BIOFILMS

Andrea VolanteJess Lpez RodrguezYurena Navarro GarcaMarisela Domnguez DomnguezDavid Garca Almeida

Ecologa de los microorganismos

BiofilmsQue es una biopelcula?

- Una biopelcula o biofilm es un complejo de agregacin, un consorcio, de microorganismos marcado por la excrecin de una matriz adhesiva protectora y que tiene un importante papel en los procesos bioqumicos de la biosfera.

- Un 95-99% de los microorganismos se desarrollan formando biofilms.ya que en la naturaleza la vida microbiana est estructurada como una asociacin en lugar de clulasplanctnicas.

- Microorganismos, especialmente los procariotas, se ven obligados a asociarse con otros microorganismos para protegerse de efectos nocivos de los factores ambientales.

Nutrientes:- Las superficies se consideran importantes para el hbitat microbiana porque pueden absorber nutrientes.-- La superficie en s misma puede ser un nutriente.-- La formacin de polmeros extracelulares aumenta la capacidad de retener nutrientes del medio.

Desarrollo del biofilm en la interfase

1) Slido Aire

2) Lquido Aire

3) Lquido Lquido (lquidos inmiscibles)

4) Slido Lquido

Estructuras tpicas de un biofilmSuperficie: Slido Lquido

1) Capa de clulas simple.2) Agregacin no estructurada de microorganismos en una matriz comn.

3) Capas de microorganismos estratificados.

4) Microorganismos que forman protuberancias en bandas.

5) Protuberancias en forma de diente.

6) Protuberancias fungiformes: estructura tridimensional con la presencia de

canales, poros y cavidades.

La formacin de una Biopelcula

1) En condiciones naturales, un slido sumergido en el agua es inmediatamente cubiertocon una pelcula de molculas que cambian las propiedades de la interfase.2) Adhesin reversible de microorganismos, colonizadores primarias (PC)

3) Adhesin irreversible y excrecin de matriz extracelular

4) Colonizadores secundarios (SC)

5) Fase de crecimiento y desarrollo de estructura tridimensional con la presencia de

canales, poros y cavidades.

6) En condiciones de crecimiento desfavorables, hay degradacin y liberacin de algunas

clulas.

Factores ambientales y propiedades de las clulas microbianas que afectan el proceso de formacin de

biofilm

- Factores especie-especficos: hidrofobicidad (la carga de superficie tambin influye en la adhesin), temperatura, pH, salinidad y concentracin de oxgeno

-- Flujo de lquido: es el principal factor que afecta tanto al desplazamiento de los microorganismos mviles como a los inmviles. La sedimentacin puede desempear un papel importante en el sistema slo con el flujo lento y slo para partculas de tamao significativo, tales como las bacterias o los grandes agregados de bacterias

- Motilidad de los microorganismos

Interrelaciones entre las componentes del biofilm

- Comensalismo y protocooperacion son las interrelaciones mas comunes entre los componentes microbianos.

Comensalismo: como el consumo de oxgeno de un microorganismo aerbico facilita el crecimiento de microorganismos anaerobios o microaerfilos.

Protocooperacin: colaboracin en la formacin o en el consumo de los productos.

Intercambio de informacin gentica

- Permite la transferencia de plsmidos o fragmentos cromosomales.- Entre los genes transferidos se encuentran genes de resistencia a antibiticos y enzimas de degradacin de materia orgnica. - Considerado como una estrategia eficaz de adaptacin.- Una frecuencia ms alta de transferencia horizontal de genes respecto a cultivos planctnicos.

- Microambientes del biofilm

Estudio de la multicelularidad

- Las biopelculas se han tomado como modelo de estudio del comportamiento multicelular de las bacterias y base de estudio en organismos superiores.

- Avances en los sistemas de deteccin de expresin de los genes y de la microscopa (SCLM) han permitido estos estudios.

- Uno de los objetivos centrales al estudiar estas estructuras es la regulacin que permite la coordinacin de los individuos en el biofilm, que es vital para el desarrollo de la matriz y el xito de sta.

- La sealizacin por va qumica (mensajeros qumicos y dianas) extra e intercelular es la base del comportamiento multicelular de los biofilms.

Microaltruismo: la PCD

-Dentro de la matriz de microcolonias maduras se han observado disoluciones que contienen una subpoblacin dispersa.

-Esto es debido a la accin de unas enzimas (ej. liasas) que degradan los polisacridos estructurales.

-Esta lisis da ventaja a clulas cercanas que se aprovechan de los nutrientes desprendidos.

PCD (muerte programada de la clula)

- La PCD es un mecanismo determinado genticamente

-Mtodos de PCD:

1.Secuencias de DNA que codifican para toxinas (plsmidos y genoma propio)2.Genes que afectan a los receptores de fagos. Fagos filamentosos

simbiticos (Pf1 profago de P. aeuroginosa codifica homlogos de protenas de PCD en E. coli) 3.Sntesis de enzimas lticas.

-La PCD toma importancia en procesos como la esporulacin B. cereus esporula con ayuda de enzmas lticas de bacteriofagos.B. subtilis y Myxococcus ssp. muerte de subpoblacin para la esporulacin

PCD (muerte programada de la clula)

-Los ciclos de vida de los biofilms pueden terminar con la dispersin de clulas para la colonizacin de nuevos enclaves.

-Estos sucesos se suelen dar en condiciones de carencia de nutrientes.

-As la especie puede explorar nuevos hbitats, pudiendo adoptar fenotipos mviles.

SOCIOMICROBIOLOGA

Estudio de cualquier comportamiento de los biofilms (asociaciones microbianas)

SISTEMA DE PERCEPCIN DEL QUORUM - AUTOINDUCCIN

Describir el comportamiento (comunicacin) de las comunidades bacterianas.

Construccin y/o disolucin de biofilms

Sistemas que modulan la expresin de los genes Homoserin- lactonas aciladas (acyl-HSL)(Gram-) Pptido de seal (Gram+) AI-2 (Gram+ y -)

Lactonas de homoserina acilada (acyl-HSL)

Cadena aclica C4 a C14 unida por enlace amido a una homoserina-lactona

Complejo de homlogos de seal Seal (enzima: sintasa familia LuxI) Receptor citoplasmtico dependiente de ADN

(familia LuxR)

Seal: pequeos pptidos lineales o cclicos Receptor: protena sensora de membrana (2

componentes)

Sistema basado en pptidos de seal (Agr)

Vibrio harveyi:

Seal extracellular: furanosyl borate diester(sntesis: genes luxS)

No estudiado completamente en otras especies

Sistema AI2

RELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE

BIOFILMS El acoplamiento (paso inicial): naturaleza de la

superficie y varios factores microbianos afectan la adhesin.

Agr (S. aureus) Homlogo LuxS (H. pilori)

Salvaje Mutante Salvaje MutanteReprime adhesinasde superficie

Unin ms eficiente

Reprime adhesinas de superficie

Unin ms eficiente (doble)

RELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE

BIOFILMS La maduracin

Biopelculas planas, homogneas Biopelculas con alta estructuracin.

Sistema acyl-HSL (S. liquefaciens)

Sistema CepI/R (B. cepacia)

Sistema ahyR/I acyl-HSL (A. hydrophila)

Sistema LuxS(S. mutans)

Salvaje Mutante swrI

Salvaje Mutante Salvaje Mutante ahyI

Salvaje Mutante

heterogneo homogneo Heterogneo (robustas)

Detencin fase microcolo-nia

Reduccin del n de biopelculasviables

Heterogneo Menor masa total

RELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE

BIOFILMS Agregacin y dispersin

Agregados formados en cultivos lquidos: caractersticas similares a comunidad de biofilms

El proceso de dispersin parece estar mediado por los sistemas de percepcin del qurum

Mutaciones en: Sintasa acyl-HSL de R. sphaeroides hiperagregacin de clulas en

cultivo lquido ypsI (regulador del sistema acyl-HSL) de Y. pseudotuberculosisagregacin en cultivo lquido

rpfF, rpfC, rpfG en Xanthomonas campestris agregados en cultivos lquidos e incremento en la formacin de biopelculas. Sistema RPF/DSF (seal desconocida) produce una manosidasaextracelular particin de xanthan (polisacrido secretado que media la agregacin intercelular) contribuye a la disolucin de agregados

hapR en V. cholerae superproduccin de exopolisacridos agregacin.

sobrevivir al paso a travs de la barrera de pH cido del estmago y promover la infeccin

Creciente evidencia: la percepcin del quorum: constituye un sistema global regulador en muchas

especies diferentes. regula la arquitectura y la dispersin de las biofilms.

Anlisis microscpico y estudios de tolerancia antimicrobiana para caracterizar biofilms

Estudios en condiciones experimentales confusas y/o contradictorias (P. aeruginosa)

Las molculas de seal difunden libremente en un bioflm?

Grado de hidrofobicidad modelo estructural Acyl-HSL: hidrofbica P. aeruginosa tiene 2 seales de acyl-HSL principales

butyryl-HSL: hidroflico 3-oxododecanoyl-HSL : hidrofbico

Degradacin de seales (fuente de energa) por lactonasas(rompen anillo de homoserina) y acilasas (rompen la cadena acil): Gradientes de seal Aislar clulas del bioflm

Las clulas de un bioflm producen molculas de seal a la misma

velocidad?

Depende del estado metablico de la clula: los sustratos para la sntesis de seal se obtienen de metabolitos generales Interior del bioflm disminucin del

metabolismo gradientes de seal

Dnde se induce por primera vez la percepcin del quorum?

Interior del bioflm (P. aeruginosa) Bioflm (S. aureus) Influenciado por:

Condiciones ambientales: fuente de carbono, tasa de flujo Estructura

del bioflm

Formacin del Bioflm y el MedioAmbiente

En el contexto de la evolucin y adaptacin es probable que los bioflms proporcionasen la homeostasis frente a condiciones fluctuantes y extremas de la tierra primitiva (temperaturas extremas, variaciones de pH y exposicin a rayos UV) proveyendo un medio ambiente suficiente para generar altas concentraciones de nutrientes, que permiti el desarrollo de interacciones complejas entre clulas individuales y la motilidad en gradientes qumicos (Quimiotaxis).

Adaptacin de la Estructura del Bioflmen el Medio Ambiente

La habilidad de las Procariotas de adoptar diferentes estructuras de Bioflms dependiendo del medio ambiente se debe a su capacidad de regulacin gentica, selectividad y de localizacin de patrones de crecimiento determinados por la cantidad de nutrientes.

1. Formando filamentos en cintas alongados en serpentinas

2. Formando mezcla compleja de algas, cianobacterias, microorganismos hetertrofos y detritos (Pheriphyton)

3. Formando un tapete microbiano (Estromatolitos)

Propiedades de los Bioflms y suAdaptacin a las superficies

Sustancia Polimrica Extracelular

(Viscoelasticidad)

Sntesis Celulosa

La modulacin de su densidad sobre s

misma

La Congregacin

Los Magnetosomas

Las Adhesinas

Funciona como un gel que le otorga al Biofilm estabilidad y lo ayuda a adherirse a las superficies

Funciona como un gel que le otorga al Biofilm estabilidad y lo ayuda a adherirse a las superficies

Ayuda a la unin a superficies de plantasAyuda a la unin a superficies de plantas

Formando diferentes niveles de columnas las cuales se sumergen en el agua para producir vesculas de gas, sntesis de carbohidratos o

formar agregados

Formando diferentes niveles de columnas las cuales se sumergen en el agua para producir vesculas de gas, sntesis de carbohidratos o

formar agregados

Incrementa la interaccin clula a clula y la tasa de sedimentacin celular; as mismo permite la

versatilidad fenotpica de las clulas hijas

Incrementa la interaccin clula a clula y la tasa de sedimentacin celular; as mismo permite la

versatilidad fenotpica de las clulas hijas

Estructuras intracelulares de mineral magntico rodeado por una membrana que causa el pasivo

alineamiento de las clulas

Estructuras intracelulares de mineral magntico rodeado por una membrana que causa el pasivo

alineamiento de las clulas

Permite adherirse no solo a superficies sino interactuar con otras bacterias

Permite adherirse no solo a superficies sino interactuar con otras bacterias

1. Propiedades del Bioflm para su adaptacin y desarrollo:1. Propiedades del Bioflm para su adaptacin y desarrollo:

Propiedades de los Bioflms y suadaptacin a las superficies

2. Ventajas de las superficies para la adaptacin y desarrollo del Biofilm:

2. Ventajas de las superficies para la adaptacin y desarrollo del Biofilm:

Proveen un espacio adecuado para ser utilizado en su desarrollo, brindndoles la estabilidad necesaria para poder crecer y poder ejecutar sus funciones catalticas localizando clulas en las proximidad de la bacterias Biofilm (Quorum Sensing).

Le brindan proteccin a la formacin de Biofilms ante los desafos del medio ambiente (la radiacin UV, metales txicos, exposicin a cidos, deshidratacin y salinidad, fagocitosis y varios agentes antimicrobianos)

Bioflms y las Enfermedades Infecciosas

Los Bioilms han sido reconocidos progresivamente como factores importantes en la patogenia de muchas infecciones humanas persistentes, incluyendo:Placa dental, caries, infeccin periodontal, otitis media, neumona por Pseudomonas en fibrosis qustica, cistitis crnica, endocarditis bacteriana, osteomielitis y prostatitis crnica as como en dispositivos mdicos (implantes), entre otros.

CateterContaminatio

n

ImplantContamination

Gum Disease

Bioflms y las Enfermedades InfecciosasInfecciones en dispositivos mdicos:

1. Catteres urinarios, endovenosos y arteriales, prtesis de vlvulas de corazn, marcapasos, prtesis ortopdicas, tubos endotraqueales, entre otros, pueden portar Biofilms provocando infecciones.

2. Los microorganismos frecuentemente asociados con las infecciones de dispositivos mdicos son el Staphyloccus seguido de Pseudomonas aeruginosa.

3. La caracterstica mas notable de la adherencia de los estafilococos colonizando implantes mdicos , es la abundante cantidad de SPE que recubre y protege las clulas de las defensas de husped y del tratamiento con antibiticos.

Bioflms y las Enfermedades InfecciosasEndocarditis Infecciosa:

1. Es una infeccin del revestimiento de las cmaras y vlvulas del corazn, causada por bacterias, hongos u otras sustancias infecciosas y el consecutivo depsito de plaquetas y fibrina; all se implantan luego los microbios aglutinados por los anticuerpos.

2. Las endocarditis relacionadas con el implante usualmente surgen en la unin de los tejidos naturales y la prtesis, originadas en su mayora, por estreptococos y estafilococos.

Las clulas endotelialessecretan fibronectina, que es utilizada como receptor por adhesinas especificas de la superficie de las bacterias que se multiplican en la lesin y forman el Biofilm.

Bioflms y las Enfermedades InfecciosasFibrosis Qustica:

1.Es una enfermedad autosmica recesiva, causada por una mutacin en un gen llamado regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis qustica (CFTR), que resulta en una disfuncionalidad en la secrecin y absorcin de electrolitos.

2.El moco glutinoso acumulado en la vas respiratorias estrechas estimula el desarrollo de microambientes bacterianos (biofilms) que resultan difciles de penetrar para las clulas inmunes y los antibiticos.

3. En una primera etapa, Staphylococcus aureus y Haemophilus influenzae colonizan e infectan los pulmones. Ms tarde, sin embargo, prevalece Pseudomonas aeruginosa.

Bioflms y las Enfermedades Infecciosas

Infeccin o enfermedad Especie bacteriana formadora de biofilm

Caries dental Cocos gram-positivos acidognicos (ej. Streptococcus)

Periodonditis Bacterias anaerbicas orales gram-negativasOtitis media Cepas no tipables de Haemophilus influenzaeInfecciones del msculo-esqueleto Cocos gram-positivos (ej. Staphylococcus)Fascitis necrotizante Streptococos Grupo AOsteomelitis Varias especies bacterianas y fngicas,

generalmente mezcladas Prostatitis bacteriana Escherichia coli y otras bacterias gram-negativasEndocarditis de la vlvula nativa Streptococcus del grupo viridansNeumona por fibrosis qustica Pseudomonas aeruginosa y Burkholderia cepaciaMeloidosis Pseudomonas pseudomalleiInfecciones nosocomiales Neumona (cuidados intensivos) Bacilos gram-negativosSuturas Staphylococcus epidermidis y Staphylococcus

aureus Orificios de salida S. epidermidis y S. aureusVas arteriovenosas S. epidermidis y S. aureusBucles esclerales Cocos gram-positivosLentes de contacto P. aeruginosa y cocos gram-positivosCistitis por catteres urinarios E. coli y otros bacilos gram-negativosPeritonitis por dilisis peritoneal Una variedad de bacterias y hongosDIU Actinomyces israelli y muchos otros

microorganismos Tubos endotraqueales Una variedad de bacterias y hongosCatteres hickman S. epidermidis y Candida albicans Catteres centrales venosos S. epidermidis y otros Vlvulas mecnicas del corazn S. epidermidis y S. aureus Injertos vasculares Cocos gram-positivosBloqueo del conducto biliar Una variedad de bacterias entricas y hongos Dispositivos ortopdicos S. epidermidis y S. aureus Prtesis del pene S. epidermidis y S. aureus

Bioflms y Resistencia a los Antibiticos

Las bacterias que conforman los Bioflmsson muy resistentes a los antibiticos, debido a diversos factores:

1. Las bajas actividades metablicas de las bacterias Biofilm (especialmente aquellas situadas ms profundamente) por limitacin de oxgeno y nutrientes.

2. Las seales intercelulares alteran la fisiologa del Biofilm.

3. La matriz del Biofilm dotada de carga negativa.

4. La existencia de poblaciones especializadas con fenotipos resistentes llamadas clulas persistentes.

5. La diversidad de poblaciones gentica ascomo fisiolgica.

Bioflms en sistemas automatizados de agua

Los bioflms son la fuente de muchas de las bacterias planctnicas en sistemas de aguas, entre las cuales se pueden encontrar patgenos secundarios como Pseudomonas aeruginosa.

Factores que afectan a la adherencia y el crecimiento del

bioflm Superficie del material: se estudia el aadir antibiticos.

rea de superficie: mayor bioflm a mayor rea.

Rugosidad de la superficie: implica un rea de superficie total ms grande que a su vez permite mayor adherencia bacteriana.

Velocidad de flujo: despreciable en la zona prxima a la superficie.

Limitacin de nutrientes: necesarios para crecer y dividirse.

Nutricin mediante el sustrato: como fuente de carbono orgnico.

Purificacin del agua: difcil alcance del nivel necesario para filtrar toda la materia orgnica.

Factores que afectan a la adherencia y el crecimiento del

bioflm

Proporciones del bioflm frente a los sistemas de riego

Grit como unidad para el acabado de una superficie: a mayor grit, menor rugosidad.

Nivel de rugosidad medido mediante profilometros.

Rugosidad media de una tuberia entre 150-180 grit(entre -34 y -14 micropulgadas).

Rango de una bacteria tpica: 12-31 micropulgadas de ancho por 40-47 micropulgadas de largo.

Proporciones entre el bioflm y los sistemas de riego

Bioflm frente a velocidad de flujo: limita el grosor del bioflm. El aumento del grosor puede dar lugar a ambientes anaerobios donde las bacterias expulsaran sustancias nocivas.

Tamao del bioflm mucho ms grande que las irregularidades de la superficie, lo que implica la poca importancia de stas en la adherencia bacteriana.

Proporciones entre el bioflm y los sistemas de riego

Biocorrosin

Agotamiento del oxgeno: provoca dao de la capa que protege la superficie, y genera ambientes anaerobios donde se generarn productos corrosivos.

Productos del metabolismo microbiano: cido actico, cido sulfrico,etc.

Mtodos de saneamiento frente a los bioflms

Biocidas oxidantes: de mayor a menor grado de efectividad seran ozono> dixido de cloro> cloro> perxido de hidrgeno.

Biocidas no oxidantes: compuestos cuaternarios de amonio, formaldehdo y agentes surfactantes.

Tratamientos fsicos: calor y eliminacin mecnica.

Resistencia a los biocidas

Los biocidas tienen muchas mas dianas de ataque a diferencia de los antibiticos que tienen pocas.

Se defienden de ellos usando su capa de polisacridos que acta como un escudo.

Estas bacterias son mas difciles de matar y retirar cuando se realiza un saneamiento, por lo que se suele dar una recuperacin rpida del bioflm.

El bioflm restante puede contener suficientes bacterias que no necesitan una fase estacionaria en situaciones de recrecimiento.

El bioflm residual hace la superficie mas rugosa.

El cloro suele retirar el polisacrido pero no las bacterias.

Comportamiento de los organismos supervivientes a estos ataques con cloro.

Seleccin de los organismo menos sensibles al saneamiento qumico.

Factores que pueden influir en la rpida recuperacin

Deteccin y contaje de bacterias

El mtodo de contaje tradicional no tiene porque reflejar la realidad.

Liberacin mnima de bacterias al medio del que tomamos la muestra.

Problemas al contar colonias aisladas. Medios de crecimiento no adecuados. Grandes fluctuaciones temporales en el contaje

de bacterias de zonas puntuales de nuestra superficie.

Aplicacin de bioflms: Biorremediacin

- Los biofilms son empleados como mtodo de inmovilizacin de bacterias en biorremediacin.

- Se emplean en tratamiento de aguas por:

1. Mayor resistencia a la toxicidad

2. Menor impacto ante variaciones de pH y T

3. Mayor eficacia degradacin (diversidad enzimtica, utilizacin de subproductos)

4. Posibilidad de intercalar en poco espacio procesos aerobios y anaerobios (eliminacin de nitrato).

Aplicacin de bioflms: Biorremediacin

-La aplicacin de biofims se da en reactores de lecho fijo o en suspensin

-Ejemplos:

1.Biodiscos2.Reactores de lecho en suspensin (flujo ascendente, etc.)

Ejemplos de biorremediacin con biofilms

BIODISCOS

REACTOR LECHO EN SUSPENSIN

BiofilmsBiofilmsDesarrollo del biofilm en la interfaseEstructuras tpicas de un biofilmLa formacin de una BiopelculaFactores ambientales y propiedades de las clulas microbianas que afectan el proceso de formacin de biofilmInterrelaciones entre las componentes del biofilmEstudio de la multicelularidadMicroaltruismo: la PCDPCD (muerte programada de la clula)PCD (muerte programada de la clula)SOCIOMICROBIOLOGASISTEMA DE PERCEPCIN DEL QUORUM - AUTOINDUCCINLactonas de homoserina acilada (acyl-HSL)Sistema AI2RELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE BIOFILMSRELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE BIOFILMSRELACIN: PERCEPCIN DEL QUORUM-FENOTIPO DE BIOFILMSLas molculas de seal difunden libremente en un bioflm?Las clulas de un bioflm producen molculas de seal a la misma velocidad?Dnde se induce por primera vez la percepcin del quorum?Formacin del Bioflm y el Medio AmbienteAdaptacin de la Estructura del Bioflm en el Medio AmbientePropiedades de los Bioflms y su Adaptacin a las superficiesPropiedades de los Bioflms y su adaptacin a las superficiesBioflms y las Enfermedades Infecciosas Bioflms y las Enfermedades Infecciosas Bioflms y las Enfermedades Infecciosas Bioflms y las Enfermedades Infecciosas Bioflms y las Enfermedades Infecciosas Bioflms y Resistencia a los AntibiticosBioflms en sistemas automatizados de aguaFactores que afectan a la adherencia y el crecimiento del bioflm Factores que afectan a la adherencia y el crecimiento del bioflm Proporciones del bioflm frente a los sistemas de riego Proporciones entre el bioflm y los sistemas de riego Proporciones entre el bioflm y los sistemas de riego Biocorrosin Mtodos de saneamiento frente a los bioflms Resistencia a los biocidas Factores que pueden influir en la rpida recuperacin Deteccin y contaje de bacterias Aplicacin de bioflms: BiorremediacinAplicacin de bioflms: BiorremediacinEjemplos de biorremediacin con biofilms