Quando os biofilmes microbianos unem grãos sedimentares, eles podem formar estromatólitos como estes na costa de Austrália. iStockphoto/Thinkstock A princípio, não está claro o que a placa dentária, o lodo persistente no ralo do chuveiro e uma pedra submersa escorregadia têm em comum, além do fato de que podem ser uma dor de cabeça – ou dor de dente – para remover. A olho nu, é quase impossível ver o que é responsável por estas superfícies alinhadas.
Se você olhar mais de perto, com a ajuda de um microscópio, perceberá que essas agregações viscosas são tudo menos monótonas. Cada biofilme consiste em pequenas comunidades de diversos microrganismos vivos unidos em uma matriz adesiva espessa. Quem imaginaria que o acúmulo sujo em seu vaso sanitário é um aglomerado complexo de células vivas e comunicantes?
Embora Antoni van Leeuwenhoek, o descobridor das bactérias, tenha descrito formações semelhantes quando estudou a sua própria placa dentária no século XVII, foi só no século XX que os cientistas tiveram as ferramentas necessárias para observar mais de perto como as estruturas se desenvolvem. [fontes:Montana State University CBE, Costerton e Wilson].
Essas colônias, também chamadas de biofilmes, se formam quando microorganismos únicos se ligam a uma superfície hidratada e passam por uma "mudança de estilo de vida", desistindo da vida como uma única célula para viver em uma superfície em uma matriz celular adesiva com outros microorganismos [fonte:Lemon et al .]. Algumas definições afirmam que as células do biofilme "se fixam irreversivelmente" a uma superfície, o que significa que um enxágue suave não pode removê-las [fonte:Donlan].
Mas por que deveríamos nos preocupar com os biofilmes?
Para começar, podem aderir a superfícies vivas e não vivas (incluindo seres humanos), criar problemas na área médica, alterar práticas de produção industrial e até contribuir para a limpeza ambiental. Além disso, alguns pesquisadores estimam que os biofilmes constituem mais da metade da biomassa mundial [fontes:Montana State University CBE; Sturman]. Os biofilmes são tão abundantes que é surpreendente que não os notemos mais.
Conteúdo
Formação de biofilme
Colonização e desenvolvimento de biofilme
Colonização microbiana e desenvolvimento de biofilme
Interação do biofilme:a vida dentro do biofilme
Biofilme e problemas médicos
Biofilme e problemas médicos
Danos do biofilme ao meio ambiente
Biofilme e Indústria
Benefícios dos biofilmes
Formação de biofilme
Os blocos de construção dos biofilmes são microorganismos, ou organismos pequenos demais para serem vistos a olho nu. Diferentes espécies de bactérias, protozoários, algas, leveduras e fungos podem formar biofilmes. Com a maioria dos biofilmes variando de alguns mícrons a centenas de mícrons (um mícron equivale a um milionésimo de metro) de espessura, não é de admirar que os cientistas prefiram usar microscópios para estudá-los.
Então, quais são os ingredientes para o desenvolvimento do biofilme?
Geralmente, basta uma superfície hidratada e submersa em água ou alguma outra solução aquosa, microrganismos e condições favoráveis. No entanto, nem todos os biofilmes crescem ao mesmo ritmo ou requerem condições semelhantes para sobreviver – diferentes tipos de células microbianas têm necessidades diferentes. Ainda assim, alguns fatores que podem afetar a fixação e o crescimento do biofilme, independentemente da espécie, incluem:
A disponibilidade de nutrientes na amostra hidratada
As características físicas e químicas da superfície do biofilme, incluindo sua polaridade
A espessura da camada de condicionamento ou material já aderido à superfície
níveis de pH
Temperatura
A quantidade de cisalhamento, ou taxa de fluxo de água, na amostra
Presença de agentes antimicrobianos
O número de espécies na amostra
Se os microrganismos conseguem se mover por conta própria
As estruturas celulares do micróbio (apêndices)
Os tipos de interações metabólicas entre as células
Em última análise, é essencial compreender que os microrganismos não “pensam” necessariamente enquanto formam um biofilme; isso só acontece se as condições forem favoráveis. Se o fluxo de água empurrar um micróbio ou ele acidentalmente esbarrar em uma superfície, ele pode ou não se fixar na primeira vez – ou mesmo não se fixar.
Não está claro o que faz com que uma célula se ligue a uma superfície, e alguns pesquisadores dizem que uma combinação de fatores – incluindo taxas de cisalhamento, forças eletrostáticas, camadas de condicionamento (resíduos já na superfície) e nutrientes disponíveis para o microrganismo – é mais influente do que um único fator [fonte:Sturman].
Com os microrganismos muitas vezes à mercê dos seus ambientes, é incrível como algo tão pequeno como uma bactéria consegue agarrar-se a uma superfície para se instalar no seu novo lar.
Colonização e desenvolvimento de biofilme
Os biofilmes geralmente crescem como algas em torno de fontes termais, criando uma exibição de cores brilhantes. iStockphoto/Thinkstock
Colonização Microbiana e Desenvolvimento de Biofilme
A transição de um microrganismo em movimento livre para um imóvel distingue os biofilmes das células que crescem em um tubo de ensaio. Mas como podem os microrganismos aderir a uma superfície a longo prazo?
Controle Genético
Primeiro, você precisa saber que, uma vez que uma célula flutuante inicia um biofilme ou se torna parte de um já existente, ela usa genes diferentes para criar proteínas e outras substâncias para ajudá-la a se adaptar ao seu novo estilo de vida.
“Desligar” e “ligar” genes pode mudar o comportamento da célula. Por exemplo, alguns genes controlam se um micróbio pode mover-se de forma independente, enquanto outros podem ordenar que a célula fique dormente se as condições forem adversas. Os genes humanos podem fazer a mesma coisa. Por exemplo, os genes responsáveis pela produção de lactase (a enzima que permite aos bebés digerir o leite) podem “desligar-se” após o desmame, manifestando-se como intolerância à lactose [fonte:Bowen].
Protegendo a Colônia
Independentemente da espécie, todos os biofilmes contêm uma substância polimérica extracelular (EPS) [fonte:Lemon et al.]. Pense no EPS como parte de uma matriz extracelular pegajosa (fora da célula) de açúcares, proteínas e outro material genético liberado pelas células em comunidades de biofilme. Os EPS não só ajudam a manter unidas as células de um biofilme, mas também desempenham um papel significativo na proteção da colónia. O EPS geralmente constitui a maior parte da massa de um biofilme [fonte:Christenson and Characklis].
Depois de se fixar em uma superfície, uma célula produzirá uma matriz de biofilme pegajosa com EPSs para enraizar-se melhor e facilitar a adesão de outras células à colônia. Uma vez que outras células aderem à matriz extracelular e decidem ficar, elas também produzem uma matriz adesiva.
Vida Comunitária
Antes que você perceba, os micróbios do biofilme criaram uma elaborada estrutura tridimensional de biofilme que, quando vista ao microscópio, lembra torres pegajosas.
Embora alguns biofilmes tenham apenas algumas células, outros podem ter milhões – e às vezes milhares de milhões – de células entrelaçadas numa única matriz de biofilme. Mas, como observaremos mais tarde, o crescimento do biofilme pode ser retardado ou interrompido às vezes, principalmente pela competição entre células e fatores ambientais [fonte:Sturman].
Curiosamente, a vida comunitária também torna mais fácil para as células enviarem sinais umas às outras através da detecção de quórum. Esta atividade ajuda as células a transmitir informações sobre seus vizinhos e o ambiente circundante.
Sabe-se que a detecção de quorum causa mudanças no comportamento celular e pode fornecer informações sobre por que as células se separam dos biofilmes; no entanto, os cientistas ainda não compreenderam completamente o significado desses sinais [fonte:Donlan].
Interação do biofilme:a vida dentro do biofilme
Em certo sentido, os biofilmes são como cidades. Semelhante aos moradores das cidades, os microorganismos deixam a vida solitária para viver em comunidade [fonte:Watnick e Kolter]. Usaremos a analogia de Watnick e Kolter descrevendo os biofilmes como “cidades de micróbios” para entender como as células de um biofilme interagem.
Lar Doce Lar
Como discutimos anteriormente, os micróbios colonizam superfícies para construir a base de um biofilme. Antes de se estabelecerem, algumas células se movimentam usando flagelos ou outras estruturas móveis até encontrarem um local adequado para ficar – da mesma forma que os novos moradores da cidade visitam bairros diferentes antes de escolher uma casa.
Depois de se mudarem, os novos residentes podem adicionar um cômodo à sua nova casa para criar mais espaço para as pessoas em uma casa lotada. Em comparação, as células de um biofilme produzirão essas substâncias poliméricas extracelulares (EPSs) para incluir novas células externas e outras criadas dentro da comunidade.
Sinais e Limites
A um nível básico, tanto as cidades como os biofilmes oferecem aos seus residentes protecção contra forças externas. Para bactérias de biofilme, essas forças podem ser o tratamento com antibióticos ou até mesmo o sistema imunológico humano [fonte:Lemon et al.]. Os cientistas acham que a espessura e densidade geral de um biofilme fornecem alguma proteção [fonte:Montana State University CBE].
Além disso, a comunicação com seus vizinhos pode ser mais fácil se você morar mais perto deles. O mesmo princípio se aplica às células em um biofilme durante a detecção de quorum, quando as células estão próximas o suficiente para sinalizar de forma eficaz. Os pesquisadores levantam a hipótese de que os biofilmes também podem usar a detecção de quorum para estabelecer limites entre diferentes colônias de biofilmes [fonte:Watnick e Kolter]. Viver em biofilmes facilita a conjugação das células, o principal mecanismo de transferência horizontal de genes.
Elasticidade
Outro conceito importante a lembrar é que as estruturas do biofilme são flexíveis. A maioria dos cientistas usa o termo viscoelástico para descrever biofilmes, o que significa que eles podem ser esticados como massa quando o fluxo de um líquido puxa ou empurra a colônia [fonte:Montana State University CBE]. Essas forças de cisalhamento, ou taxas de fluxo de líquido, podem moldar uma colônia de biofilme e fazer com que os aglomerados se desconectem ou caiam.
Desapego
E se os nossos recém-chegados à cidade se cansarem de viver numa área movimentada? Eles podem se mudar para outro lugar. As células num biofilme podem fazer o mesmo, separando-se da colónia, recuperando a sua mobilidade e continuando a vida como microrganismos flutuantes. O destacamento pode ser uma tarefa mais desafiadora para células incorporadas abaixo de outras camadas de células e EPSs.
Após se separar, um micróbio pode iniciar um novo biofilme ou juntar-se a outra comunidade celular estabelecida. Não sabemos o que causa o distanciamento, mas os cientistas dizem que o tipo de espécie, as pressões ambientais e a competição dentro do biofilme desempenham um papel. Tal como os humanos e outros animais, os microrganismos muitas vezes mudam-se para outros lugares para sobreviver quando as coisas ficam difíceis.
Biofilme e problemas médicos
A formação de biofilme em um cateter permanente, como este mostrado em uma micrografia eletrônica, pode levar a infecções por estafilococos. Imagem cortesia CDC/Rodney M. Donlan, Ph.D; Janice Carr
Biofilme e problemas médicos
Você já se perguntou por que é necessário limpar os dentes no dentista? Você já escova os dentes sozinho, certo?
Biofilmes Microbianos
Infelizmente, embora escovar os dentes e usar fio dental remova parte da placa dentária, um biofilme encontrado nos dentes, você não conseguirá remover tudo. Se a placa dentária se acumular em áreas de difícil acesso, ela pode endurecer, causando cáries e periodontite (infecção gengival).
Fora da boca, os problemas de saúde relacionados ao biofilme são mais comuns do que você imagina. Até 80% das infecções microbianas humanas são infecções associadas ao biofilme [fonte:Khatoon et al.]. Os biofilmes fortalecem as comunidades microbianas, o que é uma boa notícia para os micróbios, mas não tão boa para quem luta contra uma infecção por biofilme.
Biofilmes bacterianos
A estrutura do biofilme pode promover resistência antimicrobiana (RAM). Alguns micróbios, como a espécie bacteriana Staphylococcus epidermidis, apresentam “resistência ao biofilme”, o que significa que os compostos antimicrobianos são menos eficazes quando o S. epidermidis forma um biofilme do que quando as células bacterianas são células planctónicas isoladas. Infelizmente, os testes de antibióticos geralmente acontecem com bactérias planctônicas, e não com um biofilme bacteriano [fonte:Koch et al.].
As infecções relacionadas ao biofilme podem causar problemas de saúde, desde uma dor de ouvido comum até uma infecção bacteriana específica encontrada em pessoas com uma doença genética chamada fibrose cística.
Os biofilmes são uma área específica de preocupação para pacientes com dispositivos médicos implantados como:
Cateteres ou tubos inseridos no corpo para administrar tratamento ou remover fluidos corporais (especialmente cateteres venosos centrais e cateteres urinários)
Articulações protéticas
Válvulas cardíacas mecânicas
Marca-passos
Lentes de contato
Tubos endotraqueais, usados para ajudar na respiração ou administrar anestesia
Em ambientes hospitalares, os micróbios podem entrar no corpo de um paciente quando transferidos para um dispositivo médico por visitantes, funcionários do hospital ou pelo próprio paciente, razão pela qual a higiene é crucial. As infecções por estafilococos, por exemplo, podem resultar de biofilmes infecciosos contendo bactérias Streptococcus. Os biofilmes de Staphylococcus aureus são notórios por sua persistência bacteriana.
Remoção de biofilmes perigosos
Livrar-se de um biofilme bacteriano, especialmente se ele contiver bactérias estafilococos, pode ser um desafio para pacientes com implantes, mas existem algumas opções. A remoção do implante às vezes resolve, mas não necessariamente ajuda na adesão bacteriana ao tecido vivo [fonte:Donlan].
Outras técnicas incluem a aplicação de doses mais substanciais de medicamentos antimicrobianos na superfície do implante antes de ele ser colocado no paciente ou a experimentação com implantes revestidos de prata, que possui propriedades antimicrobianas.
Infelizmente, não existe um tratamento universal para biofilmes médicos a longo prazo. Prevenir a formação de biofilmes é a tática mais promissora. Os pacientes devem sempre consultar seus médicos sobre possíveis tratamentos para infecções por biofilme.
Danos do biofilme ao meio ambiente
Os micróbios comunitários podem adaptar-se para viver em muitas superfícies, incluindo os nossos dentes e o nosso corpo, mas a grande maioria dos biofilmes são encontrados na natureza. Por exemplo, você pode sentir a presença de biofilmes nas rochas em um corpo de água raso, criando uma superfície escorregadia para atravessar. Ao contrário dos biofilmes estudados em laboratório, estas agregações ocorrem naturalmente e fazem parte de um ecossistema maior.
Hoje, o nosso impacto no ambiente resulta frequentemente em desequilíbrios nos ecossistemas. Por exemplo, o escoamento de resíduos pode fazer com que uma área tenha níveis mais elevados de certos nutrientes do que o normal. Para alguns microrganismos, isto significa mais comida para comer e, como resultado, as suas populações podem crescer descontroladamente.
Para decompor os nutrientes, alguns micróbios necessitam de oxigênio e usarão mais do que o normal para decompor o excedente de nutrientes. Esta remoção de oxigénio de um ecossistema pode causar problemas a outros organismos que partilham o mesmo habitat, resultando por vezes em zonas mortas.
Se receberem os nutrientes para crescerem descontroladamente, tanto os microrganismos flutuantes como os biofilmes sedentários podem florescer e utilizar todo o oxigénio de uma área, tornando um ambiente difícil ou impossível de viver para outros micróbios e animais.
Biofilme e Indústria
Em ambientes industriais, os biofilmes são uma força a ser reconhecida. Como a maioria das instalações de produção utiliza água para resfriar equipamentos ou depende de tubulações para transportar recursos, existe um risco substancial de desenvolvimento de biofilmes nesses equipamentos e sistemas de tubulação.
De acordo com uma estimativa, os biofilmes causam danos no valor de mais de um bilhão de dólares todos os anos em ambientes industriais, afetando a saúde humana e a capacidade das empresas de fabricar seus produtos com eficiência [fonte:Montana State University CBE; Sturman]. As instalações de fabricação de papel correm especialmente risco de problemas de biofilme, porque a fabricação de papel requer muita água e fornece um ambiente quente e nutritivo para o crescimento de microorganismos [fonte:Sturman].
Os biofilmes também podem afetar negativamente a qualidade da água potável. Depois que as águas residuais são tratadas, elas fluem por canos limpos que as transportam até nossas torneiras. Mas, em alguns casos, os biofilmes podem ser um incômodo nesse processo. Cientistas de estações de tratamento de água descobriram que ainda se formam biofilmes nas tubulações que transportam água limpa, o que recontamina a água.
Depois de estudarem o assunto, aprenderam que a água potável que foi tratada contém carbono orgânico – uma refeição saborosa para as bactérias. Felizmente, a remoção do carbono orgânico da água processada limita a formação desses biofilmes bacterianos nas tubulações de água limpa, garantindo à água uma viagem segura até a torneira [fonte:Sturman].
Biofilmes e espécies invasoras
Os pesquisadores descobriram que a água de lastro, a água que os navios armazenam na proa para se equilibrar, também abriga biofilmes [fonte:Drake et al.]. Organismos que vão desde mariscos a bactérias podem ser transportados em tanques de lastro. Mas quando os navios coletam água de lastro em um porto e a liberam em outro, é aí que as coisas ficam complicadas.
O esvaziamento da água de lastro num novo ambiente dá uma vantagem a estes organismos não nativos, permitindo-lhes vencer a competição com as espécies nativas por alimentos e recursos. Assim como em outras superfícies submersas, os biofilmes podem colonizar o interior desses tanques. Uma vez no tanque de lastro, os micróbios dos biofilmes podem se separar da colônia ou ser eliminados no novo ambiente.
Os investigadores dizem que devemos tratar os microrganismos invasores nestes biofilmes e na água de lastro com o mesmo cuidado que outros organismos invasores, porque podem espalhar certos agentes patogénicos ou micróbios causadores de doenças.
Benefícios dos Biofilmes
Os microrganismos podem causar desequilíbrio em um ambiente se as condições forem adequadas. Ironicamente, é por isso que os micróbios também podem ser benéficos. Por exemplo, verifica-se que as mesmas bactérias famintas por nutrientes que decompõem o carbono na água tratada também podem restaurar o equilíbrio de uma área ao consumir o excesso de carbono quando a situação surge.
Recuperando-se de derramamentos de óleo
Quando o petróleo acaba acidentalmente na natureza (como visto em derramamentos de petróleo), os micróbios decompõem lentamente as partículas de petróleo. O petróleo é feito principalmente de carbono e há uma variedade de bactérias que decompõem pequenas moléculas de óleo para alimentação. Os biofilmes, então, podem potencialmente ajudar a limpar a bagunça ambiental.
Usar biofilmes dessa forma é um exemplo de biorremediação, ou seja, devolver um ambiente de um estado alterado ao seu estado natural com a ajuda de microrganismos. Embora coletar óleo e passá-lo por algum tipo de filtro de biofilme não seja um método comum para limpar derramamentos de óleo hoje, pode ser uma opção interessante a ser explorada no futuro.
Mineração Responsável
Os biofilmes têm até o seu lugar na indústria mineira. Muitas vezes, o minério valioso é separado da rocha normal em ambientes de mineração. Mas na presença de água e oxigênio, certos tipos de restos de rocha britada podem criar uma solução de ácido sulfúrico se deixados sozinhos.
Uma vez que a reação ocorre, esse ácido e outros escoamentos são difíceis de limpar e podem poluir as fontes de água próximas. Mas se você retirar uma parte da equação, o material rochoso não se tornará ácido e poderá ser descartado de maneira diferente. Acontece que a colocação de bactérias formadoras de biofilme que precisam de oxigênio nessas rochas removerá o elemento de sua superfície e impedirá a formação desse escoamento ácido [fonte:Sturman].
Tratamento de Águas Residuais
Além da biorremediação, os biofilmes podem ser usados em filtros de biofilme para tratar águas residuais [fonte:Sturman]. Neste processo, biofilmes são cultivados em rochas ou pedaços de plástico para limpar os resíduos da água que escorre lentamente.
Em pequena escala, este processo é suficientemente eficiente, mas a maioria dos centros municipais de tratamento de água ainda depende de grandes quantidades de bactérias para tratar águas residuais.
Flora Amigável
Os biofilmes também beneficiam outros organismos da natureza. No subsolo, os microrganismos formarão um biofilme ao redor da rizosfera, ou a área entre as raízes e o solo, nas plantas. As interações químicas nesta relação simbiótica concedem a ambas as partes acesso a nutrientes que de outra forma não estariam disponíveis. A formação de biofilme nas raízes das plantas é um dos muitos exemplos de porque os biofilmes são ecologicamente importantes.
Peste Negra, Carrapatos e — Biofilmes?
É difícil dizer qual organismo foi realmente responsável pela peste bubônica, doença que causou milhões de mortes no século XIV. Os carrapatos foram responsáveis pela propagação da doença dos ratos para os humanos, mas os pesquisadores estão examinando mais de perto a própria bactéria – uma espécie chamada Yersinia pestis.
Estudos modernos mostram que essas bactérias formam um biofilme na área entre a estrutura do esôfago e o estômago do carrapato, bloqueando a ingestão de alimentos e matando o animal de fome [fonte:Darby]. Então, por que a peste ainda se espalhava se os carrapatos que transportavam a bactéria morriam de fome? Bem, como os carrapatos estavam constantemente com fome, eles tentaram comer com mais frequência, e os humanos, infelizmente, foram vítimas dessas tentativas.
Muito mais informações
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Biofilmes e infecções associadas a dispositivos
Fontes
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