Tappetini microbici

Un biofilm è una popolazione di batteri, alghe, lieviti o funghi che cresce attaccati a una superficie. La superficie può essere viva o non vivente. Esempi di superfici viventi in cui possono crescere i biofilm includono i denti, le gengive e le cellule che rivestono i tratti intestinali e vaginali. Esempi di superfici non viventi includono rocce nei corsi d'acqua e dispositivi medici impiantati come i cateteri.

La conoscenza rudimentale della presenza dei biofilm è nota da secoli. Ad esempio, il batterio Acetobacter aceti attaccata a trucioli di legno è stata utilizzata per produrre aceto sin dal XIX secolo. Nonostante questa storia, i biofilm erano considerati più una curiosità fino agli anni '1980. In effetti, molto di ciò che si sa sui microrganismi e su aree specifiche come la resistenza batterica agli antibiotici è il risultato dell'uso di batteri che crescono come popolazioni galleggianti (planctoniche) in fonti di crescita liquide.

A partire dagli anni '1980, si sono accumulate prove che hanno portato al riconoscimento che la forma fluttuante di crescita batterica è artificiale e che la forma di crescita del biofilm è la modalità di crescita naturale e preferita per i microbi. Ora, è accettato che praticamente ogni superficie che viene a contatto con i microrganismi è in grado di sostenere la formazione di biofilm.

Molto di ciò che si sa sui biofilm proviene dallo studio dei batteri. Tipicamente, il biofilm studiato in laboratorio è costituito da un tipo batterico. L'osservazione di un solo batterio in crescita semplifica lo studio della formazione e del comportamento del biofilm. In un ambiente naturale, tuttavia, un biofilm è spesso composto da una varietà di batteri. La placca dentale è un buon esempio. Centinaia di specie di batteri possono essere presenti nel biofilm che si forma sulla superficie dei denti e delle gengive.

La formazione di un biofilm inizia quando i batteri galleggianti incontrano una superficie. L'attaccamento può avvenire in modo aspecifico o specifico. L'attaccamento specifico implica il riconoscimento di una molecola di superficie da parte di un'altra molecola sulla superficie del microrganismo. L'attaccamento batterico può essere aiutato da appendici come flagelli, ciglia o il holdfast di Caulobacter crescentus.

L'attaccamento è seguito da un'associazione più duratura con la superficie. Per i batteri, questa associazione comporta cambiamenti strutturali e genetici. I geni sono espressi in seguito all'attaccamento alla superficie. Un risultato particolarmente distintivo di questa attività genetica preferenziale è la produzione di una grande quantità di un materiale zuccherino noto come glicocalice o esopolisaccaride. Lo strato di zucchero seppellisce la popolazione batterica, creando il biofilm.

Col passare del tempo, un biofilm può diventare più spesso. Un biofilm più vecchio e più maturo è diverso da un biofilm più giovane. Studi che utilizzano strumenti in grado di sondare un biofilm senza disturbarne fisicamente la struttura hanno dimostrato che i batteri più in profondità all'interno di un biofilm smettono di produrre l'esopolisaccaride e rallentano la loro velocità di crescita fino a diventare quasi dormienti. Al contrario, i batteri ai margini del biofilm crescono più velocemente e producono grandi quantità di esopolisaccaride. Queste attività avvengono contemporaneamente e in effetti sono coordinate. I batteri possono comunicare chimicamente tra loro. Questo fenomeno, chiamato quorum sensing, consente a un biofilm di crescere e incoraggia i batteri a lasciare un biofilm e formare nuovi biofilm altrove.

Un'altra differenza nei biofilm che si sviluppano nel tempo riguarda la loro struttura tridimensionale. Un giovane biofilm ha una struttura abbastanza uniforme, con i batteri disposti in modo uniforme in tutto il biofilm. Al contrario, un biofilm ben consolidato è costituito da batteri raggruppati insieme in microcolonie, con regioni circostanti di esopolisaccaride e canali d'acqua aperti che consentono al cibo di raggiungere facilmente i batteri e al materiale di scarto di passare facilmente fuori dal biofilm.

I biofilm batterici sono importanti per l'instaurazione e il trattamento delle infezioni. All'interno del biofilm, i batteri sono molto resistenti alle sostanze chimiche come gli antibiotici che altrimenti ucciderebbero i batteri. I biofilm resistenti agli antibiotici si verificano su superfici inerti come valvole cardiache artificiali e cateteri urinari e su superfici viventi, come calcoli biliari e nei polmoni di coloro che sono affetti da fibrosi cistica. Nella fibrosi cistica, il biofilm formato principalmente dai batteri Pseudomonas aeruginosa, protegge i batteri dal sistema immunitario dell'ospite. La risposta immunitaria può persistere per anni, il che irrita e danneggia il tessuto polmonare.

La ricerca ha stabilito che l'interno di un biofilm batterico coinvolge la comunicazione chimica tra i singoli batteri che aiuta a coordinare lo sviluppo del biofilm e la desquamazione dei batteri periferici, che si depositano su superfici più remote per formare un nuovo biofilm. La conoscenza di questi segnali chimici può aiutare a ritardare o addirittura prevenire la formazione di biofilm nella fibrosi cistica e altre malattie e infezioni.

Risorse

Libri

Ghannoum, Mahmoud e George A. O'Toole. Biofilm microbici. Washington, DC: ASM Press, 2004.

Pace, John L., Mark Rupp e Roger G. Finch. Biofilm, infezioni e terapia antimicrobica. Boca Raton: CRC, 2005.

Wilson, Michael e Deirdre Devine. Implicazioni mediche dei biofilm. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.