Em formação

O que é um biofilme bacteriano?


As bactérias produzem algo chamado biofilme.

Encontrei algumas definições; alguns dizem que é um complexo de bactérias vivas e mortas e outros dizem que é uma camada na parede celular.

  1. Do que isso é feito?
  2. Qual é seu propósito?
  3. Como podemos combater os biofilmes quando os encontramos?

Além das próprias células microbianas, os biofilmes são uma matriz de limo feita de uma variedade de substâncias, incluindo DNA, lipídios, proteínas e outras moléculas de sinalização, mas o componente principal é algo chamado substância polimérica extracelular (EPS), também conhecida como exopolissacarídeos . Succinoglicano de Sinorhizobium meliloti

Estes são extracelulares de alto peso molecular (exo) polímeros (poli) de açúcares (sacarídeos) ligados entre si em longas cadeias lineares ou ramificadas, que podem ser modificadas por porções como fosfato, sulfato, acetato e succinato. Conforme o biofilme se forma (abaixo), canais podem se formar no EPS para facilitar a absorção e distribuição de nutrientes, hidratação e sinalização intercelular, como detecção de quorum. Os biofilmes são frequentemente compostos por múltiplas espécies de microrganismos, de bactérias e arqueas a fungos e algas, com a estrutura social (e física) dependente das espécies que os compõem.


Biofilmes bacterianos são um grupo de bactérias que se aderiram a uma superfície ou umas às outras como um tapete flutuante para formar uma comunidade de fase sólida. Não são vistos muito no laboratório, mas são comuns na natureza.

As bactérias não aderem apenas à superfície, mas umas às outras por meio de uma matriz de polímeros que secretam.

As bactérias em um biofilme são freqüentemente resistentes a produtos químicos, calor, ácido e outras mudanças no ambiente. É uma característica praticamente universal e geralmente presume-se que qualquer bactéria pode formar um biofilme. A Placa Dentária é um biofilme.

Fazer com que um biofilme seja erradicado pode dar muito trabalho porque as bactérias são sequestradas na matriz e um tanto protegidas. Esfrega ou produtos químicos são geralmente usados.


O que é um biofilme bacteriano? - Biologia

Figura 1. Um biofilme na superfície da água na orla do Porto de Saint-Goustan em Auray

Alguns procariotos podem não ser cultiváveis ​​porque requerem a presença de outras espécies procariotas. Até algumas décadas atrás, os microbiologistas costumavam pensar nos procariotos como entidades isoladas que viviam separadas. Este modelo, no entanto, não reflete a verdadeira ecologia dos procariontes, muitos dos quais preferem viver em comunidades onde possam interagir. Como vimos, um biofilme é uma comunidade microbiana (Figura 2) mantida unida em uma matriz de textura pegajosa que consiste principalmente de polissacarídeos secretados pelos organismos, juntamente com algumas proteínas e ácidos nucléicos. Biofilmes normalmente crescem presos a superfícies. Alguns dos biofilmes mais estudados são compostos por procariotos, embora biofilmes fúngicos também tenham sido descritos, assim como alguns compostos por uma mistura de fungos e bactérias.

Os biofilmes estão presentes em quase todos os lugares: eles podem causar o entupimento de canos e colonizar prontamente superfícies em ambientes industriais. Em surtos recentes e em grande escala de contaminação bacteriana de alimentos, os biofilmes têm desempenhado um papel importante. Eles também colonizam superfícies domésticas, como balcões de cozinha, tábuas de cortar, pias e banheiros, bem como lugares no corpo humano, como a superfície de nossos dentes.

Interações entre os organismos que povoam um biofilme, juntamente com seus protetores exopolissacarídico (EPS) ambiente, tornam essas comunidades mais robustas do que procariontes de vida livre ou planctônica. A substância pegajosa que mantém as bactérias unidas também exclui a maioria dos antibióticos e desinfetantes, tornando as bactérias do biofilme mais resistentes do que suas contrapartes planctônicas. No geral, os biofilmes são muito difíceis de destruir porque são resistentes a muitas formas comuns de esterilização.

Pergunta Prática

Existem cinco estágios de desenvolvimento de biofilme:

Figura 2. Cinco estágios de desenvolvimento de biofilme são mostrados. Micrografias de um Pseudomonas aeruginosabiofilm em cada um dos estágios de desenvolvimento são mostrados. (crédito: D. Davis, Don Monroe, PLoS)

  • Durante o estágio 1, ligação inicial, as bactérias aderem a uma superfície sólida por meio de interações fracas de van der Waals.
  • Durante o estágio 2, ligação irreversível, apêndices semelhantes a cabelos chamados pili fixam permanentemente a bactéria à superfície.
  • Durante o estágio 3, maturação I, o biofilme cresce por meio da divisão celular e do recrutamento de outras bactérias. Uma matriz extracelular composta principalmente de polissacarídeos mantém o biofilme unido.
  • Durante o estágio 4, maturação II, o biofilme continua a crescer e assume uma forma mais complexa.
  • Durante o estágio 5, dispersão, a matriz do biofilme é parcialmente quebrada, permitindo que algumas bactérias escapem e colonizem outra superfície.

Em comparação com as bactérias de flutuação livre, as bactérias nos biofilmes costumam apresentar maior resistência a antibióticos e detergentes. Por que você acha que isso pode ser o caso?


A modelagem matemática define o desenvolvimento do biofilme bacteriano

Muitas bactérias podem se prender a superfícies sólidas e se dividir até que sua progênie forme uma estrutura chamada biofilme, como a mostrada nesta imagem estilizada produzida pelo Drescher Lab no Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre.

O grupo de Jörn Dunkel no Departamento de Matemática do MIT se junta a cientistas de bancada para entender como as bactérias interagem umas com as outras e com seus ambientes.

Saima Sidik

Saima Sidik é pesquisadora associada no laboratório Lourido do Instituto Whitehead. Este artigo é parte de um esforço departamental para destacar a pesquisa biologicamente relevante sendo feita fora das disciplinas e departamentos de ciências biológicas tradicionais do MIT.

“O ponto crucial da questão.” “A raiz do problema.” "A verdade da questão." Freqüentemente, queremos destilar substâncias, sistemas ou vida em uma única essência: um químico isola compostos-chave de misturas complexas, um escritor procura o cerne da verdade oculto em uma história e um iogue medita para encontrar um significado interior. No Departamento de Matemática do MIT, Jörn Dunkel se volta para a matemática para descobrir os componentes fundamentais dos processos físicos. Seu grupo identificou recentemente características-chave que regulam o crescimento bacteriano, descobertas que podem eventualmente reduzir a frequência de infecções adquiridas em hospitais, tornar os antibióticos mais eficazes e até mesmo criar materiais de autocura.

O grupo de Dunkel cria modelos matemáticos de sistemas físicos conforme eles mudam ao longo do tempo e do espaço. Eles estudaram a flambagem de elásticos, quebra de massa e, mais recentemente, o crescimento de comunidades bacterianas. Não se pode esperar encontrar um grupo de matemáticos imersos em biologia, mas o grupo Dunkel fez grandes avanços no sentido de compreender o processo pelo qual as bactérias abrem mão de sua capacidade de nadar, fixam-se em uma superfície sólida (como o casco de um barco ou o revestimento de um trato digestivo) e se dividem até formarem um monte chamado "biofilme". Os biofilmes protegem as células dentro deles, permitindo que essas células sobrevivam à pressão imunológica, antibióticos e estresses ambientais, o que torna a formação de biofilmes crítica para algumas bactérias sobreviverem em condições adversas. Ao compreender os fatores que impulsionam essas estruturas patogênicas, os pesquisadores podem encontrar maneiras de limitar a formação de biofilme.

Em colaboração com o laboratório de Knut Drescher no Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre, o grupo Dunkel constrói modelos matemáticos que descrevem como os biofilmes se desenvolvem. O laboratório Drescher grava vídeos de alta resolução de biofilmes crescendo ao longo de várias horas e, em seguida, eles passam esses vídeos para o laboratório Dunkel. Os matemáticos vasculham os vídeos, extraindo todo tipo de informação que pode ser biologicamente relevante: as orientações das células, movimento, taxa de divisão, distância entre as células e muitos outros recursos.

O grupo de Jörn Dunkel trabalha em uma série de diversos projetos com colaboradores do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre, da Universidade de Stanford e do laboratório de Adam Martin no MIT Biology. Crédito: Bryce Vickmark.

Só recentemente os avanços na imagem do biofilme permitiram aos pesquisadores ver bactérias individuais dentro dos biofilmes e medir os recursos que o grupo Dunkel usa em seus modelos. “Você obtém conjuntos de dados tão ricos que os métodos tradicionais de construção de modelos se tornam inviáveis”, diz Dunkel. “Dez anos atrás, não faria sentido pensar sobre essas questões porque não tínhamos a tecnologia para respondê-las.”

Com dados tão extensos, o desafio que os matemáticos agora enfrentam é descobrir como descrever o comportamento dos biofilmes em termos de um conjunto mínimo de suas muitas características. E assim, com uma eficiência implacável que deixaria orgulhosa a guru organizadora Marie Kondo, eles alinham todas as medidas que podem fazer e, em seguida, podam todas as que não estão esclarecendo o sistema, até que tenham identificado o número mínimo de características que podem explicar o comportamento da bactéria. Seus resultados indicam que as forças de atração entre as bactérias, junto com as restrições espaciais que elas experimentam quando se reproduzem, são essenciais para moldar o desenvolvimento do biofilme.

O grupo Dunkel espera que seu trabalho ajude a limitar as infecções bacterianas adquiridas em hospitais. Dispositivos médicos como marca-passos ou cateteres podem se tornar o lar dessas acumulações bacterianas se esses dispositivos entrarem em contato com luvas sujas ou água. A partir daí, as infecções podem se espalhar e causar infecções sanguíneas, urinárias, cutâneas e pulmonares, entre outros problemas. Como as bactérias nos centros dos biofilmes são protegidas dos antibióticos, essas infecções podem ser muito difíceis de tratar. Os modelos do laboratório de Dunkel revelam que simplesmente mudar a forma de um dispositivo médico pode torná-lo menos propenso a suportar a formação de biofilme ou tornar os biofilmes que abriga mais suscetíveis ao tratamento com antibióticos.

Phillip Pearce, um instrutor de matemática aplicada que trabalha com Dunkel no MIT, está liderando um ramo da pesquisa do grupo que se concentra em como os biofilmes se desenvolvem quando o líquido passa sobre eles: uma situação que é fundamental para a compreensão dos biofilmes em dispositivos médicos onde líquidos como sangue e urina freqüentemente flui passado. Ele explicou como ele e o resto do grupo Dunkel começaram com uma lista de características de biofilme e modelos derivados que identificaram os processos físicos que são necessários para explicar essas características observadas.

Quando as bactérias se dividem, as novas bactérias precisam de um lugar para ir. Isso representa um problema para as bactérias quando estão ancoradas no lugar, pois estão no meio de biofilmes. Uma vez que essas bactérias nem sempre podem se espalhar horizontalmente, as restrições espaciais as forçam a ficar em pé, fazendo com que o biofilme cresça verticalmente. Isso resulta em uma estrutura muito organizada com as bactérias internas se projetando para cima, como as ripas de uma cerca de estacas. Depois de examinar muitas combinações de características de biofilme em seus modelos, o grupo Dunkel percebeu que as forças que as bactérias exercem umas sobre as outras quando crescem desempenham um papel importante em ditar esse arranjo de cerca de estacas. As bactérias na frente do biofilme também são forçadas a uma orientação vertical, melhorando a organização regular do biofilme.

Ao reprojetar dispositivos médicos para incluir formas complexas, os pesquisadores podem limitar a capacidade de qualquer bactéria que os coloniza de exibir tais arranjos regulares. Isso pode tornar os biofilmes mais suscetíveis ao tratamento com antibióticos ou pode evitar que se formem.

Phillip Pearce é um instrutor do departamento de matemática do MIT que trabalhou com Dunkel para entender como as bactérias nos biofilmes interagem fisicamente umas com as outras e com seus ambientes.

Enquanto alguns membros do grupo Dunkel estão tentando impedir a formação de biofilmes, Boya Song, uma estudante de graduação, está investigando situações em que os biofilmes podem ser úteis. Parte do que mantém essas estruturas unidas é uma matriz pegajosa de proteínas, açúcares e gorduras que as bactérias secretam. O grupo Dunkel pensa que se eles podem manipular a forma de biofilmes, eles também podem manipular a forma dessa matriz.

“Os biofilmes podem ser usados ​​para formar novos biomateriais com base nas formas de rede que as células produzem”, diz Song. Esses materiais podem formar revestimentos de proteção para cascos de barcos ou metais submersos. Algumas bactérias depositam minerais, e estes podem ser programados para reparar ossos ou mesmo consertar cimento rachado.

Dunkel está animado com essa possibilidade. “Talvez, se entendermos a formação de biofilme, possamos realmente programá-los!” ele diz.

Entender como programar biofilmes envolve entender proteínas de superfície chamadas “adesinas” que agem como ganchos para manter as bactérias unidas. Os modelos do grupo Dunkel mostram que quando as bactérias estão em um líquido quase estacionário, as forças adesivas geradas por essas proteínas de superfície ditam em grande parte o tamanho de um biofilme e o arranjo das células dentro dele.

Rachel Mok, outra estudante graduada do grupo Dunkel, fez um test drive com seu modelo de adesão, aplicando-o a bactérias que expressam níveis variáveis ​​de uma adesina em resposta a concentrações variáveis ​​de um medicamento. Mok ajustou seu modelo para explicar essa manipulação experimental da força atrativa entre as bactérias e descobriu que podia prever como as bactérias se comportariam.

“É incrível que, embora tenhamos negligenciado muitos recursos biológicos, como a disponibilidade de nutrientes, ainda podemos capturar a dinâmica que vemos nos biofilmes em estágio inicial”, diz ela.

Além de alterar os níveis de adesina, o grupo Dunkel tem colaboradores no laboratório Riedel-Kruse da Universidade de Stanford que podem variar a forma como as adesinas funcionam. Proteínas adesivas típicas podem agarrar outras proteínas ou podem ser agarradas. Ao conceder adesinas geneticamente alteradas às bactérias, eles foram capazes de dividir essas duas funções, resultando em um grupo de bactérias que só pode agarrar outras e um que só pode ser agarrado. Ao misturar esses dois grupos em proporções diferentes, eles podem manipular a forma dos biofilmes resultantes.

Song planeja combinar o conhecimento do grupo Dunkel sobre adesinas com as descobertas de seus colaboradores para ganhar ainda mais controle sobre a forma do biofilme. Talvez um dia a tecnologia que eles criam juntos permita que eles usem bactérias para “imprimir” materiais em qualquer forma que eles escolherem. Como as bactérias dentro de um biofilme podem secretar material adicional se a matriz for danificada, isso resultaria em um material de construção programável, vivo e autocurativo. Os modelos que Song está desenvolvendo são um passo inicial neste projeto ambicioso, que tem o potencial de mudar a face da ciência dos materiais.

Da microscopia de alta resolução à genética bacteriana e modelagem matemática, descobrir biofilmes é um problema inerentemente interdisciplinar. O grupo Dunkel identificou características essenciais que definem o desenvolvimento do biofilme, e seus modelos prevêem como essas estruturas se desenvolvem, seja no casco de um barco ou no laboratório. Ao colocar suas mentes juntas, eles e seus colaboradores estão reescrevendo regras para abordar os biofilmes, seja para impedir seu crescimento ou para aproveitá-lo.

Boya Song (à esquerda) e Rachel Mok (à direita), ambas estudantes de graduação do grupo Dunkel, estão determinando quais recursos são mais importantes para o desenvolvimento do biofilme. Com esse conhecimento, eles esperam aproveitar biofilmes para fins construtivos, evitando que afetem a saúde humana.


Nanocristais que erradicam biofilmes bacterianos

Crédito: Pohang University of Science & Technology (POSTECH)

A pandemia COVID-19 está aumentando o temor de novos patógenos, como vírus ou bactérias resistentes a medicamentos. Nesta nota, uma equipe de pesquisa coreana recentemente chamou a atenção para o desenvolvimento de tecnologia para remover bactérias resistentes a antibióticos, controlando a textura da superfície dos nanomateriais.

Uma equipe de pesquisa conjunta de POSTECH e UNIST apresentou nanoestruturas texturizadas de superfície baseadas em FeCo-óxido misto (MTex) como plataforma magneto-catalítica altamente eficiente no jornal internacional Nano Letras. A equipe era formada pelos professores In Su Lee e Amit Kumar com o Dr. Nitee Kumari do Departamento de Química da POSTECH e o Professor Yoon-Kyung Cho e o Dr. Sumit Kumar do Departamento de Engenharia Biomédica da UNIST.

Primeiro, os pesquisadores sintetizaram nanocristais de superfície lisa em que vários íons de metal foram envolvidos em uma casca de polímero orgânico e os aqueceram em uma temperatura muito alta. Durante o recozimento da casca do polímero, uma reação química em estado sólido de alta temperatura induziu a mistura de outros íons metálicos na superfície do nanocristal, criando uma série de ramificações e orifícios de poucos nm de tamanho. Descobriu-se que essa textura de superfície única catalisa uma reação química que produz espécies reativas de oxigênio (ROS) que matam as bactérias. Também foi confirmado que era altamente magnético e facilmente atraído para o campo magnético externo. A equipe descobriu uma estratégia sintética para converter nanocristais normais sem características de superfície em nanocristais de óxido de metal misto altamente funcional.

Imagem do microscópio eletrônico de transmissão (TEM) do Mtex. Crédito: POSTECH

A equipe de pesquisa chamou essa topografia de superfície - com galhos e buracos que se assemelham a um campo arado - de 'MTex'. Verificou-se que esta textura de superfície única aumenta a mobilidade das nanopartículas para permitir a penetração eficiente na matriz do biofilme, enquanto mostra alta atividade na geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) que são letais para as bactérias.

Este sistema produz ROS em uma ampla faixa de pH e pode efetivamente se difundir no biofilme e matar as bactérias resistentes aos antibióticos. E como as nanoestruturas são magnéticas, os resíduos do biofilme podem ser removidos até mesmo dos microcanais de difícil acesso.

"Este MTex recém-desenvolvido mostra alta atividade catalítica, distinta da superfície lisa estável das formas convencionais de espinélio", explicou o Dr. Amit Kumar, um dos autores correspondentes do artigo. "Esta característica é muito útil na infiltração de biofilmes mesmo em pequenos espaços e é eficaz para matar as bactérias e remover biofilmes."

“Esta pesquisa permite regular a nanotexturização de superfície, o que abre possibilidades para aumentar e controlar a exposição dos sítios ativos”, comentou o professor In Su Lee, que liderou a pesquisa. "Antecipamos que as superfícies texturizadas em nanoescala contribuam significativamente no desenvolvimento de uma ampla gama de novas propriedades semelhantes a enzimas na interface nano-bio."


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Eu acho tão legal como o biofilme pode ser usado para limpar derramamentos de óleo. É muito engenhoso, na verdade. No entanto, nem sempre funciona, eu acho.

Lembro-me de ter visto algumas notícias sobre isso durante o derramamento de óleo da BP em 2010. Lembra daquela? O derramamento de óleo durou meses e meses, e eles tentaram muitas coisas diferentes para parar o derramamento e se livrar do óleo.

Eventualmente, eles usaram bactérias para tentar limpá-lo. Eles pensaram que as bactérias estavam se livrando do óleo do derramamento, mas depois descobriram que as bactérias estavam, na verdade, comendo gás natural.

Não tenho certeza, mas parece que o biofilme pode precisar ser geneticamente modificado para ser completamente útil durante um derramamento de óleo. strawCake 9 horas atrás

@Azuza - Eu concordo, biofilme parece legal, contanto que não esteja na minha boca, ou no meu cachimbo, ou me dando intoxicação alimentar. Eu ouvi sobre o biofilme de listeria há algum tempo e fiquei completamente horrorizado!

Basicamente, como dizia o artigo, o filme se forma em balcões e, em seguida, as bactérias entram na comida. Já que você não pode ver esse biofilme, você não tem ideia de que está contaminando sua comida. Então, uma vez que você come a comida, você fica muito doente com intoxicação alimentar (e no caso da listeria, você pode morrer).

Eu acho que este é apenas mais um argumento para manter sua cozinha extremamente limpa! Azuza 23 horas atrás

Biofilmes parecem grosseiros e interessantes ao mesmo tempo. É realmente interessante como os membros do biofilme podem se comunicar e tomar decisões como um grupo. Na verdade, todo o processo parece maduro para um estudo científico (embora eu aposte que alguém já me antecipou!)

No entanto, por mais interessante que seja, não estou entusiasmado com a ideia de ter biofilme de placa em meus dentes. A placa é prejudicial para os dentes e para a saúde em geral. Então, eu preferiria que o biofilme fosse e fosse interessante em outro lugar além da minha boca! Kat919 ontem

Pode haver lugares onde você definitivamente * não * deseja que um biofilme bacteriano se desenvolva. Que tal seu chuveiro, por exemplo? É quente e úmido e as bactérias adoram. Então. você adivinhou, você se banha nele.

Felizmente, é fácil limpar e desinfetar o chuveiro. Você apenas tem que mergulhar durante a noite em vinagre branco puro.

Você pode fazer isso de várias maneiras. Algumas pessoas pegam um saco de vinagre e prendem no chuveiro com um elástico, mas nunca fiz isso funcionar. Você também pode desconectar o chuveiro do poço que se projeta para fora da parede. Ou se você tiver um massageador de chuveiro, ele pode ter um cabo longo o suficiente para que você possa simplesmente abaixar o chuveiro e colocá-lo em uma tigela ou balde de vinagre. Esfregue com uma escova de dentes depois de ensopar para se livrar de todos aqueles pedaços rosa nojentos.


Regulação do gene por células anexadas

Há evidências de que a regulação para cima e para baixo de uma série de genes ocorre nas células aderentes após a interação inicial com o substrato. Davies e Geesey (34) demonstraram algC regulação positiva em células bacterianas individuais dentro de minutos após a fixação às superfícies em um sistema de células de fluxo. Este fenômeno não se limita a P. aeruginosa. Prigent-Combaret et al. (35) descobriram que 22% desses genes foram regulados positivamente no estado de biofilme e 16% foram regulados negativamente. Becker et al. (36) mostrou que biofilmes de Staphylococcus aureus foram regulados positivamente para genes que codificam enzimas envolvidas na glicólise ou fermentação (fosfoglicerato mutase, triosefosfato isomerase e álcool desidrogenase) e presumiram que a regulação positiva desses genes poderia ser devido à limitação de oxigênio no biofilme desenvolvido, favorecendo a fermentação. Um estudo recente de Pulcini (37) também mostrou que algD, algU, rpoS, e genes que controlam a síntese de polifosfoquinase (PPK) foram regulados positivamente na formação de biofilme de P. aeruginosa. Prigent-Combaret et al. (35) opinaram que a expressão de genes em biofilmes é evidentemente modulada por fatores físico-químicos dinâmicos externos à célula e pode envolver vias regulatórias complexas.


Biofilmes benéficos

Em ambientes naturais

Como já apontamos, os biofilmes estão ao nosso redor, sobre nós e dentro de nós. Obviamente, nem todos os biofilmes são prejudiciais. Muitos desempenham um papel importante na ecologia da terra e na sustentabilidade da vida em geral. O relatório & quotGlobal Environmental Change: Microbial Contributions, Microbial Solutions & quot aponta: & quot. . .a química básica da superfície da Terra é determinada pela atividade biológica, especialmente a dos muitos trilhões de micróbios no solo e na água. Os micróbios constituem a maior parte da biomassa viva da Terra e, como tal, desempenham um papel importante na reciclagem de elementos vitais para a vida. & Quot Imagine isso! “Os micróbios constituem a maior parte da biomassa viva na Terra,” e, como estamos aprendendo, esses micróbios geralmente vivem em colônias de biofilme em superfícies.

Por exemplo, sabe-se que as bactérias são colonizadores precoces (em um biofilme) de superfícies inicialmente limpas submersas em água. Os cientistas conseguiram documentar um padrão previsível da forma como os biofilmes se formam em uma superfície limpa sob a água. Quer a superfície em questão seja um casco de barco flutuando sobre a água ou uma nova abertura em alto mar no fundo do oceano, os micróbios já estão presentes nesses ambientes e são capazes de se ligar rapidamente a essas superfícies. A partir desses pioneiros, o desenvolvimento como um biofilme começa rapidamente.

É importante reconhecer que microorganismos, como bactérias, que colonizam em biofilmes evoluíram junto com outros organismos, incluindo seres humanos. Embora algumas bactérias produzam efeitos prejudiciais para outros organismos, a maioria das bactérias é inofensiva ou mesmo benéfica. Quando se trata de bactérias, organismos superiores (como nós) são apenas mais um ambiente a ser colonizado. Portanto, aqui vai um pensamento: os humanos, que muitas vezes são considerados os colonizadores do mundo, são eles próprios o alvo dos poderes coloniais, na forma de muitos microorganismos que se infiltram e habitam nosso corpo!

Tratamento de água e esgoto

P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman

Um dos melhores exemplos de aplicação bem-sucedida e benéfica de biofilmes para resolver um grande problema é o tratamento de águas residuais. Pense desta maneira. Sabemos que os microrganismos são os principais agentes causadores da decomposição em plantas e animais mortos. A decomposição ocorre (parcialmente) quando os microrganismos se alimentam do tecido do organismo morto. Uma vez que isso é verdade, talvez alguém pudesse projetar um sistema que use os microrganismos adequados (na forma de um biofilme) para processar águas residuais e esgotos: se a água contaminada fosse passada por tal biofilme, talvez os microrganismos no biofilme comeriam ( e assim remover) o material orgânico prejudicial da água.

Boa ideia! De fato, mesmo antes de os biofilmes serem reconhecidos e se tornarem o assunto de intensa pesquisa, os engenheiros estavam aproveitando a atividade ambiental do biofilme natural (sem saber sobre biofilmes) no desenvolvimento de sistemas de limpeza de água. Os biofilmes têm sido usados ​​com sucesso no tratamento de água e efluentes há mais de um século. Engenheiros ingleses desenvolveram os primeiros métodos de tratamento de filtro de areia para tratamento de água e esgoto na década de 1860. Em tais sistemas de filtração, o meio filtrante (isto é, areia) apresenta superfícies para os micróbios se ligarem e se alimentarem do material orgânico na água a ser tratada. O resultado? A formação de um biofilme benéfico que devora o material "ruim" da água, filtrando-o com eficácia. Claro, não queremos que os microrganismos do biofilme entrem na água filtrada ou que pedaços de biofilme se desprendam da colônia e atravessem o sistema. Idealmente, o biofilme permanece preso ao sistema de filtração e pode ser limpo quando o sistema é lavado.

Curiosamente, os cientistas e engenheiros de tratamento de água descobriram que a água potável e as águas residuais processadas com um sistema de biofilme em uma estação de tratamento são mais "biologicamente estáveis" do que a água filtrada por outros tipos de sistemas de tratamento. Isso significa apenas que é provável que haja menos contaminação por microorganismos na água que passou por um filtro à base de biofilme do que na água que passou por algum sistema de tratamento alternativo. Isso implica que a água tratada com biofilme normalmente tem menor demanda de desinfetante (por exemplo, uso de cloro) e desinfecção por produtos (por exemplo, aquele gosto e cheiro desagradáveis ​​de cloro) do que a água tratada de outras maneiras se a água antes do tratamento for alta no tipo de nutrientes que o biofilme anseia (que neste caso é carbono orgânico).

As pessoas são mimadas. Queremos que nossa água potável seja cristalina, sem odores estranhos e com gosto de água pura. A água que é segura para beber por ser tratada com cloro ainda pode ter uma cor estranha, cheirar mal e ter um sabor pior. Portanto, as concessionárias de água potável fazem de tudo para nos fornecer o tipo de água potável que desejamos (usar o ozônio na fase de tratamento primário é uma abordagem usada). Em qualquer sistema, uma fase de tratamento de biofilme pode muito bem ser uma abordagem que ajudará a produzir o resultado desejado.

Remediação de solo e água subterrânea contaminados

P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman

Uma das aplicações benéficas menos óbvias dos biofilmes é a limpeza de derramamentos de óleo e gasolina. Isso mesmo, certas bactérias comem óleo e gasolina. Lembre-se de que o óleo foi produzido ao longo de muitos anos pela decomposição da vegetação, portanto, é um composto orgânico. Não recomendamos que você sugue qualquer óleo ou gasolina derramado, mas o fato de algumas das bactérias que ocorrem naturalmente no solo adorarem a substância leva a uma nova ideia: a biorremediação. Este é um termo que se refere à engenharia de um biofilme que pode ser introduzido na área de um derramamento de óleo ou gasolina para ajudar a limpar a bagunça, e tudo com meios naturais e não prejudiciais.

Na verdade, a biorremediação usando biofilmes surgiu como uma tecnologia de escolha para limpar as águas subterrâneas e o solo em muitos locais contaminados com resíduos perigosos. Resultados da biorremediação em

  • a redução da concentração e massa de contaminantes para muitos contaminantes de subsuperfície (por exemplo, hidrocarbonetos de petróleo e orgânicos clorados) e / ou
  • uma mudança de especiação benéfica nas bactérias no biofilme que lhes permite lidar com outros contaminantes, como metais pesados ​​(por exemplo, mercúrio)

Em outras palavras, a biorremediação é uma ótima ideia! Como fazê-lo funcionar de fato requer uma compreensão dos processos de biofilme e sistemas de engenharia para introduzir um biofilme no solo contaminado e fornecer o ambiente necessário abaixo da superfície do solo para estimular o biofilme a fazer seu trabalho (ilustrado no diagrama acima). Para os alunos interessados ​​neste tópico, o estudo de biofilmes e engenharia (por exemplo, engenharia ambiental ou engenharia química) é onde você deseja estar. Continue andando, e você vai chegar lá.

Lixiviação microbiana

Utah Copper, Salt Lake City, Utah

Foto cortesia de Kennecott Utah Copper, Salt Lake City, Utah. Esta imagem mostra um vasto complexo de campos de lixiviação nos quais minério de baixo teor de cobre é pulverizado com água. Bactérias como Thiobacillus, ligado à superfície das partículas de minério oxidam os compostos de cobre insolúveis em sulfato de cobre solúvel a partir do qual o cobre puro pode ser facilmente recuperado.

Como você provavelmente sabe, a mineração de metais preciosos de vários tipos (ouro, prata, cobre e assim por diante) é uma tarefa complicada. O metal desejado geralmente não é encontrado em pedaços bons, grandes e puros. A maior pepita de ouro já encontrada pesava cerca de 70 quilos. Mas a maior parte do ouro, como com todos os outros metais preciosos, é geralmente difícil de ver a olho nu, misturado no solo com sujeira, pedras e outros detritos do solo & mdash o minério do qual o ouro deve ser extraído (observe que o minério em uma a mina de cobre, por exemplo, normalmente consistirá em menos de 1% de cobre). O processo de extração, quando feito com produtos químicos, é denominado “lixiviação”. Durante anos, a lixiviação do cobre, por exemplo, era feita com ácido que não é muito bom para o meio ambiente. Na verdade, a maioria das tecnologias de lixiviação resultou em sobras tóxicas.

Bem, adivinhe? Hoje, cerca de 10 a 20 por cento do cobre extraído nos Estados Unidos é extraído de minério de baixo teor com a ajuda de biofilmes. E as mineradoras estão fazendo um investimento considerável para estender esse processo à extração de outros metais preciosos.

Como um biofilme é projetado para realizar esse trabalho? Again, one must find a bacteria with a particular appetite&mdashone that would eat the ore, say, that encased copper particles, thus releasing the copper to be recovered. This idea has led to the most common biofilm supported leaching process, called "heap leaching." Low grade ore is placed in a "heap," and sprayed with a mildly acidified water solution that encourages the growth of a particular bacterium that oxidizes the ore, releasing water soluble cupric ion (copper) that can then be recovered from the water.


What is a bacterial biofilm? - Biologia

Signaling in bacteria enables bacteria to monitor extracellular conditions, ensure that there are sufficient amounts of nutrients, and ensure that hazardous situations are avoided. There are circumstances, however, when bacteria communicate with each other.

The first evidence of bacterial communication was observed in a bacterium that has a symbiotic relationship with Hawaiian bobtail squid. When the population density of the bacteria reaches a certain level, specific gene expression is initiated, and the bacteria produce bioluminescent proteins that emit light. Because the number of cells present in the environment (cell density) is the determining factor for signaling, bacterial signaling was named quorum sensing. In politics and business, a quorum is the minimum number of members required to be present to vote on an issue.

Quorum sensing uses autoinducers as signaling molecules. Autoinducers are signaling molecules secreted by bacteria to communicate with other bacteria of the same kind. The secreted autoinducers can be small, hydrophobic molecules such as acyl-homoserine lactone, (AHL) or larger peptide-based molecules each type of molecule has a different mode of action. When AHL enters target bacteria, it binds to transcription factors, which then switch gene expression on or off (see Figure 1). The peptide autoinducers stimulate more complicated signaling pathways that include bacterial kinases. The changes in bacteria following exposure to autoinducers can be quite extensive. The pathogenic bacterium Pseudomonas aeruginosa has 616 different genes that respond to autoinducers.

Pergunta Prática

Figure 1. Autoinducers are small molecules or proteins produced by bacteria that regulate gene expression.

Which of the following statements about quorum sensing is false?

  1. Autoinducer must bind to receptor to turn on transcription of genes responsible for the production of more autoinducer.
  2. The receptor stays in the bacterial cell, but the autoinducer diffuses out.
  3. Autoinducer can only act on a different cell: it cannot act on the cell in which it is made.
  4. Autoinducer turns on genes that enable the bacteria to form a biofilm.

Some species of bacteria that use quorum sensing form biofilms, complex colonies of bacteria (often containing several species) that exchange chemical signals to coordinate the release of toxins that will attack the host. Bacterial biofilms (Figure 2) can sometimes be found on medical equipment when biofilms invade implants such as hip or knee replacements or heart pacemakers, they can cause life-threatening infections.

Cell-cell communication enables Staphylococcus aureus bacteria (Figure 2a) to work together to form a biofilm inside a hospital patient’s catheter, seen here via scanning electron microscopy. S. aureus is the main cause of hospital-acquired infections. Hawaiian bobtail squid (Figure 2b) have a symbiotic relationship with the bioluminescent bacteria Vibrio fischeri. The luminescence makes it difficult to see the squid from below because it effectively eliminates its shadow. In return for camouflage, the squid provides food for the bacteria. Free-living V. fischeri do not produce luciferase, the enzyme responsible for luminescence, but V. fischeri living in a symbiotic relationship with the squid do. Quorum sensing determines whether the bacteria should produce the luciferase enzyme.

Pergunta Prática

Figure 2. (a) Staphylococcus aureus bacteria. (b) Hawaiian bobtail squid. (credit a: modifications of work by CDC/Janice Carr credit b: modifications of work by Cliff1066/Flickr)

What advantage might biofilm production confer on the S. aureus inside the catheter?

Research on the details of quorum sensing has led to advances in growing bacteria for industrial purposes. Recent discoveries suggest that it may be possible to exploit bacterial signaling pathways to control bacterial growth this process could replace or supplement antibiotics that are no longer effective in certain situations.

Watch geneticist Bonnie Bassler discuss her discovery of quorum sensing in biofilm bacteria in squid.

Watch this collection of interview clips with biofilm researchers in “What Are Bacterial Biofilms?”

Questões Práticas

Quorum sensing is triggered to begin when ___________.

  1. treatment with antibiotics occurs
  2. bacteria release growth hormones
  3. bacterial protein expression is switched on
  4. a sufficient number of bacteria are present

Why is signaling in multicellular organisms more complicated than signaling in single-celled organisms?


Talk Overview

Many bacteria express adhesion proteins that allow them to stick to surfaces and each other, forming biofilms. Biofilms can cause problems such as gum disease and implant contamination. However, by manipulating the adhesion proteins that bacteria express, scientists can control what the bacteria interact with. For example, different strains of bacteria can be engineered to adhere to one another, which might be helpful if several different bacteria are needed in close proximity to break down an environmental contaminant. The participants in the Synthetic Biology in Action course introduced different adhesion genes into a bacterial strain to alter the adhesion properties of the bacteria so that desired traits were expressed on the cell surface.

About the Speaker

Alex Fedorec, PhD student at the University College London

Esteban Martinez Garcia (course instructor), scientist at the Centro Nacional de Biotecnología


Table of contents (25 chapters)

Methods for Dynamic Investigations of Surface-Attached In Vitro Bacterial and Fungal Biofilms

Aqueous Two-Phase System Technology for Patterning Bacterial Communities and Biofilms

Quorum Sensing in Gram-Positive Bacteria: Assay Protocols for Staphylococcal agr and Enterococcal fsr Systems

Advanced Techniques for In Situ Analysis of the Biofilm Matrix (Structure, Composition, Dynamics) by Means of Laser Scanning Microscopy

Multiplex Fluorescence In Situ Hybridization (M-FISH) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) to Analyze Multispecies Oral Biofilms

Karygianni, Lamprini (et al.)

Field Emission Scanning Electron Microscopy of Biofilm-Growing Bacteria Involved in Nosocomial Infections

Experimental Approaches to Investigating the Vaginal Biofilm Microbiome

Imaging Bacteria and Biofilms on Hardware and Periprosthetic Tissue in Orthopedic Infections

Animal Models to Evaluate Bacterial Biofilm Development

Animal Models to Investigate Fungal Biofilm Formation

Nonmammalian Model Systems to Investigate Fungal Biofilms

Microbiological Methods for Target-Oriented Screening of Biofilm Inhibitors

In Vitro Screening of Antifungal Compounds Able to Counteract Biofilm Development

Biofilm Matrix-Degrading Enzymes

Efficacy Evaluation of Antimicrobial Drug-Releasing Polymer Matrices

Antibiotic Polymeric Nanoparticles for Biofilm-Associated Infection Therapy

Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Antibiotics in Biofilm Infections of Pseudomonas aeruginosa In Vitro and In Vivo

Contribution of Confocal Laser Scanning Microscopy in Deciphering Biofilm Tridimensional Structure and Reactivity

Chip Calorimetry for Evaluation of Biofilm Treatment with Biocides, Antibiotics, and Biological Agents

Morais, Frida Mariana (et al.)

Bacteriophage Attack as an Anti-biofilm Strategy

Photodynamic Therapy as a Novel Antimicrobial Strategy Against Biofilm-Based Nosocomial Infections: Study Protocols

Capturing Air–Water Interface Biofilms for Microscopy and Molecular Analysis

Biofilm-Growing Bacteria Involved in the Corrosion of Concrete Wastewater Pipes: Protocols for Comparative Metagenomic Analyses

Culture-Independent Methods to Study Subaerial Biofilm Growing on Biodeteriorated Surfaces of Stone Cultural Heritage and Frescoes

Cappitelli, Francesca (et al.)

Biofilms of Thermophilic Bacilli Isolated from Dairy Processing Plants and Efficacy of Sanitizers


Assista o vídeo: Biofilme (Janeiro 2022).