Agregado de microorganismos en el que las células que frecuentemente están incrustadas dentro de una matriz autoproducida de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) se adhieren entre sí y/o a una superficie.
- Una biopelícula es un sistema que sus habitantes pueden adaptar internamente a las condiciones ambientales.
- La matriz de producción propia de sustancias poliméricas extracelulares , también denominada limo, es un conglomerado polimérico compuesto generalmente de biopolímeros extracelulares en diversas formas estructurales. [1]
Una biopelícula es una comunidad sintrófica de microorganismos en la que las células se adhieren entre sí y, a menudo, también a una superficie. [2] [3] [4] Estas células adherentes quedan incrustadas dentro de una matriz extracelular viscosa que está compuesta de sustancias poliméricas extracelulares (EPS). [3] [4] Las células dentro de la biopelícula producen los componentes del EPS, que generalmente son una combinación polimérica de polisacáridos extracelulares , proteínas , lípidos y ADN . [3] [4] [5] Debido a que tienen una estructura tridimensional y representan un estilo de vida comunitario para los microorganismos, se han descrito metafóricamente como "ciudades para los microbios". [6] [7]
Las biopelículas pueden formarse en superficies vivas (bióticas) o no vivas (abióticas) y pueden ser comunes en entornos naturales, industriales y hospitalarios. [4] [8] Pueden constituir un microbioma o ser una parte de él. Las células microbianas que crecen en una biopelícula son fisiológicamente distintas de las células planctónicas del mismo organismo, que, por el contrario, son células individuales que pueden flotar o nadar en un medio líquido. [9] Las biopelículas se pueden formar en los dientes de la mayoría de los animales en forma de placa dental , donde pueden causar caries y enfermedades de las encías .
Los microbios forman una biopelícula en respuesta a una serie de factores diferentes, [10] que pueden incluir el reconocimiento celular de sitios de unión específicos o no específicos en una superficie, señales nutricionales o, en algunos casos, la exposición de las células planctónicas a factores subinhibitorios. concentraciones de antibióticos . [11] [12] Una célula que cambia al modo de crecimiento de biopelícula sufre un cambio fenotípico en el comportamiento en el que grandes conjuntos de genes se regulan de manera diferencial . [13]
Una biopelícula también puede considerarse un hidrogel , que es un polímero complejo que contiene muchas veces su peso seco en agua. Las biopelículas no son sólo capas de limo bacteriano sino sistemas biológicos; las bacterias se organizan en una comunidad funcional coordinada. Las biopelículas pueden adherirse a una superficie como un diente o una roca y pueden incluir una sola especie o un grupo diverso de microorganismos. Las subpoblaciones de células dentro de la biopelícula se diferencian para realizar diversas actividades de motilidad, producción de matriz y esporulación, lo que respalda el éxito general de la biopelícula. [14] Las bacterias de la biopelícula pueden compartir nutrientes y están protegidas de factores dañinos en el medio ambiente, como la desecación, los antibióticos y el sistema inmunológico del cuerpo huésped. Una biopelícula generalmente comienza a formarse cuando una bacteria planctónica que nada libremente se adhiere a una superficie. [15] [ página necesaria ]
Se cree que las biopelículas surgieron durante la Tierra primitiva como mecanismo de defensa para los procariotas, ya que las condiciones en ese momento eran demasiado duras para su supervivencia. Se pueden encontrar muy temprano en los registros fósiles de la Tierra (hace unos 3.250 millones de años) como Archaea y Bacteria, y comúnmente protegen a las células procarióticas proporcionándoles homeostasis, fomentando el desarrollo de interacciones complejas entre las células en la biopelícula. [4]
La formación de una biopelícula comienza con la adhesión de microorganismos que flotan libremente a una superficie. [9] [6] Las primeras bacterias colonizadoras de una biopelícula pueden adherirse a la superficie inicialmente por las débiles fuerzas de van der Waals y los efectos hidrofóbicos. [16] [17] Si los colonos no se separan inmediatamente de la superficie, pueden anclarse de forma más permanente utilizando estructuras de adhesión celular como los pili . Un grupo único de Archaea que habita en aguas subterráneas anóxicas tiene estructuras similares llamadas hami . Cada hamus es un tubo largo con tres ganchos que se utilizan para sujetarse entre sí o a una superficie, lo que permite el desarrollo de una comunidad. [18] [19] La arqueona hipertermófila Pyrobaculum calidifontis produce pelos agrupados que son homólogos a los filamentos bacterianos TasA, un componente importante de la matriz extracelular en las biopelículas bacterianas, que contribuyen a la estabilidad de las biopelículas. [20] Los homólogos de TasA están codificados por muchas otras arqueas, lo que sugiere similitudes mecanísticas y una conexión evolutiva entre las biopelículas bacterianas y de arqueas. [20]
La hidrofobicidad también puede afectar la capacidad de las bacterias para formar biopelículas. Las bacterias con mayor hidrofobicidad tienen una repulsión reducida entre el sustrato y la bacteria. [22] Algunas especies de bacterias no pueden adherirse a una superficie por sí solas con éxito debido a su motilidad limitada, sino que pueden anclarse a la matriz o directamente a otras bacterias colonizadoras anteriores. Las bacterias no móviles no pueden reconocer superficies ni agregarse tan fácilmente como las bacterias móviles. [22]
Durante la colonización de la superficie, las células bacterianas pueden comunicarse utilizando productos de detección de quórum (QS), como la N-acil homoserina lactona (AHL). Una vez que ha comenzado la colonización, la biopelícula crece mediante una combinación de división y reclutamiento celular. Las matrices de polisacáridos normalmente encierran biopelículas bacterianas. Los exopolisacáridos de la matriz pueden atrapar autoinductores de QS dentro de la biopelícula para evitar la detección de depredadores y garantizar la supervivencia bacteriana. [23] Además de los polisacáridos, estas matrices también pueden contener material del entorno circundante, incluidos, entre otros, minerales, partículas de suelo y componentes sanguíneos, como eritrocitos y fibrina. [22] La etapa final de la formación de biopelículas se conoce como desarrollo, y es la etapa en la que se establece la biopelícula y solo puede cambiar de forma y tamaño. [ cita necesaria ]
El desarrollo de una biopelícula puede permitir que una colonia (o colonias) de células agregadas sea cada vez más tolerante [24] o resistente a los antibióticos . Se ha demostrado que la comunicación célula-célula o la detección de quórum están implicadas en la formación de biopelículas en varias especies bacterianas. [25]
Las biopelículas son el producto de un proceso de desarrollo microbiano . [28] El proceso se resume en cinco etapas principales del desarrollo de biopelículas, como se muestra en el siguiente diagrama: [29]
La dispersión de células de la colonia de biopelículas es una etapa esencial del ciclo de vida de la biopelícula. La dispersión permite que las biopelículas se propaguen y colonicen nuevas superficies. Las enzimas que degradan la matriz extracelular de la biopelícula, como la dispersina B y la desoxirribonucleasa , pueden contribuir a la dispersión de la biopelícula. [30] [31] Las enzimas que degradan la matriz de la biopelícula pueden ser útiles como agentes anti-biopelícula. [32] [33] La evidencia ha demostrado que un ácido graso mensajero, el ácido cis -2-decenoico , es capaz de inducir la dispersión e inhibir el crecimiento de colonias de biopelículas. Secretado por Pseudomonas aeruginosa , este compuesto induce células cicloheteromórficas en varias especies de bacterias y en la levadura Candida albicans . [34] También se ha demostrado que el óxido nítrico desencadena la dispersión de biopelículas de varias especies de bacterias [35] [36] en concentraciones subtóxicas. El óxido nítrico tiene potencial como tratamiento para pacientes que padecen infecciones crónicas causadas por biopelículas. [37]
En general, se suponía que las células dispersas de las biopelículas pasaban inmediatamente a la fase de crecimiento planctónico. Sin embargo, los estudios han demostrado que la fisiología de las células dispersas de las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa es muy diferente de la de las células planctónicas y de las biopelículas. [38] [39] Por lo tanto, el proceso de dispersión es una etapa única durante la transición de la biopelícula al estilo de vida planctónico en las bacterias. Se ha descubierto que las células dispersas son muy virulentas contra los macrófagos y Caenorhabditis elegans , pero muy sensibles al estrés férrico, en comparación con las células planctónicas. [38]
Además, las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa experimentan una dinámica espaciotemporal distinta durante la dispersión o desmontaje de la biopelícula, con consecuencias contrastantes en la recolonización y la diseminación de la enfermedad. [40] La dispersión de biopelículas indujo a las bacterias a activar genes de dispersión para apartarse activamente de las biopelículas como células individuales a velocidades constantes, pero no pudieron recolonizar superficies nuevas. Por el contrario, el desmontaje de la biopelícula mediante la degradación de un exopolisacárido de la biopelícula liberó agregados inmóviles a altas velocidades iniciales, lo que permitió a las bacterias recolonizar superficies frescas y causar infecciones en los huéspedes de manera eficiente. Por lo tanto, la dispersión de biopelículas es más compleja de lo que se pensaba anteriormente, donde las poblaciones bacterianas que adoptan un comportamiento distinto después de la salida de la biopelícula pueden ser la clave para la supervivencia de especies bacterianas y la diseminación de enfermedades.
Las biopelículas generalmente se encuentran sobre sustratos sólidos sumergidos o expuestos a una solución acuosa , aunque pueden formarse como esteras flotantes sobre superficies líquidas y también sobre la superficie de las hojas, particularmente en climas de alta humedad. Si se dispone de recursos suficientes para su crecimiento, una biopelícula rápidamente se volverá macroscópica (visible a simple vista). Las biopelículas pueden contener muchos tipos diferentes de microorganismos, por ejemplo, bacterias, arqueas , protozoos , hongos y algas ; cada grupo realiza funciones metabólicas especializadas . Sin embargo, algunos organismos formarán películas de una sola especie bajo ciertas condiciones. La estructura social (cooperación/competencia) dentro de una biopelícula depende en gran medida de las diferentes especies presentes. [41]
La matriz de EPS está formada por exopolisacáridos , proteínas y ácidos nucleicos. [42] [43] [44] Una gran proporción de los EPS están más o menos fuertemente hidratados, sin embargo, también se producen EPS hidrofóbicos; un ejemplo es la celulosa [45] , que es producida por una variedad de microorganismos. Esta matriz encierra las células en su interior y facilita la comunicación entre ellas a través de señales bioquímicas y el intercambio de genes. La matriz de EPS también atrapa enzimas extracelulares y las mantiene muy cerca de las células. Por lo tanto, la matriz representa un sistema de digestión externo y permite microconsorcios sinérgicos estables de diferentes especies. [46] Se ha descubierto que algunas biopelículas contienen canales de agua que ayudan a distribuir nutrientes y moléculas de señalización. [47] Esta matriz es lo suficientemente fuerte como para que, bajo ciertas condiciones, las biopelículas puedan fosilizarse ( estromatolitos ).
Las bacterias que viven en una biopelícula suelen tener propiedades significativamente diferentes a las de las bacterias que flotan libremente de la misma especie, ya que el entorno denso y protegido de la película les permite cooperar e interactuar de diversas maneras. [48] Un beneficio de este entorno es una mayor resistencia a los detergentes y antibióticos , ya que la densa matriz extracelular y la capa exterior de células protegen el interior de la comunidad. [49] [50] En algunos casos, la resistencia a los antibióticos puede aumentar hasta 5.000 veces. [51] La transferencia lateral de genes a menudo se facilita dentro de las biopelículas bacterianas y de arqueas [52] y puede conducir a una estructura de biopelícula más estable. [53] El ADN extracelular es un componente estructural importante de muchas biopelículas microbianas diferentes. [54] La degradación enzimática del ADN extracelular puede debilitar la estructura de la biopelícula y liberar células microbianas de la superficie.
Sin embargo, las biopelículas no siempre son menos susceptibles a los antibióticos. Por ejemplo, la forma de biopelícula de Pseudomonas aeruginosa no tiene mayor resistencia a los antimicrobianos que las células planctónicas en fase estacionaria, aunque cuando se compara la biopelícula con las células planctónicas en fase logarítmica, la biopelícula sí tiene mayor resistencia a los antimicrobianos. Esta resistencia a los antibióticos tanto en células en fase estacionaria como en biopelículas puede deberse a la presencia de células persistentes . [55]
Las biopelículas son omnipresentes en la vida orgánica. Casi todas las especies de microorganismos tienen mecanismos mediante los cuales pueden adherirse a las superficies y entre sí. Se formarán biopelículas en prácticamente todas las superficies que no se desprenden en ambientes acuosos o húmedos no estériles . Las biopelículas pueden crecer en los ambientes más extremos: desde, por ejemplo, las aguas extremadamente calientes y salobres de manantiales termales que van desde muy ácidas hasta muy alcalinas, hasta glaciares congelados .
Las biopelículas se pueden encontrar en rocas y guijarros en el fondo de la mayoría de arroyos o ríos y, a menudo, se forman en la superficie de charcos de agua estancada . Las biopelículas son componentes importantes de las cadenas alimentarias en ríos y arroyos y son pastadas por los invertebrados acuáticos de los que se alimentan muchos peces. Las biopelículas se encuentran en la superficie y el interior de las plantas. Pueden contribuir a las enfermedades de los cultivos o, como en el caso de los rizobios fijadores de nitrógeno en los nódulos de las raíces , existir simbióticamente con la planta . [56] Ejemplos de enfermedades de los cultivos relacionadas con las biopelículas incluyen el cancro de los cítricos, la enfermedad de Pierce de las uvas y la mancha bacteriana de plantas como los pimientos y los tomates. [57]
Los filtros de percolación en plantas de tratamiento de aguas residuales eliminan muy eficazmente las sustancias nocivas del licor de aguas residuales sedimentadas. Funcionan goteando el líquido sobre un lecho de material duro que está diseñado para tener una superficie muy grande. En la superficie del medio se desarrolla una biopelícula compleja que absorbe, adsorbe y metaboliza los contaminantes. La biopelícula crece rápidamente y cuando se vuelve demasiado espesa para retener el medio, se lava y es reemplazada por una película recién formada. La película lavada ("desprendida") se separa de la corriente líquida para dejar un efluente altamente purificado. [58]
Los filtros de arena lentos se utilizan en la purificación del agua para tratar el agua cruda y producir un producto potable. Funcionan mediante la formación de una biopelícula llamada capa hipogea o Schmutzdecke en los pocos milímetros superiores de la capa de arena fina. El Schmutzdecke se forma en los primeros 10 a 20 días de funcionamiento [59] y está formado por bacterias , hongos, protozoos , rotíferos y una variedad de larvas de insectos acuáticos. A medida que una biopelícula epigea envejece, tienden a desarrollarse más algas y pueden estar presentes organismos acuáticos más grandes, incluidos algunos briozoos , caracoles y gusanos anélidos . La biopelícula superficial es la capa que proporciona la purificación efectiva en el tratamiento de agua potable, la arena subyacente proporciona el medio de soporte para esta capa de tratamiento biológico. A medida que el agua pasa a través de la capa hipogea, las partículas de materia extraña quedan atrapadas en la matriz mucilaginosa y se adsorbe el material orgánico soluble . Los contaminantes son metabolizados por bacterias, hongos y protozoos. El agua producida a partir de un filtro de arena lento ejemplar es de excelente calidad con una reducción del recuento de células bacterianas del 90 al 99 %. [60]
Los microbios beneficiosos para las plantas se pueden clasificar como rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas . [61] Estos promotores del crecimiento de las plantas colonizan las raíces de las plantas y proporcionan una amplia gama de funciones beneficiosas para su huésped, incluida la fijación de nitrógeno, la supresión de patógenos, propiedades antifúngicas y la descomposición de materiales orgánicos. [62] Una de estas funciones es la defensa contra bacterias y hongos patógenos transmitidos por el suelo mediante resistencia sistémica inducida (ISR) [63] o respuestas sistémicas inducidas desencadenadas por microbios patógenos (resistencia sistémica adquirida inducida por patógenos). [64] Los exudados de las plantas actúan como señales químicas para que las bacterias específicas del huésped colonicen. [65] Los pasos de la colonización de rizobacterias incluyen atracción, reconocimiento, adherencia, colonización y crecimiento. [62] Las bacterias que han demostrado ser beneficiosas y formar biopelículas incluyen Bacillus , Pseudomonas y Azospirillum . [66] [67] Las biopelículas en la rizosfera a menudo resultan en resistencias sistémicas inducidas por patógenos o plantas. Las propiedades moleculares en la superficie de la bacteria provocan una respuesta inmune en la planta huésped. [65] Estas moléculas asociadas a microbios interactúan con receptores en la superficie de las células vegetales y activan una respuesta bioquímica que se cree que incluye varios genes diferentes en varios loci. [65] Varias otras moléculas de señalización se han relacionado tanto con respuestas sistémicas inducidas como con respuestas sistémicas inducidas por patógenos, como el ácido jasmónico y el etileno. [62] Componentes de la envoltura celular, como flagelos bacterianos y lipopolisacáridos, que las células vegetales reconocen como componentes de patógenos. [68] También se ha demostrado que ciertos metabolitos de hierro producidos por Pseudomonas crean una respuesta sistémica inducida. [65] Esta función de la biopelícula ayuda a las plantas a desarrollar una mayor resistencia a los patógenos.
Las plantas que han sido colonizadas por PGPR formando una biopelícula han adquirido resistencias sistémicas y están preparadas para defenderse contra patógenos. Esto significa que se han expresado los genes necesarios para la producción de proteínas que actúan para defender a la planta contra los patógenos, y la planta tiene una "reserva" de compuestos que liberar para combatir los patógenos. [65] Un sistema de defensa preparado responde mucho más rápido a la infección inducida por patógenos y puede desviar los patógenos antes de que puedan establecerse. [69] Las plantas aumentan la producción de lignina, reforzando las paredes celulares y dificultando la penetración de patógenos en la célula, al mismo tiempo que cortan los nutrientes de las células ya infectadas, deteniendo efectivamente la invasión. [62] Producen compuestos antimicrobianos como fitoalexinas, quitinasas e inhibidores de proteinasa, que previenen el crecimiento de patógenos. [64] Estas funciones de supresión de enfermedades y resistencia a patógenos conducen en última instancia a un aumento de la producción agrícola y una disminución en el uso de pesticidas, herbicidas y fungicidas químicos porque hay una menor pérdida de cultivos debido a enfermedades. [70] La resistencia sistémica inducida y la resistencia sistémica adquirida inducida por patógenos son funciones potenciales de las biopelículas en la rizosfera y deben tenerse en cuenta cuando se aplican a las prácticas agrícolas de la nueva era debido a su efecto en la supresión de enfermedades sin el uso de productos químicos peligrosos.
Estudios realizados en 2003 descubrieron que el sistema inmunológico favorece el desarrollo de biopelículas en el intestino grueso. Esto se vio respaldado principalmente por el hecho de que las dos moléculas producidas con mayor abundancia por el sistema inmunológico también apoyan la producción de biopelículas y están asociadas con las biopelículas desarrolladas en el intestino. Esto es especialmente importante porque el apéndice contiene una gran cantidad de estas biopelículas bacterianas. [71] Este descubrimiento ayuda a distinguir la posible función del apéndice y la idea de que el apéndice puede ayudar a reinocular el intestino con una buena flora intestinal. Sin embargo, los estados modificados o alterados de las biopelículas en el intestino se han relacionado con enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal y el cáncer colorrectal . [72]
En el entorno humano, las biopelículas pueden crecer muy fácilmente en las duchas, ya que les proporcionan un ambiente húmedo y cálido para que prosperen. Pueden formarse dentro de tuberías de agua y alcantarillado y provocar obstrucciones y corrosión . En pisos y mostradores, pueden dificultar la higiene en las áreas de preparación de alimentos. En el suelo, pueden provocar bioobstrucción . En sistemas de refrigeración o calefacción de agua, se sabe que reducen la transferencia de calor. [73] Las biopelículas en sistemas de ingeniería marina, como los oleoductos de la industria del petróleo y el gas en alta mar, [74] pueden provocar importantes problemas de corrosión. La corrosión se debe principalmente a factores abióticos; sin embargo, al menos el 20% de la corrosión es causada por microorganismos que están adheridos al subsuelo del metal (es decir, corrosión influenciada por microbios ).
La adhesión bacteriana a los cascos de los barcos sirve como base para la bioincrustación de los buques marítimos. Una vez que se forma una película de bacterias, es más fácil que otros organismos marinos, como los percebes, se adhieran. Esta contaminación puede reducir la velocidad máxima del barco hasta en un 20%, prolongando los viajes y consumiendo combustible. El tiempo en dique seco para reacondicionamiento y repintado reduce la productividad de los activos de transporte marítimo, y la vida útil de los buques también se reduce debido a la corrosión y la eliminación mecánica (raspado) de organismos marinos de los cascos de los buques.
Los estromatolitos son estructuras de acreción en capas formadas en aguas poco profundas mediante la captura, unión y cementación de granos sedimentarios por biopelículas microbianas, especialmente de cianobacterias . Los estromatolitos incluyen algunos de los registros de vida más antiguos en la Tierra y todavía se están formando en la actualidad.
Dentro del cuerpo humano, las biopelículas están presentes en los dientes en forma de placa dental , donde pueden causar caries y enfermedades de las encías . Estas biopelículas pueden estar en un estado no calcificado que puede eliminarse con instrumentos dentales o en un estado calcificado que es más difícil de eliminar. Las técnicas de eliminación también pueden incluir antimicrobianos . [75]
La placa dental es una biopelícula oral que se adhiere a los dientes y está formada por muchas especies de bacterias y hongos (como Streptococcus mutans y Candida albicans ), incrustadas en polímeros salivales y productos extracelulares microbianos. La acumulación de microorganismos somete los dientes y los tejidos gingivales a altas concentraciones de metabolitos bacterianos que resultan en enfermedades dentales. [76] La biopelícula en la superficie de los dientes está frecuentemente sujeta a estrés oxidativo [77] y estrés ácido. [78] Los carbohidratos de la dieta pueden causar una disminución dramática en el pH de las biopelículas orales a valores de 4 o menos (estrés ácido). [78] Un pH de 4 a una temperatura corporal de 37 °C provoca la depurinación del ADN, dejando sitios apurínicos (AP) en el ADN, [79] especialmente la pérdida de guanina. [80]
La biopelícula de placa dental puede provocar caries dental si se permite que se desarrolle con el tiempo. Un cambio ecológico que se aleja de las poblaciones equilibradas dentro de la biopelícula dental es impulsado por ciertas poblaciones microbiológicas (cariogénicas) que comienzan a dominar cuando el entorno las favorece. El cambio hacia una población microbiológica acidogénica , acidúrica y cariogénica se desarrolla y se mantiene mediante el consumo frecuente de carbohidratos dietéticos fermentables . El cambio de actividad resultante en la biopelícula (y la producción de ácido resultante dentro de la biopelícula, en la superficie del diente) se asocia con un desequilibrio entre la desmineralización y la remineralización, lo que lleva a una pérdida neta de minerales dentro de los tejidos dentales duros ( esmalte y luego dentina ), siendo el síntoma una lesión cariosa o cavidad. Al impedir que madure la biopelícula de placa dental o devolverla a un estado no cariogénico, se puede prevenir y detener la caries dental. [81] [82] Esto se puede lograr mediante el paso conductual de reducir el suministro de carbohidratos fermentables (es decir, la ingesta de azúcar) y la eliminación frecuente de la biopelícula (es decir, el cepillado de dientes ). [81]
Un sistema de señalización de detección de quórum de feromonas peptídicas en S. mutans incluye el péptido estimulante de la competencia (CSP) que controla la competencia genética. [83] [84] La competencia genética es la capacidad de una célula de absorber el ADN liberado por otra célula. La competencia puede conducir a la transformación genética, una forma de interacción sexual, favorecida en condiciones de alta densidad celular y/o estrés donde existe la máxima oportunidad de interacción entre la célula competente y el ADN liberado de las células donantes cercanas. Este sistema se expresa de manera óptima cuando las células de S. mutans residen en una biopelícula en crecimiento activo. Las células de S. mutans cultivadas en biopelículas se transforman genéticamente a un ritmo de 10 a 600 veces mayor que las de S. mutans que crecen como células planctónicas que flotan libremente suspendidas en líquido. [83]
Cuando la biopelícula, que contiene S. mutans y estreptococos orales relacionados, se somete a estrés ácido, se induce la competencia regulon, lo que lleva a la resistencia a ser destruido por el ácido. [78] Como señalaron Michod et al., la transformación en patógenos bacterianos probablemente proporciona una reparación recombinacional eficaz y eficiente de los daños en el ADN. [85] Parece que S. mutans puede sobrevivir al estrés ácido frecuente en las biopelículas orales, en parte, a través de la reparación recombinacional proporcionada por la competencia y la transformación.
Interacciones depredador-presa
Se han estudiado ampliamente las interacciones depredador - presa entre biopelículas y bacterívoros, como el nematodo Caenorhabditis elegans que habita en el suelo . Mediante la producción de una matriz pegajosa y la formación de agregados, las biopelículas de Yersinia pestis pueden impedir la alimentación obstruyendo la boca de C. elegans . [86] Además, las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa pueden impedir la motilidad deslizante de C. elegans , denominada "fenotipo de atolladero", lo que resulta en la captura de C. elegans dentro de las biopelículas e impide la exploración de nematodos para alimentarse de biopelículas susceptibles. [87] Esto redujo significativamente la capacidad del depredador para alimentarse y reproducirse, promoviendo así la supervivencia de las biopelículas. Las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa también pueden enmascarar sus firmas químicas, donde redujeron la difusión de moléculas de detección de quórum en el medio ambiente e impidieron la detección de C. elegans . [88]
Muchas bacterias diferentes forman biopelículas, incluidas especies grampositivas (p. ej., Bacillus spp, Listeria monocytogenes , Staphylococcus spp y bacterias del ácido láctico , incluidas Lactobacillus plantarum y Lactococcus lactis ) y gramnegativas (p. ej. , Escherichia coli o Pseudomonas aeruginosa ). [89] Las cianobacterias también forman biopelículas en ambientes acuáticos. [90]
Las biopelículas están formadas por bacterias que colonizan las plantas, por ejemplo, Pseudomonas putida , Pseudomonas fluorescens y pseudomonas relacionadas, que son bacterias comunes asociadas a las plantas que se encuentran en las hojas, las raíces y el suelo, y la mayoría de sus aislados naturales forman biopelículas. [91] Varios simbiontes de leguminosas fijadores de nitrógeno, como Rhizobium leguminosarum y Sinorhizobium meliloti, forman biopelículas en las raíces de las leguminosas y otras superficies inertes. [91]
Junto con las bacterias, las arqueas [52] y una variedad de organismos eucariotas , incluidos hongos, por ejemplo Cryptococcus laurentii [92] y microalgas , también generan biopelículas . Entre las microalgas, uno de los principales progenitores de las biopelículas son las diatomeas , que colonizan ambientes tanto frescos como marinos en todo el mundo. [93] [94]
Para otras especies en biopelículas asociadas a enfermedades y biopelículas que surgen de eucariotas , ver más abajo.
Se ha descubierto que las biopelículas están involucradas en una amplia variedad de infecciones microbianas en el cuerpo, según una estimación, el 80% de todas las infecciones. [95] Los procesos infecciosos en los que se han implicado las biopelículas incluyen problemas comunes como vaginosis bacteriana , infecciones del tracto urinario , infecciones del catéter , infecciones del oído medio , formación de placa dental , [96] gingivitis , recubrimiento de lentes de contacto , [97] y menos. Procesos comunes pero más letales como endocarditis , infecciones en fibrosis quística e infecciones de dispositivos permanentes como prótesis articulares , válvulas cardíacas y discos intervertebrales. [98] [99] [100] La primera evidencia visual de una biopelícula se registró después de una cirugía de columna. [101] Se descubrió que, en ausencia de una presentación clínica de infección, las bacterias impregnadas podrían formar una biopelícula alrededor de un implante, y esta biopelícula puede pasar desapercibida mediante los métodos de diagnóstico contemporáneos, incluido el hisopo. La biopelícula implantaria está frecuentemente presente en casos de pseudoartrosis "asépticas". [101] [102] [103] Además, se ha observado que las biopelículas bacterianas pueden afectar la cicatrización de heridas cutáneas y reducir la eficacia antibacteriana tópica en la curación o el tratamiento de heridas cutáneas infectadas. [104] Se cree que la diversidad de células de P. aeruginosa dentro de una biopelícula dificulta el tratamiento de los pulmones infectados de personas con fibrosis quística. [14] La detección temprana de biopelículas en las heridas es crucial para el tratamiento exitoso de las heridas crónicas. Aunque se han desarrollado muchas técnicas para identificar bacterias planctónicas en heridas viables, pocas han podido identificar biopelículas bacterianas de forma rápida y precisa. Se necesitan estudios futuros para encontrar medios para identificar y monitorear la colonización de biopelículas al lado de la cama para permitir el inicio oportuno del tratamiento. [105]
Se ha demostrado que hay biopelículas presentes en el tejido extirpado del 80% de los pacientes sometidos a cirugía por sinusitis crónica . Se demostró que los pacientes con biopelículas estaban despojados de cilios y células caliciformes , a diferencia de los controles sin biopelículas que tenían cilios y células caliciformes normales. [106] También se encontraron biopelículas en muestras de dos de los 10 controles sanos mencionados. Las especies de bacterias de los cultivos intraoperatorios no se correspondían con las especies de bacterias de la biopelícula del tejido del paciente respectivo. En otras palabras, los cultivos fueron negativos aunque las bacterias estaban presentes. [107] Se están desarrollando nuevas técnicas de tinción para diferenciar las células bacterianas que crecen en animales vivos, por ejemplo, de tejidos con inflamaciones alérgicas. [108]
Las investigaciones han demostrado que niveles subterapéuticos de antibióticos β-lactámicos inducen la formación de biopelículas en Staphylococcus aureus . Este nivel subterapéutico de antibióticos puede deberse al uso de antibióticos como promotores del crecimiento en la agricultura o durante el curso normal de la terapia con antibióticos. La formación de biopelículas inducida por niveles bajos de meticilina fue inhibida por la ADNasa, lo que sugiere que los niveles subterapéuticos de antibióticos también inducen la liberación de ADN extracelular. [109] Además, desde un punto de vista evolutivo, la creación de la tragedia de los bienes comunes en microbios patógenos puede proporcionar formas terapéuticas avanzadas para las infecciones crónicas causadas por biopelículas a través de tramposos invasivos genéticamente modificados que pueden invadir a los 'cooperadores' de tipo salvaje de patógenos. bacterias hasta que las poblaciones cooperadoras se extingan o la población general de 'cooperadores y tramposos' se extinga. [110]
P. aeruginosa representa un organismo modelo de biopelículas comúnmente utilizado , ya que participa en diferentes tipos de infecciones crónicas asociadas a biopelículas. [42] Ejemplos de tales infecciones incluyen heridas crónicas, otitis media crónica, prostatitis crónica e infecciones pulmonares crónicas enpacientes con fibrosis quística (FQ). Alrededor del 80% de los pacientes con FQ tienen una infección pulmonar crónica, causada principalmente por P. aeruginosa que crece en biopelículas no adheridas a la superficie y rodeadas de PMN . [111] La infección permanece presente a pesar de la terapia antibiótica agresiva y es una causa común de muerte en pacientes con FQ debido al daño inflamatorio constante en los pulmones. [42] En pacientes con FQ, una terapia para tratar el desarrollo temprano de biopelículas es emplear ADNasa para debilitar estructuralmente la biopelícula. [5] [112]
La formación de biopelículas de P. aeruginosa , junto con otras bacterias, se encuentra en el 90% de las infecciones crónicas de las heridas, lo que conduce a una mala curación y a un alto costo del tratamiento estimado en más de 25 mil millones de dólares cada año en los Estados Unidos . [113] Para minimizar la infección por P. aeruginosa , las células epiteliales del huésped secretan péptidos antimicrobianos , como la lactoferrina , para prevenir la formación de biopelículas. [114]
Streptococcus pneumoniae es la principal causa de neumonía y meningitis adquiridas en la comunidad en niños y ancianos, y de sepsis en personas infectadas por el VIH. Cuando S. pneumoniae crece en biopelículas, se expresan genes específicamente que responden al estrés oxidativo e inducen competencia. [115] La formación de una biopelícula depende del péptido estimulante de la competencia (CSP). CSP también funciona como un péptido sensor de quórum. No sólo induce la formación de biopelículas, sino que también aumenta la virulencia en la neumonía y la meningitis.
Se ha propuesto que el desarrollo de competencias y la formación de biopelículas es una adaptación de S. pneumoniae para sobrevivir a las defensas del huésped. [85] En particular, los leucocitos polimorfonucleares del huésped producen una explosión oxidativa para defenderse contra las bacterias invasoras, y esta respuesta puede matar las bacterias al dañar su ADN. Las S. pneumoniae competentes en una biopelícula tienen la ventaja de supervivencia de que pueden transformar más fácilmente el ADN de las células cercanas en la biopelícula para usarlo en la reparación recombinacional de los daños oxidativos en su ADN. La S. pneumoniae competente también puede secretar una enzima (mureína hidrolasa) que destruye las células no competentes (fratricidio), lo que provoca que el ADN se libere en el medio circundante para su posible uso por parte de las células competentes. [116]
El péptido antimicrobiano de insectos cecropina A puede destruir células de E. coli uropatógenas planctónicas y sésiles formadoras de biopelículas , ya sea sola o en combinación con el antibiótico ácido nalidíxico , eliminando sinérgicamente la infección in vivo (en el insecto huésped Galleria mellonella ) sin citotoxicidad fuera del objetivo. El mecanismo de acción multiobjetivo implica la permeabilización de la membrana externa seguida de la alteración de la biopelícula provocada por la inhibición de la actividad de la bomba de eflujo y las interacciones con los ácidos nucleicos extracelulares e intracelulares. [117]
Las biopelículas de Escherichia coli son responsables de muchas enfermedades infecciosas intestinales. [118] El grupo extraintestinal de E. coli (ExPEC) es el grupo bacteriano dominante que ataca el sistema urinario , lo que provoca infecciones del tracto urinario . [119] La formación de biopelículas de estas E. coli patógenas es difícil de erradicar debido a la complejidad de su estructura de agregación y tiene una contribución significativa al desarrollo de complicaciones médicas agresivas, al aumento de la tasa de hospitalización y al costo del tratamiento. [120] [121] El desarrollo de biopelículas de E. coli es una de las principales causas comunes de infecciones del tracto urinario (ITU) en hospitales debido a su contribución al desarrollo de infecciones asociadas a dispositivos médicos . Las infecciones del tracto urinario asociadas a catéteres (IACU) representan la infección hospitalaria más comúndebido a la formación de la biopelícula patógena de E. coli dentro de los catéteres. [122]
El patógeno Staphylococcus aureus puede atacar la piel y los pulmones, provocando infecciones de la piel y neumonía . [123] [124] Además, la red de infecciones por biopelículas de S. aureus desempeña un papel fundamental en la prevención de que las células inmunitarias, como los macrófagos , eliminen y destruyan las células bacterianas. [125] Además, la formación de biopelículas por parte de bacterias, como S. aureus , no solo desarrolla resistencia contra los antibióticos , sino que también desarrolla resistencia interna hacia los péptidos antimicrobianos (AMP) , lo que lleva a prevenir la inhibición del patógeno y mantener su supervivencia. [126]
Se sugiere que alrededor de dos tercios de las infecciones bacterianas en humanos involucran biopelículas. [51] [127] Las infecciones asociadas con el crecimiento de biopelículas generalmente son difíciles de erradicar. [128] Esto se debe principalmente al hecho de que las biopelículas maduras muestran tolerancia a los antimicrobianos y evasiones de la respuesta inmune. [129] [42] Las biopelículas a menudo se forman en las superficies inertes de dispositivos implantados, como catéteres, prótesis de válvulas cardíacas y dispositivos intrauterinos. [130] Algunas de las infecciones más difíciles de tratar son las asociadas con el uso de dispositivos médicos. [51] [102]
La industria mundial en rápida expansión de dispositivos biomédicos y productos relacionados con la ingeniería de tejidos ya alcanza los 180 mil millones de dólares al año, pero esta industria continúa sufriendo la colonización microbiana. No importa la sofisticación, las infecciones microbianas pueden desarrollarse en todos los dispositivos médicos y construcciones de ingeniería de tejidos. [129] Entre el 60% y el 70% de las infecciones adquiridas en hospitales están asociadas con la implantación de un dispositivo biomédico. [129] Esto genera 2 millones de casos anualmente en los EE. UU., lo que le cuesta al sistema de salud más de $ 5 mil millones en gastos de atención médica adicionales. [129]
El nivel de resistencia a los antibióticos en una biopelícula es mucho mayor que el de las bacterias que no forman parte de la biopelícula y puede ser hasta 5.000 veces mayor. [51] La matriz extracelular de la biopelícula se considera uno de los principales factores que pueden reducir la penetración de los antibióticos en la estructura de la biopelícula y contribuye a la resistencia a los antibióticos. [131] Además, se ha demostrado que la evolución de la resistencia a los antibióticos puede verse afectada por el estilo de vida de las biopelículas. [132] La terapia con bacteriófagos puede dispersar la biopelícula generada por bacterias resistentes a los antibióticos. [133]
Se ha demostrado que la introducción de una pequeña corriente de electricidad en el líquido que rodea una biopelícula, junto con pequeñas cantidades de antibiótico, puede reducir el nivel de resistencia a los antibióticos a niveles de bacterias que no pertenecen a la biopelícula. Esto se denomina efecto bioeléctrico . [51] [134] La aplicación de una pequeña corriente continua por sí sola puede provocar que una biopelícula se desprenda de su superficie. [51] Un estudio demostró que el tipo de corriente utilizada no hacía ninguna diferencia en el efecto bioeléctrico. [134]
Las biopelículas también pueden aprovecharse con fines constructivos. Por ejemplo, muchas plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen una etapa de tratamiento secundario en la que las aguas residuales pasan sobre biopelículas cultivadas en filtros, que extraen y digieren compuestos orgánicos. En dichas biopelículas, las bacterias son las principales responsables de la eliminación de la materia orgánica ( DBO ), mientras que los protozoos y los rotíferos son los principales responsables de la eliminación de los sólidos suspendidos (SS), incluidos los patógenos y otros microorganismos. Los filtros de arena lentos dependen del desarrollo de biopelículas de la misma manera que filtran el agua superficial de lagos, manantiales o ríos para beber. Lo que se considera agua limpia es en realidad un material de desecho para estos organismos microcelulares. Las biopelículas pueden ayudar a eliminar el petróleo de océanos o sistemas marinos contaminados. El petróleo es eliminado por las actividades degradantes de hidrocarburos de comunidades de bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB). [135] Las biopelículas se utilizan en celdas de combustible microbianas (MFC) para generar electricidad a partir de una variedad de materiales de partida, incluidos desechos orgánicos complejos y biomasa renovable. [8] [136] [137] Las biopelículas también son relevantes para la mejora de la disolución de metales en la industria de la biolixiviación , [138] y la agregación de contaminantes microplásticos para una eliminación conveniente del medio ambiente. [139] [140]
Las biopelículas se han vuelto problemáticas en varias industrias alimentarias debido a su capacidad de formarse en las plantas y durante los procesos industriales. [141] Las bacterias pueden sobrevivir largos períodos de tiempo en el agua, el estiércol animal y el suelo, provocando la formación de biopelículas en las plantas o en los equipos de procesamiento. [142] La acumulación de biopelículas puede afectar el flujo de calor a través de una superficie y aumentar la corrosión de la superficie y la resistencia a la fricción de los fluidos. [143] Estos pueden provocar una pérdida de energía en un sistema y una pérdida general de productos. [143] Junto con los problemas económicos, la formación de biopelículas en los alimentos representa un riesgo para la salud de los consumidores debido a la capacidad de hacer que los alimentos sean más resistentes a los desinfectantes [141] Como resultado, de 1996 a 2010 los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades estimaron 48 millones de enfermedades transmitidas por alimentos al año. [141] Las biopelículas se han relacionado con aproximadamente el 80% de las infecciones bacterianas en los Estados Unidos. [141]
En los productos agrícolas , los microorganismos se adhieren a las superficies y se desarrollan biopelículas internamente. [141] Durante el proceso de lavado, las biopelículas resisten la desinfección y permiten que las bacterias se propaguen por los productos, [141] especialmente a través de los utensilios de cocina. [144] Este problema también se encuentra en los alimentos listos para el consumo, porque los alimentos pasan por procedimientos de limpieza limitados antes de su consumo . [141] Debido a la perecibilidad de los productos lácteos y las limitaciones en los procedimientos de limpieza, lo que resulta en la acumulación de bacterias, los productos lácteos es susceptible a la formación de biopelículas y a la contaminación. [141] [143] Las bacterias pueden estropear los productos más fácilmente y los productos contaminados representan un riesgo para la salud de los consumidores. Una especie de bacteria que se puede encontrar en diversas industrias y es una de las principales causas de enfermedades transmitidas por los alimentos es la Salmonella . [145] Se pueden encontrar grandes cantidades de contaminación por Salmonella en la industria de procesamiento de aves, ya que aproximadamente el 50% de las cepas de Salmonella pueden producir biopelículas en las granjas avícolas. [141] La Salmonella aumenta el riesgo de enfermedades transmitidas por los alimentos cuando los productos avícolas no se limpian y cocinan correctamente. La salmonella también se encuentra en la industria pesquera, donde se forman biopelículas a partir de patógenos transmitidos por los mariscos tanto en los propios mariscos como en el agua. [145] Los productos de camarón se ven comúnmente afectados por Salmonella debido a técnicas de procesamiento y manipulación antihigiénicas. [145] Las prácticas de preparación de camarones y otros productos del mar pueden permitir la acumulación de bacterias en los productos. [145]
Se están probando nuevas formas de procedimientos de limpieza para reducir la formación de biopelículas en estos procesos, lo que conducirá a industrias de procesamiento de alimentos más seguras y productivas. Estas nuevas formas de procedimientos de limpieza también tienen un profundo efecto en el medio ambiente, liberando a menudo gases tóxicos en los depósitos de agua subterránea. [143] Como respuesta a los métodos agresivos empleados para controlar la formación de biopelículas, se están investigando una serie de tecnologías y productos químicos novedosos que pueden prevenir la proliferación o la adhesión de microbios secretores de biopelículas. Las últimas biomoléculas propuestas que presentan una marcada actividad anti-biopelícula incluyen una variedad de metabolitos como ramnolípidos bacterianos [146] e incluso alcaloides de origen vegetal [147] y animales . [148]
En la acuicultura de mariscos y algas , las especies microbianas bioincrustantes tienden a bloquear redes y jaulas y, en última instancia, superan a las especies cultivadas por espacio y alimento. [149] Las biopelículas bacterianas inician el proceso de colonización creando microambientes que son más favorables para las especies bioincrustantes. En el entorno marino, las biopelículas podrían reducir la eficiencia hidrodinámica de los barcos y las hélices, provocar el bloqueo de las tuberías y el mal funcionamiento de los sensores, y aumentar el peso de los aparatos desplegados en el agua de mar. [150] Numerosos estudios han demostrado que la biopelícula puede ser un reservorio de bacterias potencialmente patógenas en la acuicultura de agua dulce. [151] [152] [153] [154] Además, las biopelículas son importantes para establecer infecciones en los peces. [155] Como se mencionó anteriormente, las biopelículas pueden ser difíciles de eliminar incluso cuando se usan antibióticos o productos químicos en dosis altas. [156] [157] El papel que desempeña la biopelícula como reservorio de bacterias patógenas para peces no se ha explorado en detalle, pero ciertamente merece ser estudiado.
Junto con las bacterias, las biopelículas suelen ser iniciadas y producidas por microbios eucariotas. Las biopelículas producidas por los eucariotas suelen estar ocupadas por bacterias y otros eucariotas por igual; sin embargo, la superficie se cultiva y el EPS es secretado inicialmente por el eucariota. [92] [93] [158] Se sabe que tanto los hongos como las microalgas forman biopelículas de esta manera. Las biopelículas de origen fúngico son aspectos importantes de la infección humana y la patogenicidad de los hongos, ya que la infección por hongos es más resistente a los antifúngicos. [159] [160]
En el medio ambiente, las biopelículas fúngicas son un área de investigación en curso. Un área clave de investigación son las biopelículas fúngicas en las plantas. Por ejemplo, en el suelo, se ha demostrado que los hongos asociados a las plantas, incluidas las micorrizas , descomponen la materia orgánica y protegen a las plantas de patógenos bacterianos. [161]
Las biopelículas en ambientes acuáticos a menudo están formadas por diatomeas . Se desconoce el propósito exacto de estas biopelículas, sin embargo, hay evidencia de que el EPS producido por las diatomeas facilita el estrés tanto por frío como por salinidad. [94] [162] Estos eucariotas interactúan con una amplia gama de otros organismos dentro de una región conocida como ficosfera , pero lo más importante son las bacterias asociadas con las diatomeas, ya que se ha demostrado que aunque las diatomeas excretan EPS, solo lo hacen cuando interactúan. con ciertas especies de bacterias. [163] [164]
La transferencia horizontal de genes es la transferencia lateral de material genético entre organismos celulares. Ocurre con frecuencia en procariotas y con menos frecuencia en eucariotas. En las bacterias, la transferencia horizontal de genes puede ocurrir mediante transformación (captación de ADN que flota libremente en el medio ambiente), transducción (captación de ADN mediada por virus) o conjugación (transferencia de ADN entre estructuras de pili de dos bacterias adyacentes). [165] Estudios recientes también han descubierto otros mecanismos, como la transmisión de vesículas de membrana o agentes de transferencia de genes. [166] Las biopelículas promueven la transferencia horizontal de genes de diversas maneras.
Se ha demostrado que la conjugación bacteriana acelera la formación de biopelículas en entornos difíciles debido a las conexiones robustas establecidas por los pili conjugativos . [167] Estas conexiones a menudo pueden fomentar eventos de transferencia entre especies debido a la heterogeneidad diversa de muchas biopelículas. Además, las biopelículas están confinadas estructuralmente por una matriz de polisacárido, lo que proporciona los requisitos espaciales cercanos para la conjugación. La transformación también se observa frecuentemente en las biopelículas. La autólisis bacteriana es un mecanismo clave en la regulación estructural de las biopelículas, ya que proporciona una fuente abundante de ADN competente preparado para la absorción transformadora. [168] [166] En algunos casos, la detección de quórum entre biopelículas puede mejorar la competencia del ADNe flotante libre, promoviendo aún más la transformación. [166] La transferencia del gen Stx a través de portadores de bacteriófagos se ha observado dentro de las biopelículas, lo que sugiere que las biopelículas también son un entorno adecuado para la transducción. [166] La HGT de vesículas de membrana se produce cuando las vesículas de membrana liberadas (que contienen información genética) se fusionan con una bacteria receptora y liberan material genético en el citoplasma de la bacteria. [166] Investigaciones recientes han revelado que la HGT de vesículas de membrana puede promover la formación de biopelículas de una sola cepa, aunque aún se desconoce el papel que desempeña la HGT de vesículas de membrana en la formación de biopelículas de múltiples cepas. [166] Los GTA, o agentes de transferencia de genes, son partículas similares a fagos producidas por la bacteria huésped y contienen fragmentos aleatorios de ADN del genoma de la bacteria huésped. [166] La HGT dentro de las biopelículas puede conferir resistencia a los antibióticos o una mayor patogenicidad en toda la población de biopelículas, promoviendo la homeostasis de las biopelículas. [166]
Los plásmidos conjugativos pueden codificar proteínas asociadas a biopelículas, como PtgA, PrgB o PrgC, que promueven la adhesión celular (necesaria para la formación temprana de biopelículas). [169] Los genes que codifican las fimbrias tipo III se encuentran en pOLA52 ( plásmido de Klebsiella pneumoniae ) que promueven la formación de biopelículas dependientes de pilus conjugativo. [169]
La transformación ocurre comúnmente dentro de las biopelículas. Entre las especies de estreptococos se puede observar un fenómeno llamado fratricidio en el que se liberan enzimas que degradan la pared celular, lisando las bacterias vecinas y liberando su ADN. Este ADN puede ser absorbido por las bacterias supervivientes (transformación). [169] Los péptidos estimulantes de la competencia también pueden desempeñar un papel importante en la formación de biopelículas entre S. pneumoniae y S. mutans . [169] Entre V. cholerae , el pilus de competencia en sí promueve la agregación celular a través de interacciones pilus-pilus al comienzo de la formación de biopelículas. [169]
La invasión de fagos puede desempeñar un papel en los ciclos de vida de las biopelículas, lisando bacterias y liberando su ADNe, que fortalece las estructuras de las biopelículas y puede ser absorbido por las bacterias vecinas en la transformación. [169] La destrucción de la biopelícula causada por el fago Rac de E. coli y el profago Pf4 de P. aeruginosa provoca el desprendimiento de células de la biopelícula. [169] El desprendimiento es un fenómeno de biopelícula que requiere más estudio, pero se supone que prolifera las especies bacterianas que componen la biopelícula.
Se ha observado que la HGT de vesículas de membrana ocurre en ambientes marinos, entre Neisseria gonorrhoeae , Pseudomonas aeruginosa , Helicobacter pylori y muchas otras especies bacterianas. [169] Aunque se ha demostrado que la HGT de vesículas de membrana es un factor que contribuye a la formación de biopelículas, todavía se requiere investigación para demostrar que la HGT mediada por vesículas de membrana ocurre dentro de las biopelículas. [166] [169] También se ha demostrado que la HGT de vesícula de membrana modula las interacciones fago-bacteria en células resistentes a fagos de Bacillus subtilis SPP1 (que carecen de la proteína receptora SPP1). Tras la exposición a vesículas que contienen receptores, se produce la transducción de pBT163 (un plásmido que codifica para gatos), lo que da como resultado la expresión de la proteína del receptor SPP1, abriendo las bacterias receptivas a futuras infecciones por fagos. [169]
Investigaciones recientes han demostrado que la especie de arqueas H. volcanii tiene algunos fenotipos de biopelículas similares a las biopelículas bacterianas, como la diferenciación y la HGT, que requirieron contacto entre células e implicaron la formación de puentes citosólicos y eventos de fusión celular. [170]
Existe una amplia variedad de dispositivos de cultivo de biopelículas para imitar entornos naturales o industriales. Aunque es importante considerar que la plataforma experimental particular para la investigación de biopelículas determina qué tipo de biopelícula se cultiva y los datos que se pueden extraer. Estos dispositivos se pueden agrupar en los siguientes: [171]
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