Al principio, no está claro qué tienen en común la placa dental, la baba persistente en el desagüe de la ducha y una roca sumergida resbaladiza, además del hecho de que eliminarlos puede causar dolor de cabeza o de muelas. A simple vista, es casi imposible ver qué es responsable de estas superficies revestidas.
Si miras más de cerca, con la ayuda de un microscopio, te darás cuenta de que estos agregados viscosos no son nada aburridos. Cada biopelícula Consiste en pequeñas comunidades de diversos microorganismos vivos unidos en una gruesa matriz adhesiva. ¿Quién hubiera adivinado que la acumulación de suciedad en la taza del inodoro es un complejo grupo de células vivas y comunicantes?
Aunque Antoni van Leeuwenhoek, el descubridor de las bacterias, describió formaciones similares cuando estudió su propia placa dental en el siglo XVII, no fue hasta el siglo XX que los científicos tuvieron las herramientas que necesitaban para observar más de cerca cómo se desarrollan las estructuras. [fuentes:Universidad Estatal de Montana CBE, Costerton y Wilson].
Estas colonias, también llamadas biopelículas, se forman cuando microorganismos individuales se adhieren a una superficie hidratada y experimentan un "cambio de estilo de vida", renunciando a la vida como una sola célula para vivir en una superficie en una matriz celular adhesiva con otros microorganismos [fuente:Lemon et al. .]. Algunas definiciones establecen que las células de biopelícula "se adhieren irreversiblemente" a una superficie, lo que significa que un enjuague suave no puede eliminarlas [fuente:Donlan].
Pero ¿por qué deberíamos preocuparnos por las biopelículas?
Para empezar, pueden adherirse tanto a superficies vivas como no vivas (incluidos los humanos), crear problemas en el campo médico, alterar las prácticas de producción industrial e incluso contribuir a la limpieza ambiental. Además, algunos investigadores estiman que las biopelículas constituyen más de la mitad de la biomasa mundial [fuentes:Montana State University CBE; Sturman]. Las biopelículas son tan abundantes que sorprende que no las notemos más.
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Los componentes básicos de las biopelículas son microorganismos u organismos demasiado pequeños para verlos a simple vista. Diferentes especies de bacterias, protozoos, algas, levaduras y hongos pueden formar biopelículas. Dado que la mayoría de las biopelículas tienen un espesor que va desde unos pocos micrones hasta cientos de micrones (un micrón es una millonésima de metro), no es de extrañar que los científicos prefieran usar microscopios para estudiarlos.
Entonces, ¿cuáles son los ingredientes para el desarrollo de biopelículas?
Generalmente lo único que necesitas es una superficie hidratada sumergida en agua o alguna otra solución acuosa, microorganismos y condiciones favorables. Sin embargo, no todas las biopelículas crecen al mismo ritmo ni requieren condiciones similares para sobrevivir:diferentes tipos de células microbianas tienen diferentes necesidades. Aún así, algunos factores que pueden afectar la adhesión y el crecimiento de la biopelícula independientemente de la especie incluyen:
En última instancia, es esencial comprender que los microorganismos no necesariamente "piensan" mientras forman una biopelícula; simplemente sucede si las condiciones son favorables. Si el flujo de agua empuja a un microbio o este choca accidentalmente contra una superficie, es posible que se adhiera o no la primera vez, o que no se adhiera en absoluto.
No está claro qué causa que una célula se adhiera a una superficie, y algunos investigadores dicen que una combinación de factores (incluyendo velocidades de corte, fuerzas electrostáticas, capas acondicionadoras (desechos que ya están en la superficie) y nutrientes disponibles para el microorganismo) tiene más influencia que una sola célula. factor [fuente:Sturman].
Dado que los microorganismos suelen estar a merced de su entorno, es increíble cómo algo tan pequeño como una bacteria puede aferrarse a una superficie para establecerse en su nuevo hogar.
La transición de un microorganismo en movimiento libre a uno inmóvil distingue las biopelículas de las células que crecen en un tubo de ensayo. Pero, ¿cómo pueden los microorganismos adherirse a una superficie a largo plazo?
En primer lugar, necesitarás saber que una vez que una célula que flota libremente inicia una biopelícula o se convierte en parte de una existente, utiliza diferentes genes para crear proteínas y otras sustancias que le ayudarán a adaptarse a su nuevo estilo de vida.
Activar y desactivar genes puede cambiar el comportamiento de la célula. Por ejemplo, algunos genes controlan si un microbio puede moverse de forma independiente, mientras que otros pueden ordenar a la célula que permanezca inactiva si las condiciones son duras. Los genes humanos pueden hacer lo mismo. Por ejemplo, los genes responsables de producir lactasa (la enzima que permite a los bebés digerir la leche) pueden "desactivarse" después del destete, manifestándose como intolerancia a la lactosa [fuente:Bowen].
Independientemente de la especie, todas las biopelículas contienen una sustancia polimérica extracelular (EPS) [fuente:Lemon et al.]. Piense en los EPS como parte de una matriz pegajosa extracelular (fuera de la célula) de azúcares, proteínas y otro material genético liberado por las células en las comunidades de biopelículas. Los EPS no solo ayudan a mantener unidas las células de una biopelícula, sino que también desempeñan un papel importante en la protección de la colonia. El EPS suele constituir la mayor parte de la masa de una biopelícula [fuente:Christenson y Characklis].
Después de adherirse a una superficie, una célula producirá una matriz de biopelícula pegajosa con EPS para enraizarse mejor y facilitar que otras células se unan a la colonia. Una vez que otras células se adhieren a la matriz extracelular y deciden quedarse, también producen una matriz adhesiva.
Antes de que te des cuenta, los microbios en la biopelícula han creado una estructura de biopelícula tridimensional elaborada que, cuando se ve bajo un microscopio, se asemeja a torres pegajosas.
Mientras que algunas biopelículas tienen sólo unas pocas células, otras pueden tener millones (y a veces miles de millones) de células entrelazadas en una única matriz de biopelícula. Pero como observaremos más adelante, el crecimiento de biopelículas puede ralentizarse o detenerse a veces, principalmente por la competencia entre células y factores ambientales [fuente:Sturman].
Curiosamente, la vida comunitaria también facilita que las células se envíen señales entre sí mediante la detección de quórum. Esta actividad ayuda a las células a transmitir información sobre sus vecinas y el entorno que las rodea.
Se sabe que la detección de quórum provoca cambios en el comportamiento celular y puede proporcionar información sobre por qué las células se desprenden de las biopelículas; sin embargo, los científicos aún tienen que comprender completamente el significado de estas señales [fuente:Donlan].
En cierto sentido, las biopelículas son como ciudades. Al igual que los habitantes de las ciudades, los microorganismos abandonan la vida solitaria para vivir en comunidad [fuente:Watnick y Kolter]. Usaremos la analogía de Watnick y Kolter que describen las biopelículas como "ciudades de microbios" para comprender cómo interactúan las células en una biopelícula.
Como comentamos anteriormente, los microbios colonizan superficies para construir la base de una biopelícula. Antes de establecerse, algunas células se mueven usando flagelos u otras estructuras móviles hasta que encuentran un lugar adecuado para quedarse, de forma muy parecida a cómo los nuevos residentes de la ciudad visitan diferentes vecindarios antes de elegir un hogar.
Después de mudarse, los nuevos residentes pueden agregar una habitación a su nuevo hogar para crear más espacio para las personas en una casa abarrotada. En comparación, las células de una biopelícula producirán esas sustancias poliméricas extracelulares (EPS) para incluir nuevas células del exterior y otras creadas dentro de la comunidad.
En un nivel básico, tanto las ciudades como las biopelículas ofrecen a sus residentes protección contra fuerzas externas. Para las bacterias de la biopelícula, estas fuerzas pueden ser el tratamiento con antibióticos o incluso el sistema inmunológico humano [fuente:Lemon et al.]. Los científicos creen que el grosor y la densidad generales de una biopelícula brindan cierta protección [fuente:Montana State University CBE].
Además, comunicarse con sus vecinos puede ser más fácil si vive más cerca de ellos. El mismo principio se aplica a las células en una biopelícula durante la detección de quórum, cuando las células están lo suficientemente cerca como para emitir señales de manera efectiva. Los investigadores plantean la hipótesis de que las biopelículas también pueden utilizar la detección de quórum para establecer límites entre diferentes colonias de biopelículas [fuente:Watnick y Kolter]. Vivir en biopelículas facilita la conjugación de las células, el principal mecanismo de transferencia horizontal de genes.
Otro concepto importante a recordar es que las estructuras de biopelículas son flexibles. La mayoría de los científicos utilizan el término viscoelástico para describir las biopelículas, lo que significa que pueden estirarse como masilla cuando el flujo de un líquido tira o empuja la colonia [fuente:Montana State University CBE]. Estas fuerzas de corte, o tasas de flujo de líquido, pueden dar forma a una colonia de biopelículas y hacer que los grumos se desconecten o se desprendan.
¿Qué pasa si nuestros recién llegados a la ciudad se cansan de vivir en una zona abarrotada? Es posible que se muden a otro lugar. Las células de una biopelícula pueden hacer lo mismo separándose de la colonia, recuperando su movilidad y continuando con vida como microorganismos flotantes. La separación puede ser una tarea más desafiante para las células incrustadas debajo de otras capas de células y EPS.
Después de desprenderse, un microbio puede iniciar una nueva biopelícula o unirse a otra comunidad celular establecida. No sabemos qué causa el desprendimiento, pero los científicos dicen que el tipo de especie, las presiones ambientales y la competencia dentro de la biopelícula influyen. Al igual que los humanos y otros animales, los microorganismos a menudo se trasladan a otros lugares para sobrevivir cuando las cosas se ponen difíciles.
¿Alguna vez te has preguntado por qué es necesario limpiarte los dientes en el dentista? Ya te cepillas los dientes tú solo, ¿verdad?
Desafortunadamente, aunque cepillarse los dientes y usar hilo dental elimina parte de la placa dental, una biopelícula que se encuentra en los dientes, no podrá eliminarlo todo. Si la placa dental se acumula en áreas de difícil acceso, puede endurecerse y provocar caries y periodontitis (infección de las encías).
Fuera de la boca, los problemas de salud relacionados con las biopelículas son más comunes de lo que piensas. Hasta el 80 por ciento de las infecciones microbianas humanas son infecciones asociadas a biopelículas [fuente:Khatoon et al.]. Las biopelículas fortalecen las comunidades microbianas, lo cual es una buena noticia para los microbios, pero no tan buena para cualquiera que esté luchando contra una infección por biopelículas.
La estructura de la biopelícula puede promover la resistencia a los antimicrobianos (RAM). Algunos microbios, como la especie bacteriana Staphylococcus epidermidis, exhiben "resistencia a la biopelícula", lo que significa que los compuestos antimicrobianos son menos efectivos cuando S. epidermidis forma una biopelícula que cuando las células bacterianas son células planctónicas aisladas. Desafortunadamente, las pruebas de antibióticos a menudo se realizan con bacterias planctónicas en lugar de con una biopelícula bacteriana [fuente:Koch et al.].
Las infecciones relacionadas con biopelículas pueden causar problemas de salud, que van desde un dolor de oído común hasta una infección bacteriana específica que se encuentra en personas con una enfermedad genética llamada fibrosis quística.
Las biopelículas son un área de especial preocupación para los pacientes con dispositivos médicos implantados como:
En entornos hospitalarios, los microbios pueden ingresar al cuerpo de un paciente cuando los visitantes, el personal del hospital o el propio paciente los transfieren a un dispositivo médico, razón por la cual la higiene es crucial. Las infecciones por estafilococos, por ejemplo, pueden resultar de biopelículas infecciosas que contienen bacterias Streptococcus. Las biopelículas de Staphylococcus aureus son conocidas por su persistencia bacteriana.
Deshacerse de una biopelícula bacteriana, especialmente si contiene estafilococos, puede ser un desafío para los pacientes con implantes, pero existen algunas opciones. Quitar el implante a veces será suficiente, pero no necesariamente ayudará con la adhesión bacteriana al tejido vivo [fuente:Donlan].
Otras técnicas incluyen aplicar dosis más sustanciales de medicamentos antimicrobianos a la superficie del implante antes de colocarlo dentro de un paciente o experimentar con implantes revestidos de plata, que tiene propiedades antimicrobianas.
Desafortunadamente, no existe un tratamiento universal para las biopelículas médicas a largo plazo. Prevenir la formación de biopelículas es, en primer lugar, la táctica más prometedora. Los pacientes siempre deben consultar a sus médicos sobre posibles tratamientos para las infecciones por biopelículas.
Los microbios comunitarios pueden adaptarse para vivir en muchas superficies, incluidos nuestros dientes y nuestro cuerpo, pero la gran mayoría de las biopelículas se encuentran en la naturaleza. Por ejemplo, puede sentir la presencia de biopelículas en las rocas en una masa de agua poco profunda, creando una superficie resbaladiza para atravesar. A diferencia de las biopelículas estudiadas en el laboratorio, estas agregaciones ocurren naturalmente y son parte de un ecosistema más grande.
Hoy en día, nuestro impacto en el medio ambiente a menudo resulta en desequilibrios en los ecosistemas. Por ejemplo, la escorrentía de desechos puede hacer que un área tenga niveles de ciertos nutrientes más altos de lo habitual. Para algunos microorganismos, esto significa más comida para comer y, como resultado, sus poblaciones pueden crecer sin control.
Para descomponer los nutrientes, algunos microbios necesitan oxígeno y utilizarán más de lo habitual para descomponer un excedente de nutrientes. Esta eliminación de oxígeno de un ecosistema puede causar problemas a otros organismos que comparten el mismo hábitat, lo que a veces resulta en zonas muertas.
Si se les dan los nutrientes para crecer sin control, tanto los microorganismos que flotan libremente como las biopelículas sedentarias pueden florecer y utilizar todo el oxígeno en un área, haciendo que el ambiente sea difícil o imposible para otros microbios y animales.
En entornos industriales, las biopelículas son una fuerza a tener en cuenta. Dado que la mayoría de las instalaciones de producción utilizan agua para enfriar equipos o dependen de tuberías para transportar recursos, existe un riesgo sustancial de desarrollar biopelículas en estos equipos y sistemas de tuberías.
Según una estimación, las biopelículas causan daños por valor de más de mil millones de dólares cada año en entornos industriales, afectando la salud humana y la capacidad de las empresas para fabricar sus productos de manera eficiente [fuente:Montana State University CBE; Sturman]. Las instalaciones de fabricación de papel corren un riesgo especial de sufrir problemas de biopelículas, porque la fabricación de papel requiere mucha agua y proporciona un ambiente cálido y nutritivo para que crezcan los microorganismos [fuente:Sturman].
Las biopelículas también pueden afectar negativamente a la calidad del agua potable. Una vez tratadas las aguas residuales, fluyen a través de tuberías limpias que las transportan hasta nuestros grifos. Pero en algunos casos, las biopelículas pueden resultar una molestia en este proceso. Los científicos de las instalaciones de tratamiento de agua descubrieron que todavía se forman biopelículas en las tuberías que transportan agua limpia, lo que la recontamina.
Después de estudiar el tema, descubrieron que el agua potable limpia que ha sido tratada contiene carbono orgánico, un alimento sabroso para las bacterias. Afortunadamente, eliminar el carbono orgánico del agua procesada limita la formación de estas biopelículas bacterianas en las tuberías de agua limpia, lo que permite que el agua llegue segura al grifo [fuente:Sturman].
Los investigadores han descubierto que el agua de lastre, agua que los barcos almacenan en sus proas para mantener el equilibrio, también alberga biopelículas [fuente:Drake et al.]. En los tanques de lastre se pueden transportar organismos que van desde mariscos hasta bacterias. Pero cuando los barcos recogen agua de lastre en un puerto y la liberan en otro, es cuando las cosas se ponen difíciles.
Vaciar el agua de lastre en un nuevo entorno les da a estos organismos no nativos una ventaja, permitiéndoles competir con las especies nativas por alimentos y recursos. Al igual que en otras superficies sumergidas, las biopelículas pueden colonizar el interior de estos tanques. Una vez en un tanque de lastre, los microbios de las biopelículas pueden desprenderse de la colonia o ser arrastrados al nuevo entorno.
Los investigadores dicen que debemos tratar los microorganismos invasores en estas biopelículas y el agua de lastre con la misma precaución que otros organismos invasores, porque pueden propagar ciertos patógenos o microbios que causan enfermedades.
Los microorganismos pueden causar desequilibrio en un medio ambiente si las condiciones son adecuadas. Irónicamente, es por eso que los microbios también pueden ser beneficiosos. Por ejemplo, resulta que las mismas bacterias hambrientas de nutrientes que descomponen el carbono en el agua tratada también pueden restaurar el equilibrio de un área al consumir el exceso de carbono cuando surge la situación.
Cuando el petróleo termina accidentalmente en la naturaleza (como se ve en los derrames de petróleo), los microbios descomponen lentamente las partículas de petróleo. El petróleo está compuesto principalmente de carbono y existe una variedad de bacterias que descomponen pequeñas moléculas de aceite para convertirlas en alimento. Entonces, las biopelículas pueden ayudar potencialmente a limpiar los desastres ambientales.
El uso de biopelículas de esta manera es un ejemplo de biorremediación, o devolver un ambiente de un estado alterado a su estado natural con la ayuda de microorganismos. Aunque recolectar petróleo y pasarlo a través de algún tipo de filtro de biopelícula no es un método común para limpiar derrames de petróleo en la actualidad, puede ser una opción interesante para explorar en el futuro.
Las biopelículas también tienen su lugar en la industria minera. Muy a menudo, el mineral valioso se separa de la roca normal en entornos mineros. Pero en presencia de agua y oxígeno, ciertos tipos de restos de roca triturada pueden crear una solución de ácido sulfúrico si se dejan en paz.
Una vez que se produce la reacción, este ácido y otros escurrimientos son difíciles de limpiar y pueden contaminar las fuentes de agua cercanas. Pero si se elimina una parte de la ecuación, el material rocoso no se volverá ácido y podrá eliminarse de otra manera. Resulta que colocar bacterias formadoras de biopelículas que necesitan oxígeno en estas rocas eliminará el elemento de su superficie e impedirá que se forme esta escorrentía ácida [fuente:Sturman].
Además de la biorremediación, las biopelículas se pueden utilizar en filtros percoladores de biopelículas para tratar aguas residuales [fuente:Sturman]. En este proceso, se cultivan biopelículas en rocas o trozos de plástico para limpiar los desechos del agua que se filtra lentamente.
A pequeña escala, este proceso es bastante eficiente, pero la mayoría de los centros municipales de tratamiento de agua todavía dependen de grandes cantidades de bacterias para tratar las aguas residuales.
Las biopelículas también benefician a otros organismos en la naturaleza. Bajo tierra, los microorganismos formarán una biopelícula alrededor de la rizosfera, o el área entre las raíces y el suelo, en las plantas. Las interacciones químicas en esta relación simbiótica otorgan a ambas partes acceso a nutrientes que de otro modo no estarían disponibles. La formación de biopelículas en las raíces de las plantas es uno de los muchos ejemplos de por qué las biopelículas son ecológicamente importantes.
Es difícil saber qué organismo fue realmente responsable de la peste bubónica, una enfermedad que causó millones de muertes en el siglo XIV. Las garrapatas fueron responsables de transmitir la enfermedad de ratas a humanos, pero los investigadores están analizando más de cerca la bacteria en sí:una especie llamada Yersinia pestis.
Los estudios modernos muestran que estas bacterias forman una biopelícula en el área entre la estructura del esófago y el estómago de la garrapata, bloqueando su ingesta de alimentos y matando de hambre al animal [fuente:Darby]. Entonces, ¿por qué la peste todavía se propaga si las garrapatas que transportan la bacteria mueren de hambre? Bueno, como las garrapatas tenían hambre constantemente, intentaron comer con más frecuencia y, desafortunadamente, los humanos fueron los más afectados por estos intentos.
Fuentes
