Las biopelículas son organizaciones microbianas compuestas por microorganismos que se adhieren a las superficies gracias a la secreción de un exopolímero. Estas conformaciones microbianas presentan características como heterogeneidad, diversidad de microambientes, resistencia a antimicrobianos y capacidad de comunicación intercelular que las convierten en complejos difíciles de erradicar de los ambientes donde se establecen. En el hombre las biopelículas se asocian con un gran número de procesos infecciosos que por lo general son de transcurso lento, ocasionando que su control sea dispendioso. En el área industrial y del medio ambiente el papel de las biopelículas se centra en el biofouling y la biorremediación. El biofouling es la contaminación de un sistema producido por la actividad microbiana de la biopelícula, mientras que la biorremediación utiliza las biopelículas para mejorar las condiciones de un sistema contaminado. El estudio de las biopelículas es un área excitante en continua evolución; tienen repercusiones importantes para la humanidad las implicaciones que presentan estas asociaciones en los diversos ámbitos de la medicina y la industria.
El término biopelícula es un neologismo introducido en 1995 por Bill Costerton, reconocido como fundador del campo de estudio sobre las biopelículas En sus estudios analizan las características de ciertos microorganismos que, adheridos a las superficies, van formando verdaderas comunidades de complejos microbianos que viven, interactúan y funcionan en diferentes ecosistemas.
Las biopelículas pueden tener impacto en la salud (simbiosis) y en el desarrollo de diversas enfermedades infecciosas produciendo disbiosis.
El enfoque multidisciplinario para el estudio de las biopelículas forjó una forma común de pensar sobre las formas en que los microorganismos sobreviven y funcionan en cada medio ambiente, así como en los contextos del área médica, odontológica, industrial, agrícola, ingeniería y en otros tipos.
Una biopelícula puede contener aproximadamente un 15% de células y un 85% de matriz extracelular. Esta matriz generalmente está formada de exopolisacáridos, que forman canales por donde circulan agua, enzimas, nutrientes, y residuos. Allí las células establecen relaciones y dependencias: viven, cooperan y se comunican a través de señales químicas (percepción de cuórum), que regulan la expresión de genes de manera diferente en las distintas partes de la comunidad, como un tejido en un organismo multicelular.
Para adaptarse a una biopelícula, las bacterias hacen cambios importantes en su estructura y metabolismo. Los avances en proteómica y genómica han permitido identificar genes y proteínas que se encienden y se apagan a través de las diferentes etapas de desarrollo de la comunidad. La expresión génica de las biopelículas es bastante distinta a la de las células planctónicas ya que los requerimientos y organizaciones son muy diferentes y es necesaria una sincronización de eventos para vivir en comunidad; bastantes estudios han tratado de dilucidar cuales son los cambios y las ventajas de este tipo de organización respecto a la vida planctónica.
Ya que crecen en cualquier superficie en donde se adhieren, las biopelículas están asociadas a la naturaleza crónica de infecciones como las que se presentan en los pulmones de pacientes con fibrosis quística, se ha encontrado que más del 60% de las infecciones bacterianas, son causadas por biopelículas. Por este motivo, han sido ampliamente estudiadas y se consideran una amenaza clínica contundente ya que son capaces de crecer en catéteres e implementos médicos y quirúrgicos.
BASES QUÍMICAS Y FISICOQUÍMICAS
El proceso de formación de las biopelículas inicia con la adherencia de células a la superficie, formando micro-colonias por la activación de sus genes, con la producción de EPS y una subsecuente maduración de la biopelícula. El mecanismo de adhesión al sustrato puede ser activo o pasivo dependiendo de la motilidad de las células. Una adhesión pasiva se da por la gravedad, difusión y dinámica del fluido. En una adhesión activa la superficie de la célula bacteriana facilita el proceso. Los flagelos, permiten la movilidad de las células hasta el sitio específico de adhesión y los pili, proteínas de adhesión, cápsulas y carga de las superficies, facilitan el proceso de agregación y adhesión.
Por medio de observaciones de microscopía en fase de contraste, se ha encontrado que antes de la adhesión, las células bacteriales exploran el área donde se van a fijar, y generalmente se localizan donde se encuentran células de las mismas especies, si las hay, formando mono-capas de células sobre la superficie colonizada.
Estas observaciones directas de las células demuestran que las mismas pueden percibir su proximidad a la superficie. A continuación, las células inician su estado de adhesión y formación de biopelícula, y deben producir nuevo material exopolisacárido para consolidar su adhesión a la superficie y a otras células bacteriales. En el proceso de adhesión inicial de las células, existe un estado reversible, seguido de uno irreversible. La fase reversible involucra fuerzas físicas como las electrostáticas y estéricas, Van der Waals e interacciones hidrofóbicas, conocidas en conjunto como la DVLO (Derjaguin, Verwey, Landau y Overbeek). Ésta ha sido usada para describir la interacción neta entre la célula y la superficie plana como un balance entre dos factores aditivos. Las interacciones de Van der Waals son de atracción y las interacciones de repulsión se dan por la superposición entre el sustrato y la célula (doble capa eléctrica). Este amplio rango de fuerzas es conocido como fisisorclón. En este estado, la bacteria muestra un movimiento browniano y puede ser fácilmente removida. Las células microbianas planctónicas suspendidas en el flujo son trasportadas hasta la superficie por dichas fuerzas físicas o por apéndices bacterianos como los flagelos. Factores como la energía disponible, la funcionalidad de la superficie, orientación bacterial, condiciones de temperatura y presión, son variables locales del ambiente que contribuyen a la adhesión bacterial. Si las fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción, la bacteria se separa de la superficie, lo que podría ocurrir probablemente antes del acondicionamiento del sustrato.
En la segunda fase, un número de células adsorbidas, reversiblemente, permanecen inmovilizadas y se adsorben irreversiblemente por los apéndices físicos de la bacteria (flagelos, pili y fimbrias) que superan las fuerzas físicas repulsivas de la doble capa eléctrica. Además, el contacto de los apéndices estimula las reacciones químicas de oxidación e hidratación, permitiendo la formación de enlaces con la superficie. Por lo anterior, se requiere un mayor esfuerzo para remover la bacteria por la formación de fibrillas poliméricas, las cuales forman un puente entre la célula bacterial y el sustrato, y habilitan la asociación irreversible con la superficie. Este tipo de uniones toman entre 20 minutos hasta cuatro horas para formarse, a una temperatura de 20°C, pero son tan fuertes que impiden la remoción de estas colonias ya formadas. Por ello los medios para removerlas requieren tratamientos químicos fuertes, aplicación de enzimas, detergentes, sanitizantes, surfactantes y/o condiciones de calor extremas.
