Biofilm: caratteristiche generali e funzioni

Il biofilm è un aggregato di microorganismi in cui tutte le cellule sono sia attaccate tra di loro che ancorate ad una particolare superficie. Nella fattispecie, esso può svilupparsi sulle superfici più disparate.

Ad ogni modo, queste cellule sono spesso incorporate all’interno di una matrice polisaccaridica, nota come EPS, contenente zuccheri e DNA, che intrappola una grandissima serie di composti vantaggiosi per la crescita batterica.

Fasi di sviluppo del biofilm

Fasi di sviluppo del biofilm
Figura 1- Fasi di sviluppo del biofilm [credits: alimentiehaccp.com]

Prima fase

L’attacco iniziale dei microorganismi ad un biofilm avviene grazie alle forze di Van Der Waals, attraverso un legame debole. Tale attacco è regolato dalle caratteristiche ambientali.

Seconda fase

Nel momento in cui il microorganismo constata che la superficie è vantaggiosa per la formazione di un biofilm, si consuma l’attacco irreversibile.

Ovvero, i microorganismi iniziano a sintetizzare una serie di strutture superficiali (pili, fimbrie, proteine di ancoraggio) che lo aiutano ad aderire alla superficie e ad altri batteri, formando una microcolonia.

Questa fase di attacco irreversibile non è controllata dalle caratteristiche ambientali, ma dal quorum sensing.

Terza fase

Dopo la formazione delle microcolonie avviene la maturazione del biofilm, mediante la produzione di materiale polisaccaridico che forma l’EPS.

Invece, i microorganismi prossimi all’EPS possono sfruttare il meccanismo della dispersione, cioè uscire dal biofilm e colonizzare ambienti limitrofi.

Caratteristiche del biofilm

Il biofilm è una struttura molto vantaggiosa perché assicura la vicinanza ad una fonte nutritiva ed aumenta la possibilità di trasferimento genico tra batteri.

Infatti, se nel biofilm ci sono batteri non virulenti, questi possono diventarlo grazie all’acquisizione di DNA esogeno.

Durante la crescita di batteri in un biofilm i microorganismi presentano fenotipi biofilm specifici, cioè cambia la loro fisiologia, l’espressione genica e la velocità di crescita (replicano in modo più lento).

In particolare, negli strati più superficiali del biofilm abbiamo microorganismi che sfruttano facilmente nutrienti e ossigeno in condizioni ottimali.

Mentre, nello strato sottostante vi sono batteri che definiamo slow growing, che a un certo punto modificano il loro metabolismo e la loro crescita, rallentandoli.

Questo è importante perché trattando, ad esempio, un biofilm con una cura antibiotica, si avrà la morte dei microorganismi che si trovano più in superficie, mentre, negli strati sottostanti ci saranno questi batteri dal metabolismo rallentato sui quali l’antibiotico non riesce ad agire.

Inoltre, l’utilità del biofilm è rafforzata dalla produzione di proteine che favoriscono l’estrusione di sostanze tossiche dall’interno del biofilm stesso.

Fattori che influenzano la formazione del biofilm

La formazione del biofilm è influenzata da diversi fattori:

  • superficie: le cui proprietà chimico-fisiche favoriscono o meno la formazione di biofilm. Nella fattispecie, esso cresce più velocemente su plastica e substrati naturali;
  • pellicole: piccoli strati di materia organica o inorganica che si presentano sulla superficie in cui si forma il biofilm. In particolare, la presenza di una pellicola favorisce l’attacco dei microorganismi e, quindi, la formazione del biofilm;
  • condizioni generali: pH, temperatura e presenza di nutrienti;
  • proprietà cellulari: caratteristiche della parete dei batteri. Ad esempio, se i batteri presentano pili o fimbrie, oppure sviluppano proteine di adesione saranno chiaramente facilitati a formare biofilm.

Tuttavia, i biofilm possono essere anche dannosi per i batteri, poiché i batteri che si trovano nello strato più superficiale hanno accesso ai nutrienti, cosa che non accade a quelli negli strati basali le cui sostanze citoplasmatiche sono rilasciate nel biofilm e sfruttate dagli altri microorganismi. Lo stesso discorso vale per l’ossigeno.

Sviluppo del biofilm e quorum sensing

Una volta che i microorganismi hanno aderito formando una microcolonia, prima che si sviluppi un biofilm maturo deve attivarsi il meccanismo del quorum sensing.

Quorum sensing in batteri gram negativi e positivi
Figura 2 – Quorum sensing in batteri gram negativi e positivi [credits: frontiersin.org]

Praticamente, i batteri iniziano a comunicare tra loro tramite composti chimici e quando si arriva ad una certa concentrazione di questi composti (detta appunto quorum sensing) si scatena una risposta a cascata che porta alla formazione del biofilm.

I composti in questione sono gli autoinduttori e servono a reclutare altri batteri. Specificamente, la sintesi e la captazione di queste peculiari sostanze è un meccanismo che porta alla modulazione dell’espressione genica come risposta ad una determinata molecola.

Ciò favorisce l’espressione dei geni utili alla sintesi di pili, fimbrie, alla mitosi, al metabolismo, alla biosintesi di polisaccaridi, la sintesi di trasportatori di membrana e la sintesi di fattori sigma alternativi.

Biofuling e quorum quenching

Parliamo di un particolare tipo di biofilm all’interno del quale possono entrare particelle di natura non biologica e formare incrostazioni. Esempi di biofuling sono quelli che si formano all’interno delle superfici d’acciaio delle condutture di acqua potabile.

Tuttavia, questo fenomeno si verifica anche a livello delle valvole cardiache dove, nella fattispecie, la fibrina nel tentativo di proteggere il sistema, forma una sorta di barriera protettiva impedendo l’azione delle cellule immunitarie.

Tutto questo, determina la costituzione di un’incrostazione che se non trattata in tempo può originare endocarditi batteriche.

Quindi, il biofuling è lo sviluppo di un biofilm indesiderato che causa un’incrostazione dovuta all’accumulo e al trasporto di molecole non biologiche nell’interfaccia tra batteri e soluzione acquosa.

Un caso che c’interessa molto da vicino è quello dei biofilm che si formano durante il trattamento delle acque reflue, in cui esso può andare ad intasare le membrane filtranti tramite incrostazioni, bloccando il processo di filtrazione.

Gruppo di ricerca Lee

Il metodo impiegato per evitare l’insorgenza di questo fenomeno consiste nel modificare i segnali chimici che i batteri si scambiano nel processo di quorum sensing. In particolare, molti gruppi di ricerca stanno provando a bloccare completamente questo processo.

Specificamente, il gruppo del professor Lee della Corea del Sud ha constatato che la pressione transmembrana durante il processo di depurazione delle acque in un bioreattore a membrana, ha un andamento vario.

Nella fattispecie, la prima fase è abbastanza lunga ed ha una pressione transmembrana costante nel tempo. Mentre, la seconda fase è molto più veloce ed è caratterizzata da una pressione transmembrana crescente. Nello specifico, quest’ultima fase corrisponde alla formazione del biofilm sulla superficie di filtrazione della membrana.

Quindi, il gruppo Lee ha ipotizzato che si può variare la velocità di aumento della pressione transmembrana riducendo o addirittura rimuovendo le molecole coinvolte nel quorum sensing, come ad esempio l’omoserina lattone che è responsabile anche del passaggio dalla fase 1 a quella 2.

Per ridurre la quantità di queste molecole vengono utilizzate altre molecole coinvolte nel quorum quenching, cioè l’inibizione del quorum sensing. Queste molecole sono secrete da microorganismi specifici aggiunti appositamente per questo processo.

Quorum sensing e quorum quenching
Figura 3- Quorum sensing e quorum quenching [credits: researchgate.net]

Nel particolare, il gruppo Lee ha utilizzato delle biglie caratterizzate da pori contenenti batteri capaci di produrre enzimi coinvolti nel quorum quenching.

In questo modo, i batteri non si mescolano con la comunità microbica del bioreattore, ma gli enzimi passano attraverso i pori e svolgono la loro funzione.

Giovanna Spinosa

Fonti
  • https://journals.asm.org/doi/full/10.1128/JB.182.10.2675-2679.2000;
  • https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.micro.54.1.49;
  • https://www.jstor.org/stable/25041684.
Crediti delle immagini
  • Figura 1: https://www.alimentiehaccp.com/2018/02/24/avete-mai-sentito-parlare-di-biofilm/;
  • Figura 2: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.589640/full;
  • Immagine 3: https://www.researchgate.net/figure/Targeting-quorum-sensing-Schematic-of-QS-in-bacteria-as-well-as-methods-to-block-this_fig1_326004935.

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