies de alimentos, como carnes, legumes e frutas, bem como derivados de leite com baixa acidez.

Pseudomonas aeruginosa secreta várias substâncias extracelulares que são usadas na formação da matriz polimérica do biofilme, aderindo a um grande número de materiais inorgânicos, como o aço inoxidável.

Pseudomonas podem coexistir no biofilme em associação com outras bactérias patogênicas, como Salmonella e Listeria .

Salmonella spp .

As espécies de Salmonella são o primeiro agente causador de zoonoses de etiologia bacteriana e surtos de toxoinfecção alimentar.

Estudos científicos mostraram que as salmonelas podem aderir na forma de biofilmes, às superfícies de cimento, aço e plástico, das instalações das plantas de processamento de alimentos.

As espécies de Salmonella têm estruturas de superfície com propriedades aderentes. Além disso, produz celulose como substância extracelular, que é o principal componente da matriz polimérica.

Escherichia coli

Usa flagelos e proteínas da membrana na etapa inicial da formação do biofilme. Também produz celulose extracelular para gerar a estrutura tridimensional da matriz no biofilme.

Resistência de biofilmes a desinfetantes, germicidas e antibióticos

Os biofilmes oferecem proteção aos microrganismos que o conformam, à ação de desinfetantes, germicidas e antibióticos. Os mecanismos que permitem esse recurso são os seguintes:

  • Atraso na penetração do agente antimicrobiano através da matriz tridimensional do biofilme, por difusão muito lenta e dificuldade em atingir a concentração efetiva.
  • Taxa de crescimento alterada e baixo metabolismo de microorganismos no biofilme.
  • Alterações nas respostas fisiológicas de microrganismos durante o crescimento de biofilme, com expressão de genes de resistência alterados.

Referências

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