Biofilm, come lo formano i batteri

I Batteri, ed in genere i microorganismi unicellulari, si trovano in natura in due diverse configurazioni: Forma fluttuante o Stato aggregato o sessile.biofilm

Nella forma fluttuante sono liberi di muoversi fluttuando o nuotando (se sono dotati di intrinseche capacità di movimento) nell’acqua.

Nello stato aggregato i batteri aderiscono dapprima ad una superficie solida. In natura i microrganismi sono attirati da superfici solide su cui si depositano.

I batteri planctonici (fluttuanti) possono iniziare il processo di adesività anche in presenza di flussi continui sia laminari che turbolenti.

La formazione del biofilm è un processo dinamico che si sviluppa in 5 fasi:

1) attecchimento iniziale

2) attecchimento irreversibile 

3) maturazione I 

4) maturazione II 

5) dispersione

1) Il processo di attecchimento inizia grazie ad una modifica dell’espressione genica del batterio indotta dal contatto con una superficie di appoggio. La formazione di microcolonie è un processo influenzato da segnali ambientali quali osmolarità, pH, disponibilità di ferro, ossigeno, temperatura e disponibilità di nutrienti. L’attecchimento iniziale del batterio ad una superficie è regolato dalle deboli forze di Van der Waals e dalla formazione dei pili curli. Crescendo numericamente i componenti di una colonia batterica attivano dei geni responsabili della loro formazione. Questi sono pili noti come fibre aggregative. Si formano a livello della membrana e sono numericamente variabili da batterio a batterio, sono più piccoli dei flagelli e non sono coinvolti nel movimento cellulare.

2) La stabilità della microcolonia al substrato è regolato dalla disponibilità d nutrienti e si realizza attraverso la formazione di un polisaccaride intercellulare adesivo (PIA) che è l’unità fondamentale della matrice stabilizzante.

3-4) La maturazione del biofilm è regolata da un processo denominato quorum-sensing che è un meccanismo secondo il quale vi è una modifica della espressione dei geni batterici in risposta all’aumento della densità di popolazione batterica. Quello che si viene a formare è quindi una struttura stratificata di batteri ancorati gli uni agli altri per mezzo dei pili, in mezzo ai quali viene secreta la matrice polisaccaridica all’interno della quale si formano dei canali dell’acqua la cui funzione è quella di permettere la diffusiome dei nutrienti.

5) Un eccesso di nutrienti provoca una diminuzione dello spessore del biofilm per rilascio in forma planctonica dei batteri. Questa condizione viene definita “repressione da catabolita”, e rappresenta un sistema di controllo per la formazione dei biofilm sia nei batteri Gram-positivi sia in quelli Gram-negativi. Infatti un batterio in forma fluttuante espone una superficie maggiore rispetto a quando è incluso nel biofilm, pertanto la sua inclusione limiterebbe i suoi scambi nutritivi con l’ambiente (nell’acquariofilia questo procedimento è osservabile aggiungendo del glucosio all’acqua la quale entro breve si trasforma da limpida a torbida per la liberazione massiccia di batteri dai substrati di sostegno del biofilm).
Un ambiente povero di nutrienti provoca lo stesso effetto di uno ricco di nutrienti sullo spessore del biofilm. Esso si riduce in quanto, per i batteri, in condizioni spinte di mancanza di nutrimento, può essere vantaggioso tornare allo stile di vita planctonico per colonizzare un nuovo ambiente più favorevole.

I biofilm possono essere monospecifici quando composti di una sola specie di batteri, oppure possono essere, più frequentemente, colonie eterogenee di batteri (consorzio batterico). I biofilm costituiti da varie specie batteriche risultano più spessi e stabili di quelli a singola specie batterica. Inoltre la cooperazione batterica dei biofilm a colonie miste presenta una maggior resistenza ai detergenti e agli antibiotici. I biofilm sono strutturati per consentire la respirazione e lo scambio di liquidi e sostanze nutritive, mentre impediscono l’accesso alle sostanze tossiche.

Il biofilm è una componente della filtrazione dei nostri laghetti e un filtro ben maturato sarà coperto con questa sostanza. Ma di questo substrato batterico ve ne sarà presenza anche nei tubi e sulle pareti del nostro pond.
Il biofilm batterico può e vuole crescere su ogni componente bagnata dall’acqua in quanto i batteri sono attratti da aree ricoperte di sostanze nutritive che negli habitat acquatici tendono a comporsi sulle superfici.

L’accumulo e la moltiplicazione di un consorzio batterico (formato da tipi diversi di batteri) che hanno trovato la condizione ottimale forma una pila crescente di cellule batteriche che, collegandosi tra loro attraverso la segnalazione batterica ed il quorum sensing, produrranno pili e la secrezione di una matrice extracellulare polimerica.
Questa matrice extracellulare (EPS) nel biofilm si aggira tra il 50% e il 90% ed è considerata la materia prima del biofilm. Le proprietà chimico-fisiche di questa matrice possono variare molto, ma è principalmente composta da un esopolisaccaride neutro o, come nei batteri Gram-negativi, polianionico.
La natura della matrice polimerica, oltre ad essere correlata, quindi, alle strutture esopolisaccaridiche, dipende anche da diversi fattori estrinseci, come le proprietà chimico-fisiche dell’ambiente dove il biofilm è localizzato, e da fattori intrinseci, come il genotipo delle cellule che lo compongono.
Ne consegue che la struttura della matrice del biofilm può variare a seconda dello stato fisiologico delle cellule, della disponibilità di nutrienti, dell’ambiente in cui si forma, e delle specie microbiche che lo compongono.

I biofilm non sono dunque semplici strutture adese ad una superficie, ma rappresentano sistemi biologici con un alto grado di organizzazione dove i batteri sono strutturati e coordinati in comunità funzionali, capaci, se necessario, di cooperare nei processi metabolico-riproduttivi e infettivi.

Letture consigliate:

Appunti Lezione – il_Biofilm

Struttura del_biofilm e sue implicazioni pratiche