Como se forma um Biofilme?

A produção de biofilme é uma estratégia de sobrevivência dos microrganismos em ambientes extremamente hostis e pobres em nutrientes, como sistemas de água para uso farmacêutico. Somente quando os níveis de nutrientes se tornam extremamente altos, as bactérias proliferam em estado de livre flutuação planctônica.

O fenótipo, a fisiologia e o comportamento das bactérias constituintes de um biofilme diferem significativamente de bactérias da mesma espécie que, porventura, vivem na forma planctônica. Mesmo biofilmes constituídos de bactérias da mesma espécie apresentam vasta heterogeneidade em relação ao metabolismo, à expressão gênica e à fisiologia, devido a diferentes condições e diferentes microambientes.

A transição da vida planctônica para a forma de um biofilme envolve uma série de etapas suscetíveis a interações químicas, físicas e biológicas, tais como, a fixação reversível das células planctônicas a superfície; a fixação das células de forma irreversível; a multiplicação celular e formação de micro colônias; o crescimento e maturação do biofilme; e a dispersão de microagregados.

A primeira etapa consiste na pré-adesão. Os micro-organismos planctônicos recebem o estímulo que os leva a aderir à superfície. Neste estágio, os biofilmes são facilmente reversíveis, em virtude dessa adesão ocorrer por forças de Van der Waals, atração eletrostática e interações hidrofóbicas. A adesão é considerada reversível, pois é possível observar o retorno das células aderidas ao seu estado planctônico. Nesse caso as bactéria podem ser removidas por sanitização e posterior rinsagem.

A etapa de adesão irreversível ocorre duas horas após a adesão inicial e se caracteriza pela presença de micro colônias, que correspondem a um amontoado de células aderidas entre si e a uma superfície por meio de interações dipolo-dipolo, ligações iônicas e covalentes, pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas. Neste estágio, ocorre o ancoramento de apêndices e as ligações célula superfície se fortalecem.

Fímbrias agregativas, que são apêndices de membrana compostos por uma proteína estrutural (pilina), presentes na superfície de bactérias Gram-negativas, são estruturas que possuem resíduos hidrofóbicos e que auxiliam na adesão e colonização bacteriana às superfícies, sendo importantes na persistência ambiental, colonização celular e formação de biofilmes.

Essas estruturas, quando presentes, ligam a célula bacteriana ao substrato, auxiliando na maior fixação do biofilme em superfícies e dificultando a sua remoção. As fímbrias, juntamente com polissacarídeos e flagelos, estão diretamente envolvidas com o grau de hidrofobicidade das células bacterianas. Quanto maior a hidrofobicidade celular, mais facilitada estará a adesão inicial às superfícies, principalmente hidrofóbicas, como o aço inoxidável.

O biofilme é caracterizado por uma complexa estrutura formada basicamente por proteínas, íons e polissacarídeos. Essa estrutura adere-se em superfícies e, em seguida, ocorre a maturação, caracterizada por um rearranjo na arquitetura, com o desenvolvimento de uma estrutura mais complexa, com formação de canais, poros e a redistribuição das bactérias presentes. É nessa fase que se dá a produção de grandes quantidades de exopolímeros (glicocálix) que protegem o biofilme, conferindo estabilidade e resistência. Os polissacarídeos são responsáveis pelo estabelecimento do biofilme, promovendo a interação entre as células bacterianas. A proporção desses componentes nos biofilmes varia de 50-90% da matéria orgânica total.

A síntese dos polissacarídeos bacterianos ocorre intracelularmente, utilizando açúcares nucleotídeos difosfatados, que podem ser produzidos durante todo o crescimento bacteriano ou somente durante a fase logarítmica.

Essa síntese geralmente ocorre em resposta às mudanças das condições ambientais ou por mudanças no metabolismo da bactéria. Esse componente age como fator de adesão e barreira, auxiliando a célula bacteriana a resistir a condições de estresse, como diminuição de nutrientes e condições ambientais adversas.

A motilidade cessa e genes envolvidos na comunicação célula-célula (quórum sensing) e na produção de exopolímeros (glicocálix) estão totalmente ativos. A principal força de ligação célula-superfície é conferida pela matriz tridimensional e insolúvel de exopolímeros (glicocálix).

O quarto estágio é o de maturação, que garante uma maior estabilidade, e é correspondente à maturação da estrutura que já vem sendo formada. Ocorre de três a seis dias após a adesão inicial, podendo chegar a 10 dias.

Com o crescimento do biofilme algumas células ou até mesmo agregados maiores tendem a se desprender e se dispersar no ambiente, ficando livres para colonizar outros nichos. Na medida em que a população microbiana aumenta, ocorre a divisão ou morte das células. Esta etapa é importante para a propagação e auto renovação da comunidade. O destacamento de células acontece entre 9 a 12 dias depois dos processos iniciais. As células se apresentam móveis e assemelham-se às células planctônicas, podendo contaminar a água ultrapura ou formar um novo biofilme na tubulação.

Referência:

1. Formação de biofilme em aço inoxidável por Pseudomonas spp. e seu controle por peróxido de hidrogênio e dicloro isocianurato de sódio. Resende, Jaíne das Graças Oliveira Silva. – Dissertação de Mestrado – UFLA, Lavras/ MG – 2008.
2. The Biofilm Matrix. Hans-Curt Flemming; Jost Wingender – Nature Reviews/Microbiology, Volume 8/September 2010.

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