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Biofilms bacterianos: Comunidades multicelulares de bacterias adaptadas, Apuntes de Microbiología

Los biofilms son comunidades complejas de microorganismos, formadas por bacterias adheridas a superficies inertes o vivas, en las que se comportan como organismos pluricelulares. La capacidad de formación de biofilms no está restringida a ningún grupo específico de bacterias y pueden desarrollarse en todos los medios donde existan bacterias y las condiciones ambientales adecuadas. La formación de biofilms implica la transición a través de diversas etapas identificadas como plactónica, adhesión reversible y irreversible, formación de microcolonias y macrocolonias, y dispersión.

Tipo: Apuntes

2019/2020

Subido el 15/06/2020

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Biofilms bacterianos.
Las poblaciones bacterianas tienen la habilidad de adaptarse de manera rápida y óptimamente a los
cambios en los ambientes en los que existen. Debido a ello en ambientes propicios con ausencia o
baja incidencia de factores estresantes o competitivos, se las puede encontrar en forma individual en
un ecosistema, también llamada plactónica. Sin embargo los cambios bruscos en el ambiente que los
rodea, entre ellos, la baja presión de oxígeno, o la presencia de antimicrobianos, conducen a un
cambio importante en el comportamiento de la bacteria individual, la cual tiende a comunicarse con
las bacterias aledañas para conformar una patina (capa fina) en una superficie, llamada biofilm.
Los biofilms se definen como comunidades de estructura compleja de microorganismos, que crecen
embebidos en una matriz de polisacáridos extracelulares (secretados por las células que forman parte
del biofilm) y adheridos a una superficie inerte o un tejido vivo, que se comportan como organismos
pluricelulares. Los biofilms no deben ser considerados como simples aglomerados celulares, por el
contrario deben ser contemplados como una población que actúa y reacciona como un organismo
único.
La consideración de los biofilms como comunidades que funcionan como organismos pluricelulares
se basa en su capacidad para crecer, alimentarse, reproducirse, etc. de manera organizada y orquestada
a través de sistemas de comunicación célula-célula. Las bacterias como parte de una comunidad se
comunican por medio de señales químicas llamadas quorum sensing. El sistema de quorum sensing es
un mecanismo de regulación dependiente de la acumulación en el medio ambiente de una molécula
señal, autoinductor, que permite a la bacteria sentir la densidad de población existente y controlar su
comportamiento en respuesta a las variaciones en el número de células. Actualmente, se sabe que la
comunicación intercelular no es excepcional sino que es una norma en el ecosistema bacteriano y este
proceso conocido como quorum sensing es fundamental en la formación de biofilms. Los sistemas de
quorum sensing difieren entre los distintos géneros bacterianos y una bacteria puede tener mas de un
sistema de quorum sensing.
Los biofilms se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza ya que representan la forma
habitual de crecimiento de las bacterias. Algunos ejemplos de su localización son: el material mucoso
que recubre un jarrón en el que se depositan flores, el material resbaladizo que recubre las piedras de
los lechos de los ríos, los cascos de los barcos o la superficie interna de una tubería, la placa dental, en
la piel, entre otros.
La capacidad de formación de biofilm no parece estar restringida a ningún grupo especifico de
bacterias y se considera que pueden desarrollarse en todos los medios donde existan bacterias y las
condiciones ambientales adecuadas para su crecimiento; tanto en un medio natural, clínico o
industrial puesto que solo necesitan un entorno hidratado y una mínima presencia de nutrientes para
desarrollarse.
2.5.1 Estructura de los biofilms.
Aunque la composición del biofilm varía en función del sistema en estudio, el componente
mayoritario es el agua, que puede representar hasta un 97% del contenido total. Ademas de agua y las
células bacterianas, la matriz del biofilm es un complejo formado principalmente por exopolisacáridos
secretados por las propias células que forman parte del mismo. En menor cantidad se encuentran
otras macromoléculas como proteínas, ADN y productos diversos procedentes de lisis de las bacterias.
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Microbiología y Parasitología: Unidad III
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Biofilms bacterianos. Las poblaciones bacterianas tienen la habilidad de adaptarse de manera rápida y óptimamente a los cambios en los ambientes en los que existen. Debido a ello en ambientes propicios con ausencia o baja incidencia de factores estresantes o competitivos, se las puede encontrar en forma individual en un ecosistema, también llamada plactónica. Sin embargo los cambios bruscos en el ambiente que los rodea, entre ellos, la baja presión de oxígeno, o la presencia de antimicrobianos, conducen a un cambio importante en el comportamiento de la bacteria individual, la cual tiende a comunicarse con las bacterias aledañas para conformar una patina (capa fina) en una superficie, llamada biofilm. Los biofilms se definen como comunidades de estructura compleja de microorganismos, que crecen embebidos en una matriz de polisacáridos extracelulares (secretados por las células que forman parte del biofilm) y adheridos a una superficie inerte o un tejido vivo, que se comportan como organismos pluricelulares. Los biofilms no deben ser considerados como simples aglomerados celulares, por el contrario deben ser contemplados como una población que actúa y reacciona como un organismo único. La consideración de los biofilms como comunidades que funcionan como organismos pluricelulares se basa en su capacidad para crecer, alimentarse, reproducirse, etc. de manera organizada y orquestada a través de sistemas de comunicación célula-célula. Las bacterias como parte de una comunidad se comunican por medio de señales químicas llamadas quorum sensing. El sistema de quorum sensing es un mecanismo de regulación dependiente de la acumulación en el medio ambiente de una molécula señal, autoinductor, que permite a la bacteria sentir la densidad de población existente y controlar su comportamiento en respuesta a las variaciones en el número de células. Actualmente, se sabe que la comunicación intercelular no es excepcional sino que es una norma en el ecosistema bacteriano y este proceso conocido como quorum sensing es fundamental en la formación de biofilms. Los sistemas de quorum sensing difieren entre los distintos géneros bacterianos y una bacteria puede tener mas de un sistema de quorum sensing. Los biofilms se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza ya que representan la forma habitual de crecimiento de las bacterias. Algunos ejemplos de su localización son: el material mucoso que recubre un jarrón en el que se depositan flores, el material resbaladizo que recubre las piedras de los lechos de los ríos, los cascos de los barcos o la superficie interna de una tubería, la placa dental, en la piel, entre otros. La capacidad de formación de biofilm no parece estar restringida a ningún grupo especifico de bacterias y se considera que pueden desarrollarse en todos los medios donde existan bacterias y las condiciones ambientales adecuadas para su crecimiento; tanto en un medio natural, clínico o industrial puesto que solo necesitan un entorno hidratado y una mínima presencia de nutrientes para desarrollarse. 2.5.1 Estructura de los biofilms. Aunque la composición del biofilm varía en función del sistema en estudio, el componente mayoritario es el agua, que puede representar hasta un 97% del contenido total. Ademas de agua y las células bacterianas, la matriz del biofilm es un complejo formado principalmente por exopolisacáridos secretados por las propias células que forman parte del mismo. En menor cantidad se encuentran otras macromoléculas como proteínas, ADN y productos diversos procedentes de lisis de las bacterias.

La estructura de un solo Biofilm contiene heterogeneidad de especies o incluso de géneros bacterianos, es decir distintos tipos bacterianos que están estructurados en distintas capas formando microcolonias aprovechando las características particulares de cada tipo en beneficio del conjunto. Estudios realizados han mostrado que la arquitectura de la matriz del biofilm no es sólida y presenta canales que permiten el flujo de agua, nutrientes y oxígeno incluso hasta las zonas más profundas del biofilm. La existencia de estos canales no evita, sin embargo, que dentro del biofilm se pueda encontrar ambientes diferentes en los que la concentración de nutrientes, pH la presión de oxígeno es diferente. Esta circunstancia aumenta la heterogeneidad sobre el estado fisiológico en el que se encuentra la bacteria dentro del biofilm y dificulta su estudio. 2.5.2 Formación de Biofilms. La formación de biofilms es un proceso temporal que involucra la transición a través de diversas etapas de organización multicelular identificadas como: Fase plactónica: Estado en donde existen bacterias individual es que aun no forman una población. Fase de adhesión: Se divide en reversible e irreversible en reconocimiento a que la adhesión a la superficie es débil en el primer caso y fuerte en el segundo. El cambio desde la adhesión reversible a irreversible se produce por la transición desde una interacción débil de la célula con el sustrato hasta un enlace permanente, mediado por la activación de mecanismos específicos: inicio de la secreción de un exopolisacárido (mediado por mecanismos de quorum sensing) que conforma la matriz del biofilm y apéndices extracelulares (fimbrias o incluso flagelos). Fase de formación de microcolonias: Una vez que la bacteria se ha adherido a la superficie, comienza la división de manera clonal de las células adheridas; las células hijas se extienden alrededor del sitio de unión, formando una microcolonia similar a como ocurre durante el proceso de formación de colonias en placas de agar. Fase de formación de macrocolonias: Durante esta fase las bacterias acelera la secreción del exopolisacárido que constituye la matriz del biofilm y forma unas estructuras similares a setas formadas por células, llamadas macrocolonias entre las cuales se observa la presencia de canales llenos de líquido que permiten el flujo de agua, nutrientes y oxígeno. Al cabo de pocos días de la primera colonización, otros microorganismos quedan atrapados en el exopolisacárido 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 a su vez por otros microorganismos que forman el biofilm. Fase de dispersión: Finalmente, algunas bacterias de la matriz del biofilm se liberan del mismo (regresando a la fase plactónica) para poder colonizar nuevas superficies, cerrando el proceso de desarrollo de formación del biofilm.

episodios recurrentes. Esto se debe a que las bacterias del biofilm pueden ser hasta mil veces mas resistentes a los antibióticos que esas mismas bacterias crecidas en medio líquido. Los mecanismos a través de los cuales los biofilms resisten a los antimicrobianos son diferentes y reflejan las características estructurales y fisiológicas de cada biofilm. La resistencia antimicrobiana de los biofilms no se debe a la presencia de genes de resistencia ni a la selección de mutantes resistentes. Las bacterias en estado de biofilm expresan formas de resistencia a los antimicrobianos que son de tipo estructural: La barrera de difusión física y química a la penetración de los antimicrobianos que constituye la matriz de exopolisacáridos. El crecimiento ralentizado de las bacterias del biofilm debido a la limitación de nutrientes. La existencia de microambientes que antagonizen con la acción del antibiótico La activación de respuestas de estrés que provocan cambios en la fisiología de la bacteria y la aparición de un fenotipo específico del biofilm que activamente combata los efectos negativos de los antimicrobianos. Otro aspecto a mencionar es que los biofilms también presentan una mayor resistencia a la respuesta inmunología (humoral o celular) de los hospederos.

Fin de la unidad III.