All'inizio, non è chiaro cosa abbiano in comune la placca dentale, la melma persistente nello scarico della doccia e una roccia scivolosa sommersa, oltre al fatto che possono essere un mal di testa - o mal di denti - da rimuovere. A occhio nudo è quasi impossibile individuare la causa di queste superfici rigate.
Se osservate più da vicino, con l'aiuto del microscopio, vi renderete conto che queste aggregazioni viscide sono tutt'altro che opache. Ogni biofilm è costituito da minuscole comunità di diversi microrganismi viventi legati insieme in una spessa matrice adesiva. Chi avrebbe mai immaginato che l'accumulo di sporco nel water fosse un complesso ammasso di cellule viventi e comunicanti?
Sebbene Antoni van Leeuwenhoek, lo scopritore dei batteri, descrisse formazioni simili quando studiò la propria placca dentale nel XVII secolo, fu solo nel XX secolo che gli scienziati ebbero gli strumenti necessari per osservare più da vicino come si sviluppano le strutture. [fonti:Montana State University CBE, Costerton e Wilson].
Queste colonie, chiamate anche biofilm, si formano quando singoli microrganismi si attaccano a una superficie idratata e subiscono un "cambio di stile di vita", rinunciando alla vita come singola cellula per vivere su una superficie in una matrice cellulare adesiva con altri microrganismi [fonte:Lemon et al .]. Alcune definizioni affermano che le cellule del biofilm "si attaccano irreversibilmente" a una superficie, il che significa che un risciacquo delicato non può rimuoverle [fonte:Donlan].
Ma perché dovremmo preoccuparci dei biofilm?
Per cominciare, possono attaccarsi sia alle superfici viventi che a quelle non viventi (compresi gli esseri umani), creare problemi in campo medico, alterare le pratiche di produzione industriale e persino contribuire alla pulizia ambientale. Inoltre, alcuni ricercatori stimano che i biofilm costituiscano più della metà della biomassa mondiale [fonti:Montana State University CBE; Sturmann]. I biofilm sono così abbondanti che è sorprendente che non li notiamo più.
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Gli elementi costitutivi dei biofilm sono microrganismi o organismi troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo. Diverse specie di batteri, protozoi, alghe, lieviti e funghi possono formare biofilm. Dato che la maggior parte dei biofilm ha uno spessore che va da pochi micron a centinaia di micron (un micron equivale a un milionesimo di metro), non c'è da meravigliarsi che gli scienziati preferiscano utilizzare i microscopi per studiarli.
Quindi, quali sono gli ingredienti per lo sviluppo del biofilm?
Generalmente, tutto ciò che serve è una superficie idratata e immersa in acqua o altra soluzione acquosa, microrganismi e condizioni favorevoli. Tuttavia, non tutti i biofilm crescono alla stessa velocità o addirittura richiedono condizioni simili per sopravvivere:diversi tipi di cellule microbiche hanno esigenze diverse. Tuttavia, alcuni fattori che possono influenzare l'attaccamento e la crescita del biofilm indipendentemente dalla specie includono:
In definitiva, è essenziale comprendere che i microrganismi non necessariamente “pensano” mentre formano un biofilm; succede solo se le condizioni sono favorevoli. Se il flusso d'acqua spinge un microbo o se sbatte accidentalmente contro una superficie, potrebbe attaccarsi o meno la prima volta o non attaccarsi affatto.
Non è chiaro cosa spinga una cellula ad attaccarsi a una superficie e alcuni ricercatori affermano che una combinazione di fattori, tra cui velocità di taglio, forze elettrostatiche, strati condizionanti (detriti già sulla superficie) e nutrienti a disposizione del microrganismo, è più influente di un singolo fattore. fattore [fonte:Sturman].
Dato che i microrganismi sono spesso in balia del loro ambiente, è incredibile come qualcosa di così piccolo come un batterio possa aggrapparsi a una superficie per stabilirsi nella sua nuova casa.
La transizione da un microrganismo che si muove liberamente a uno immobile distingue i biofilm dalle cellule che crescono in una provetta. Ma come possono i microrganismi restare attaccati a una superficie a lungo termine?
Innanzitutto, devi sapere che una volta che una cellula fluttuante avvia un biofilm o diventa parte di uno esistente, utilizza geni diversi per creare proteine e altre sostanze che la aiutano ad adattarsi al suo nuovo stile di vita.
Spegnere e accendere i geni può modificare il comportamento della cellula. Ad esempio, alcuni geni controllano se un microbo può muoversi in modo indipendente, mentre altri possono comandare alla cellula di diventare dormiente se le condizioni sono difficili. I geni umani possono fare la stessa cosa. Ad esempio, i geni responsabili della produzione della lattasi (l'enzima che consente ai neonati di digerire il latte) possono "spegnersi" dopo lo svezzamento, manifestandosi come intolleranza al lattosio [fonte:Bowen].
Indipendentemente dalla specie, tutti i biofilm contengono una sostanza polimerica extracellulare (EPS) [fonte:Lemon et al.]. Pensa all’EPS come parte di una matrice extracellulare appiccicosa (esterno alla cellula) di zuccheri, proteine e altro materiale genetico rilasciato dalle cellule nelle comunità di biofilm. Gli EPS non solo aiutano a tenere insieme le cellule di un biofilm, ma svolgono anche un ruolo significativo nella protezione della colonia. L'EPS di solito costituisce la maggior parte della massa di un biofilm [fonte:Christenson e Characklis].
Dopo essersi attaccata a una superficie, una cellula produrrà una matrice di biofilm appiccicosa con EPS per radicarsi meglio e facilitare l'adesione di altre cellule alla colonia. Una volta che altre cellule si attaccano alla matrice extracellulare e decidono di rimanervi, producono anch'esse una matrice adesiva.
Prima che tu te ne accorga, i microbi nel biofilm hanno creato un'elaborata struttura tridimensionale del biofilm che, se vista al microscopio, ricorda torri collose.
Mentre alcuni biofilm hanno solo poche cellule, altri possono avere milioni – e talvolta miliardi – di cellule intrecciate in un’unica matrice di biofilm. Ma come noteremo più avanti, la crescita del biofilm può essere rallentata o interrotta a volte, principalmente dalla competizione tra cellule e fattori ambientali [fonte:Sturman].
È interessante notare che la vita comunitaria rende anche più semplice per le cellule inviarsi segnali tra loro attraverso il rilevamento del quorum. Questa attività aiuta le cellule a trasmettere informazioni sui loro vicini e sull'ambiente circostante.
È noto che il rilevamento del quorum provoca cambiamenti nel comportamento cellulare e può fornire informazioni sul motivo per cui le cellule si staccano dai biofilm; tuttavia, gli scienziati devono ancora comprendere appieno il significato di questi segnali [fonte:Donlan].
In un certo senso, i biofilm sono come le città. Simili agli abitanti delle città, i microrganismi rinunciano alla vita solitaria per vivere in comunità [fonte:Watnick e Kolter]. Utilizzeremo l'analogia di Watnick e Kolter che descrive i biofilm come "città di microbi" per capire come interagiscono le cellule in un biofilm.
Come abbiamo discusso in precedenza, i microbi colonizzano le superfici per costruire le basi di un biofilm. Prima di stabilirsi, alcune cellule si muovono utilizzando flagelli o altre strutture mobili finché non trovano un posto adatto dove stare, proprio come i nuovi residenti della città visitano diversi quartieri prima di scegliere una casa.
Dopo essersi trasferiti, i nuovi residenti potrebbero aggiungere una stanza alla loro nuova casa per creare più spazio per le persone in una casa affollata. In confronto, le cellule in un biofilm produrranno quelle sostanze polimeriche extracellulari (EPS) per includere nuove cellule dall'esterno e altre create all'interno della comunità.
A livello base, sia le città che i biofilm offrono ai loro residenti protezione dalle forze esterne. Per i batteri del biofilm, queste forze possono essere un trattamento antibiotico o persino il sistema immunitario umano [fonte:Lemon et al.]. Gli scienziati ritengono che lo spessore e la densità complessivi di un biofilm forniscano una certa protezione [fonte:Montana State University CBE].
Inoltre, comunicare con i tuoi vicini può essere più semplice se vivi più vicino a loro. Lo stesso principio si applica alle cellule in un biofilm durante il rilevamento del quorum, quando le cellule sono abbastanza vicine per segnalare in modo efficace. I ricercatori ipotizzano che i biofilm possano anche utilizzare il rilevamento del quorum per stabilire i confini tra diverse colonie di biofilm [fonte:Watnick e Kolter]. Vivere nei biofilm facilita la coniugazione delle cellule, il meccanismo principale del trasferimento genico orizzontale.
Un altro concetto importante da ricordare è che le strutture del biofilm sono flessibili. La maggior parte degli scienziati usa il termine viscoelastico per descrivere i biofilm, nel senso che possono essere allungati come mastice quando il flusso di un liquido tira o spinge la colonia [fonte:Montana State University CBE]. Queste forze di taglio, o velocità di flusso del liquido, possono modellare una colonia di biofilm e causare la disconnessione o la caduta dei grumi.
Cosa succederebbe se i nuovi arrivati in città si stancassero di vivere in una zona affollata? Potrebbero trasferirsi altrove. Le cellule di un biofilm possono fare lo stesso staccandosi dalla colonia, riacquistando la mobilità e continuando la vita come microrganismi fluttuanti. Il distacco può essere un compito più impegnativo per le celle incorporate sotto altri strati di celle ed EPS.
Dopo il distacco, un microbo può iniziare un nuovo biofilm o unirsi ad un'altra comunità cellulare consolidata. Non sappiamo cosa causi il distacco, ma gli scienziati dicono che il tipo di specie, le pressioni ambientali e la competizione all'interno del biofilm giocano tutti un ruolo. Come gli esseri umani e altri animali, i microrganismi spesso si spostano altrove per sopravvivere quando il gioco si fa duro.
Ti sei mai chiesto perché è necessario lavarsi i denti dal dentista? Ti lavi già i denti da solo, vero?
Sfortunatamente, anche se spazzolare i denti e usare il filo interdentale rimuove parte della placca dentale, un biofilm presente sui denti, non sarai in grado di rimuovere tutto. Se la placca dentale si accumula in aree difficili da raggiungere, può indurirsi, causando carie e parodontite (infezione delle gengive).
Al di fuori della tua bocca, i problemi di salute legati al biofilm sono più comuni di quanto potresti pensare. Fino all'80% delle infezioni microbiche umane sono infezioni associate al biofilm [fonte:Khatoon et al.]. I biofilm rafforzano le comunità microbiche, il che è una buona notizia per i microbi, ma non altrettanto buona per chiunque stia combattendo un'infezione da biofilm.
La struttura del biofilm può promuovere la resistenza antimicrobica (AMR). Alcuni microbi, come la specie batterica Staphylococcus epidermidis, mostrano “resistenza al biofilm”, il che significa che i composti antimicrobici sono meno efficaci quando lo S. epidermidis forma un biofilm rispetto a quando le cellule batteriche sono cellule planctoniche isolate. Sfortunatamente, i test antibiotici spesso vengono eseguiti con batteri planctonici piuttosto che con un biofilm batterico [fonte:Koch et al.].
Le infezioni legate al biofilm possono causare problemi di salute, che vanno da un comune mal d'orecchi a una specifica infezione batterica riscontrata in persone affette da una malattia genetica chiamata fibrosi cistica.
I biofilm rappresentano un'area di particolare preoccupazione per i pazienti con dispositivi medici impiantati come:
In ambito ospedaliero, i microbi possono entrare nel corpo di un paziente quando vengono trasferiti a un dispositivo medico dai visitatori, dal personale ospedaliero o dal paziente stesso, motivo per cui l'igiene è fondamentale. Le infezioni da stafilococco, ad esempio, possono derivare da biofilm infettivi contenenti batteri Streptococcus. I biofilm di Staphylococcus aureus sono noti per la loro persistenza batterica.
Eliminare un biofilm batterico, soprattutto se contiene batteri dello stafilococco, può essere difficile per i pazienti con impianti, ma esistono alcune opzioni. La rimozione dell'impianto a volte risolve il problema, ma non aiuta necessariamente con l'adesione batterica al tessuto vivo [fonte:Donlan].
Altre tecniche includono l'applicazione di dosi più consistenti di farmaci antimicrobici sulla superficie dell'impianto prima che venga inserito nel paziente o la sperimentazione di impianti rivestiti in argento, che ha proprietà antimicrobiche.
Sfortunatamente, non esiste un trattamento universale per i biofilm medici a lungo termine. Prevenire innanzitutto la formazione di biofilm è la tattica più promettente. I pazienti dovrebbero sempre consultare il proprio medico sui possibili trattamenti per le infezioni da biofilm.
I microbi comuni possono adattarsi a vivere su molte superfici, compresi i nostri denti e il nostro corpo, ma la stragrande maggioranza dei biofilm si trova in natura. Ad esempio, potresti sentire la presenza di biofilm sulle rocce in uno specchio d'acqua poco profondo, creando una superficie scivolosa da attraversare. A differenza dei biofilm studiati in laboratorio, queste aggregazioni si verificano naturalmente e fanno parte di un ecosistema più ampio.
Oggi, il nostro impatto sull’ambiente spesso provoca squilibri negli ecosistemi. Ad esempio, il deflusso dei rifiuti può far sì che un’area contenga livelli di determinati nutrienti più elevati del solito. Per alcuni microrganismi, ciò significa più cibo da mangiare e, di conseguenza, le loro popolazioni potrebbero crescere in modo incontrollabile.
Per scomporre i nutrienti, alcuni microbi hanno bisogno di ossigeno e ne useranno una quantità maggiore del solito per scomporre un surplus di nutrienti. Questa rimozione di ossigeno da un ecosistema può causare problemi ad altri organismi che condividono lo stesso habitat, dando origine talvolta a zone morte.
Se vengono fornite le sostanze nutritive per crescere senza controllo, sia i microrganismi fluttuanti che i biofilm sedentari possono prosperare e utilizzare tutto l'ossigeno in un'area, rendendo un ambiente difficile o impossibile in cui vivere per altri microbi e animali.
Negli ambienti industriali, i biofilm sono una forza da non sottovalutare. Poiché la maggior parte degli impianti di produzione utilizza l'acqua per raffreddare le apparecchiature o dipende da tubazioni per il trasporto delle risorse, esiste un rischio sostanziale di sviluppare biofilm su tali apparecchiature e sistemi di tubazioni.
Secondo una stima, i biofilm causano ogni anno danni per oltre un miliardo di dollari in ambienti industriali, influenzando la salute umana e la capacità delle aziende di fabbricare i propri prodotti in modo efficiente [fonte:Montana State University CBE; Sturmann]. Gli impianti di produzione della carta sono particolarmente a rischio di problemi di biofilm, perché la produzione di carta richiede molta acqua e fornisce un ambiente caldo e nutriente per la crescita dei microrganismi [fonte:Sturman].
I biofilm possono anche influenzare negativamente la qualità dell’acqua potabile. Dopo che le acque reflue sono state trattate, scorrono attraverso tubi puliti che le trasportano ai nostri rubinetti. Ma in alcuni casi, i biofilm possono rappresentare un fastidio in questo processo. Gli scienziati degli impianti di trattamento dell'acqua hanno scoperto che nei tubi che trasportano acqua pulita si formano ancora biofilm, che ricontaminano l'acqua.
Dopo aver studiato la questione, hanno appreso che l’acqua potabile pulita e trattata contiene carbonio organico, un pasto gustoso per i batteri. Fortunatamente, la rimozione del carbonio organico dall'acqua trattata limita la formazione di questi biofilm batterici nei tubi dell'acqua pulita, garantendo all'acqua un viaggio sicuro verso il rubinetto [fonte:Sturman].
I ricercatori hanno scoperto che anche l'acqua di zavorra, l'acqua che le navi immagazzinano a prua per mantenere l'equilibrio, ospita biofilm [fonte:Drake et al.]. Organismi che vanno dai crostacei ai batteri possono essere trasportati nelle cisterne di zavorra. Ma quando le navi raccolgono l'acqua di zavorra in un porto e la rilasciano in un altro, è allora che le cose si complicano.
Lo svuotamento dell’acqua di zavorra in un nuovo ambiente offre a questi organismi non nativi un vantaggio, consentendo loro di competere con le specie autoctone per cibo e risorse. Come su altre superfici sommerse, all’interno di queste vasche possono colonizzarsi biofilm. Una volta in una vasca di zavorra, i microbi dei biofilm possono staccarsi dalla colonia o essere raschiati nel nuovo ambiente.
I ricercatori affermano che dovremmo trattare i microrganismi invasivi presenti in questi biofilm e nell'acqua di zavorra con la stessa cautela riservata ad altri organismi invasivi, perché potrebbero diffondere determinati agenti patogeni o microbi patogeni.
I microrganismi possono causare squilibri in un ambiente se le condizioni sono giuste. Ironicamente, ecco perché anche i microbi possono essere utili. Ad esempio, si è scoperto che gli stessi batteri affamati di nutrienti che scompongono il carbonio nell'acqua trattata possono anche ripristinare l'equilibrio in un'area mangiando il carbonio in eccesso quando si presenta la situazione.
Quando il petrolio finisce accidentalmente in natura (come si vede nelle fuoriuscite di petrolio), i microbi scompongono lentamente le particelle di petrolio. L’olio è costituito principalmente da carbonio e sono presenti numerosi batteri che scompongono piccole molecole di olio per utilizzarle come cibo. I biofilm quindi possono potenzialmente aiutare a ripulire i problemi ambientali.
L'utilizzo dei biofilm in questo modo è un esempio di biorisanamento, ovvero il ritorno di un ambiente da uno stato alterato a quello naturale con l'aiuto di microrganismi. Anche se raccogliere il petrolio e farlo passare attraverso un filtro a biofilm di qualche tipo non è un metodo comune per ripulire le fuoriuscite di petrolio oggi, potrebbe essere un'opzione interessante da esplorare in futuro.
I biofilm hanno il loro posto anche nell’industria mineraria. Molto spesso, il minerale prezioso viene separato dalla roccia normale negli ambienti minerari. Ma in presenza di acqua e ossigeno, alcuni tipi di roccia frantumata residua possono creare una soluzione di acido solforico se lasciati soli.
Una volta avvenuta la reazione, questo acido e altri deflussi sono difficili da ripulire e possono inquinare le fonti d’acqua vicine. Ma se si elimina una parte dell'equazione, il materiale roccioso non diventerà acido e potrà essere smaltito in modo diverso. Si scopre che posizionare batteri che formano biofilm che necessitano di ossigeno su queste rocce rimuoverà l'elemento dalla sua superficie e impedirà la formazione di questo deflusso acido [fonte:Sturman].
Oltre al biorisanamento, i biofilm possono essere utilizzati nei filtri percolatori del biofilm per trattare le acque reflue [fonte:Sturman]. In questo processo, i biofilm vengono coltivati su rocce o pezzi di plastica per eliminare i rifiuti dall'acqua che scorre lentamente.
Su piccola scala, questo processo è abbastanza efficiente, ma la maggior parte dei centri comunali di trattamento delle acque fa ancora affidamento su grandi quantità di batteri per trattare le acque reflue.
I biofilm apportano benefici anche ad altri organismi in natura. Sottoterra, i microrganismi formeranno un biofilm attorno alla rizosfera, o l'area tra le radici e il suolo, nelle piante. Le interazioni chimiche in questa relazione simbiotica garantiscono a entrambe le parti l’accesso a nutrienti che altrimenti non sarebbero disponibili. La formazione di biofilm sulle radici delle piante è uno dei tanti esempi del motivo per cui i biofilm sono ecologicamente importanti.
È difficile dire quale organismo sia stato realmente responsabile della peste bubbonica, una malattia che causò milioni di morti nel XIV secolo. Le zecche erano responsabili della diffusione della malattia dai ratti agli esseri umani, ma i ricercatori stanno esaminando più da vicino il batterio stesso, una specie chiamata Yersinia pestis.
Studi moderni mostrano che questi batteri formano un biofilm nell'area tra la struttura dell'esofago e lo stomaco della zecca, bloccandone l'assunzione di cibo e facendo morire di fame l'animale [fonte:Darby]. Allora perché la peste si diffondeva ancora se le zecche portatrici del batterio morivano di fame? Ebbene, poiché le zecche erano costantemente affamate, cercavano di mangiare più spesso e, sfortunatamente, a subire questi tentativi erano gli esseri umani.
Fonti
