Crescita su superficie/substrato (crescita sessile): BIOFILM Crescita libera in medio acquoso (crescita planctonica, cellule ‘uguali’) Crescita su superficie/substrato (crescita sessile): Colonia (cellule ‘uguali’ ma segregate, cellule differenziate) Feltri microbici (multistrati di batteri e archea, in genere all’interfaccia di ambienti umidi/acquosi, ambienti interni differenziati, secrezioni coesive) Biofilm Colonie di Aspergillus
Definizione di biofilm: Matrice composita e strutturata di cellule microbiche e sostanze cellulari autoprodotte (secrete) adesa ad una superficie Le sostanze esocellulari sono principalmente polimeri La superficie di adesione è in genere l’interfaccia con una fase liquida La superficie può essere supporto e/o substrato La popolazione microbica può essere a singola o multi-specie Spessore ridotto e non stratificato Specie batteriche che formano biofilm: Acinetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Azospirillum, Bacillus, Brevibacterium, Burkholderia, Corynebactrium, Flavobacterium, Kurtia, Listeria, Micrococcus, Kocuria, Pseudomonas, Staphylococcus, Vibrio
Struttura BIOFILM: Cellule impilate Esopolimeri altamente idratati (polisaccaridi, lipolisaccaridi, proteine, glicoproteine, lipidi, enzimi) Pori e canalizzazioni orizzontali per il passaggio dei fluidi e intrappolamento detriti I sostituenti acidi degli esopolimeri catturano ioni metallici Zone di distacco e rilascio di cellule
La vita nel biofilm Le condizioni chimico-fisiche dell’habitat (nicchia ecologica) determinano lo sviluppo del biofilm La comunicazione tra cellule è alla base dello sviluppo del biofilm (quorum sensing): molecole ‘segnale’ (acil-omoserina lattone AHL e derivati, peptidi autoinduttori AIP, etc) Il biofilm definisce/delimita una comunità microbica (microambiente) Cellule interdipendenti Stile di vita ‘collettivo’ nel biofilm Le cellule nel biofilm non sono tutte uguali (fisiologicamente e metabolicamente, aerobiche e anaerobiche, varianti genetiche/mutanti, sub-popolazioni): nel biofilm ci sono ‘microambienti’ differenti che generano eterogeneità Tutte le fasi di crescita sono rappresentate (cfr crescita planctonica) Scarsità dei nutrienti nel biofilm
Composizione del BIOFILM
Microambienti nel biofilm e composizione cellulare Funzione protettiva del biofilm
Il biofilm è correlato alla patogenicità delle cellule che lo compongono: È una struttura ancorata al tessuto difficilmente eradicabile Fornisce protezione ai microrganismi da: Anticorpi Antibiotici Molecole battericide Fagi Barriera fisica, adsorbimento, diffusione rallentata Inattivazione del biocida da enzimi extracellulari o rilasciati dalla lisi delle cellule perimetrali > bilancio diffusione/inattivazione biocida > gradiente decrescente di tossicità Limitazione della crescita (scarsezza di nutrienti nel biofilm) > minore sensibilità al biocida Trasmissione orizzontale di DNA > selezione e diffusione di specie/varietà resistenti > eterogeneità della popolazione microbica ext/int Specie non patogene diventano patogene se fanno biofilm (specie negli immunodepressi): Staphylococcus epidermidis Pseudomonas aeruginosa
La formazione del biofilm è un fenomeno: Multifattoriale Dinamico Complesso Sensibile a variabili biologiche del microrganismo (genetiche, fisiologiche), ecologiche (interazione con l’ospite) e chimico-fisiche (idrodinamiche, composizione e struttura delle superfici) Si identificano 5 fasi: Condizionamento della superficie Colonizzazione della superficie (1) Ancoraggio delle cellule (2) Costruzione e diffusione del biofilm (3 & 4) Maturazione del biofilm (5)
Formazione del biofilm La superficie può essere inorganica o organica (tessuti) Il condizionamento della superficie è l’adsorbimento dalla fase acquosa alla superficie di sostanze (soluti o particolato) che stimolano l’adesione delle cellule planctoniche e ne permettono la crescita cellulare Adesione: interazione cellula-superficie prima tramite interazioni elettrostatiche poi tramite proteine di superficie, pili o flagelli. Evento determinante per lo sviluppo del biofilm Ancoraggio: irreversibilità dell’adesione tramite la produzione di materiale esocellulare (polisaccaridi), formazione di legami covalenti, duplicazione cellulare e genesi di un primo strato Costruzione del biofilm: duplicazione ed impilazione di cellule su strati successivi, continua produzione di esopolimeri, la propagazione superficiale del biofilm è garantita dalle capacità di mobilità cellulare (pili, flagelli, fimbrie) e produzione di sostanze (mucose e biosurfrattanti) secrete, la produzione di queste sostanze è mediata dal quorum sensing
Industria alimentare e biofilm: bioincrostazione e biocorrosione dei macchinari e superfici di lavoro (Pseudomonas) e colonizzzione delle carni (Escherichia coli, Lactobacillus brevis, Klebsiella, Pseudomonas) > contaminazione e deperibilità dei prodotti Ambito biomedico: problema dei biofilm sul materiale sanitario, esempio cateteri. Trattamento con enzimi polisaccarolitici o con biosurfrattanti non battericidi (impediscono l’adesione) o con sostanze che interferiscono nel quorum sensing Suolo e piante: la maggior parte dei microrganismo del suolo sono in forma di biofilm adesi alle particelle di terreno (fillosilicati, organo-minerali, micro-minerali o superfici radicali/rizosfera) piuttosto che planctoniche nella fase idrica circolante Batteri rizosferici, fitostimolanti e azoto fissatori crescono sulla superficie delle radici generando colonizzazione microbica per penetrazione (produzione di enzimi litici) o biofilm. Anche i fitopatogeni producono biofilm proteggendo il microrganismo dalle sostanze antimicrobiche. Altri batteri (Bacillus subtilis) producono biofilm che proteggono la pianta da patogeni o che favoriscono l’adsorbimento di nutrienti e quindi il ciclo biogeochimico Ciclo azoto: Nitrosomonas, Nitrobacter e Nitrospira (nitrosanti e nitricanti del suolo e delle acque) formano biofilm promuovendo la nitrificazione e nitrosazione dell’ambiente
Biofilm e fitorisanamento suolo e fitodepurazione acque