Biofilms (2)

En los últimos años, ha ido creciendo la percepción de que las bacterias no solo se encuentran en el medio ambiente en una forma unicelular o libre, como las estudiadas en el laboratorio, sino que la gran mayoría se encuentra principalmente formando parte de depósitos biológicos denominados biofilms.
Los biofilms se definen como comunidades complejas de microorganismos que crecen en una matriz orgánica polimérica autoproducida y adherida a una superficie viva o inerte, y que pueden presentar una única especie microbiana o un abanico de especies diferentes.
La formación de biofilms es una estrategia adaptativa de los microorganismos, ya que el crecimiento en biofilm ofrece cuatro ventajas importantes: (I) protege a los microorganismos de la acción de los agentes adversos, (II) incrementa la disponibilidad de nutrientes para su crecimiento, (III) facilita el aprovechamiento del agua, reduciendo la posibilidad de deshidratación y (IV) posibilita la transferencia de material genético (ADN).
Todas estas circunstancias pueden incrementar sus capacidades de supervivencia.
Como consecuencia, los métodos habituales de desinfección se muestran a menudo ineficaces contra las bacterias del biofilm.
En la industria alimentaria es muy común la presencia de biofilms en conducciones, equipos y materiales ya que pueden formarse en cualquier tipo de superficie, incluyendo plástico, cristal, madera, metal y sobre los alimentos. Además del riesgo de contaminación, el desarrollo de biofilms puede interferir en diferentes procesos y causar daños en los equipos.
El desarrollo de un Biofilm.

El Biofilm bacteriano empieza a formarse cuando una célula individual se une inicialmente a una superficie, después de la unión inicial la célula empieza a crecer y a esparcirse sobre la superficie en una monocapa, mientras forma microcolonias.
Mientras tanto las células cambian su comportamiento y dan lugar a una la compleja arquitectura llamada biofilm maduro. El mas evidente de estos cambios es la producción de la matriz de exopolisacáridos, que cementara todo el conjunto. Mientras el biofilm va creciendo suceden otros cambios, si las condiciones ambientales lo permiten.
Acondicionamiento de la Superficie.
Las bacterias son capaces de desarrollar biofilms sobre muchas superficies bióticas y abióticas.
La capacidad de unirse a diversos plásticos, cristal y metales, depende de las proteínas especificas en su cubierta y de los apéndices motrices.
Los estudios muestras que el acero inoxidable, puede ser tan susceptible como el plástico(Pendersen, 1990). La acción del aire o de la humedad sobre el acero inoxidable, poco a poco crea una capa de oxido de cromo, sobre el que se pega la suciedad orgánica. Así se pre-condiciona el sustrato para la adhesión de las bacterias. El biofilm puede desarrollarse sobre casi cualquier tipo de superficie, gracias a que previamente entra en contacto la materia orgánica presente en el agua. En la interfase agua/superficie se deposita una capa orgánica, que cambia las propiedades químicas y físicas de la superficie y mejora las posibiliades de fijación de las bacterias.
Absorción y Fijación.
La adhesión de los microbios a un sustrato puede ser activa (por los flagelos, pili, adhesinas, cápsulas y cargas de superficie) o pasiva (por gravedad, difusión y dinámica de fluidos).
En condiciones normales, las células bacterianas son repelidas por la superficie ya que presentan cargas eléctricas iguales. En unos minutos, las bacterias libres que encuentran la superficie acondicionada, forman con ella una unión reversible que depende de las cargas eléctricas de la bacteria. Son atracciones de tipo electrostático o hidrófobo y fuerzas de Van der Waals, sin unión química.
Si esta unión se mantiene suficiente tiempo, aparecen nuevas estructuras químicas y físicas que la harán permanente y irreversible.
En casos de gran densidad de población o ante la precariedad de nutrientes que hay en el agua potable, algunos microorganismos son capaces de responder individualmente con una alteración de su pared celular para hacerla hidrófoba y, por lo tanto, con más afinidad hacia las superficies.
Cuando llegan a la capa base, más próxima a la pared de la tubería y casi sin flujo de agua, son atraídos por la superficie donde tantearán una unión y intentaran fijarse a ella. Durante la etapa de unión reversible las células bacterianas aún muestran movimiento Browniano, y se eliminan fácilmente al fregar.
La unión irreversible significa el anclaje de apéndices bacterianos y la producción de exopolímeros. La acción mecánica necesaria para desengancharlo será mayor cuanto más tiempo lleve activo el biofilm. Para adaptarse a la vida del biofilm, una bacteria ha de sufrir cambios radicales.
El cambio del medio donde se encuentra activa diferentes genes que codifican nuevas proteínas estructurales y enzimas. Estos genes y proteínas son los que explican la fijación y la resistencia de las bacterias incluidas en los biofilms ante los antibióticos o los desinfectantes.
Maduración: El Glicocalix .
La tranquilidad que reina en este ambiente, favorece el crecimiento y la división de las células y permite iniciar la fabricación de una mezcla de polímeros polianiónicos, limosa y pegajosa, que excreta al exterior para mantener unidas las células, entre ellas y con la superficie.
La composición del exopolímero es poco conocida, pero consta de polisacáridos o glicoproteínas de diversos azúcares, como glucosa, fructosa, manosa, N-acetilglucosamina y otros. También puede contener proteínas libres, fosfolípidos y ácidos nucleicos o teicoicos.
Se sirven de ellos para retener los nutrientes y para proteger a las bacterias de los diversos biocidas.
El glicocalix de material polimérico se excreta desde la pared celular bacteriana en una formación radicular que recuerda la de una araña. Se estructura a partir de grupos de polisacáridos neutros o portadores de cargas eléctricas, que suman a la adherencia la capacidad de actuar como un sistema de intercambio iónico para atrapar y concentrar los nutrientes que encuentre.
Cuando los nutrientes se concentran, las células primitivas se reproducen con menos limitaciones; las células hijas producirán su propio glicocalix y aumentará exponencialmente la superficie de intercambio iónico y el volumen de una próspera colonia bacteriana.
En un biofilm maduro, la mayor parte de su volumen está ocupado por la matriz laxamente organizada (75-95%) alrededor de unas pocas bacterias (5-25%) , que proporciona una cubierta gelatinosa y deslizante a la superficie colonizada, con un considerable volumen de agua disponible.
Al cabo de pocos días de la primera colonización, otros microbios quedan atrapados en el glicocalix por captación física y atracción electrostática. Hongos o bacterias sin movilidad propia serán capaces de aprovechar materiales residuales de los primeros habitantes, y de producir sus propios residuos que serán aprovechados por otros microbios, a su vez.
La comunidad metabólica coopera de una manera compleja, como el tejido vivo de un organismo multicelular. Las diferentes especies viven en un nicho mínimo, super especializado y hecho a medida. Si una especie genera residuos tóxicos, otra los devorará con avidez. Así se consigue coordinar los recursos bioquímicos de todos los habitantes del biofilm; se reúnen los diferentes enzimas de los que disponen numerosas especies de bacterias para abastecerse de aportes nutritivos que ninguna especie sola podría digerir. También servirán para responder al ataque de diversos biocidas.
Razones para el Desarrollo del Biofilm.
El Alimento.
En los diversos medios donde se encuentran los microbios se dan situaciones de abundancia, incluso de exceso de nutrientes, y situaciones de austeridad y falta de nutrientes. Esta última situación se da en el agua potable, especialmente en los sistemas de agua de alta pureza, donde las bacterias activan estrategias propias de cada especie. Unos microbios cambiarán su cubierta para hacerla más hidrófoba y dirigirse hacia las paredes; otros irán moviéndose directamente con sus flagelos o pili, y otros caerán al fondo por gravedad.
La protección: Resistencia a los biocidas.
El exopolímero protege a los habitantes del biofilm de la dispersión de sustancias nutritivas, del acceso de los biocidas y de la desecación. Los limpiadores químicos mejoran la capacidad de arrastre de la suciedad por la propia agua. Allá donde ella no puede, suspenden y disuelven los residuos alimentarios al reducir la tensión superficial, por emulsión de las grasas y la peptización de las proteínas. Pero aún no sabemos como los detergentes pueden eliminar el exopolímero asociado a los biofilms. Los fabricantes de detergentes y desinfectantes aún no tienen en cuenta la estructura glicoproteica que mantiene el biofilm enganchado a la superficie. Harían falta nuevas formulaciones para poder disolver estas sustancias.
Se ha podido demostrar que las células del biofilm pueden resultar entre 10 y 1000 veces más resistentes que las células planctónicas correspondientes.

El Manejo de biofilms.
El desarrollo de biofilms, con lleva serios problemas higiénicos y numerosas pérdidas económicas por los productos que se llegan a desechar, cuando resultan contaminados.
En la industria alimentaria los biofilms pueden ser controlados aplicando los programas de limpieza y desifección adecuadamente.
Un proceso de limpieza puede llegar a eliminar el 90% de los microorganismos de una superficie. Una limpieza larga y exhaustiva con detergentes alcalinos formulados con quelantes, ya resulta efectiva en la eliminación del biofilm.
La principal limitación de los sistemas de limpieza reside en los problemas de acceso a diversas zonas como ranuras, grietas, finales ciegos, manchas de corrosión... que se han comentado antes.
Si el biofilm queda como reservorio en estos puntos, la limpieza nunca podrá ser exhaustiva. Por lo que es necesario asegurarse que esos puntos sean bien tallados con fibras constantemente ademas de una posterior desinfección.
La resistencia a los antimicrobianos parece depender de la estructura tridimensional que presenta el biofilm. Cuanto más viejo y grueso sea, más resistencia le da; a la inversa, si se desmonta la estructura se pierde la resistencia.
En consecuencia, la eficacia de la desinfección estará directamente relacionada con la capacidad de la limpieza previa.
En un futuro los recientes estudios están enfocados al desarrollo de repelentes que no permitan la adhesión y que a su vez no aporten nutrientes.
Por lo pronto un buen método adecuado de limpieza y desinfección resulta la mayor prevención.