BIOFILMES: CARACTERÍSTICAS, FORMAÇÃO, TIPOS E EXEMPLOS - BIOLOGIA - 2025

Os biofilmes ou biofilmes são comunidades de microrganismos aderidos a uma superfície, vivendo em uma matriz de substâncias poliméricas extracelulares autogeradas. Eles foram inicialmente descritos por Antoine von Leeuwenhoek, quando ele examinou os "animálculos" (assim batizados em sua homenagem), em uma placa de material de seus próprios dentes no século XVII.

A teoria que conceitua biofilmes e descreve seu processo de formação não havia sido desenvolvida até 1978. Foi descoberto que a capacidade dos microrganismos de formar biofilmes parece ser universal.

Figura 1. Biofilme produzido por Staphylococcus aureus em um cateter. Fonte: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via

Os biofilmes podem existir em ambientes tão variados como sistemas naturais, aquedutos, tanques de armazenamento de água, sistemas industriais, bem como em uma ampla variedade de meios como dispositivos médicos e dispositivos para pacientes hospitalares (como cateteres, por exemplo).

Através do uso de microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal a laser de varredura, descobriu-se que os biofilmes não são depósitos de células homogêneos e não estruturados e sedimentos acumulados, mas sim estruturas heterogêneas complexas.

Biofilmes são comunidades complexas de células associadas em uma superfície, inseridas em uma matriz polimérica altamente hidratada cuja água circula por canais abertos na estrutura.

Muitos organismos que tiveram sucesso na sobrevivência de milhões de anos no meio ambiente, por exemplo espécies dos gêneros Pseudomonas e Legionella, usam a estratégia do biofilme em ambientes diferentes de seus nativos nativos.

Características dos biofilmes

Características químicas e físicas da matriz do biofilme

-As substâncias extracelulares poliméricas secretadas por microrganismos de biofilme, macromoléculas polissacarídicas, proteínas, ácidos nucléicos, lipídios e outros biopolímeros, principalmente moléculas altamente hidrofílicas, cruzam-se para formar uma estrutura tridimensional chamada de matriz de biofilme.

-A estrutura da matriz é altamente viscoelástica, possui propriedades de borracha, é resistente à tração e à quebra mecânica.

-A matriz tem a capacidade de aderir a superfícies de interface, incluindo espaços internos de meios porosos, por meio de polissacarídeos extracelulares que atuam como gomas aderentes.

-A matriz polimérica é predominantemente aniônica e também inclui substâncias inorgânicas, como cátions metálicos.

-Possui canais de água por onde circulam oxigênio, nutrientes e substâncias residuais que podem ser recicladas.

-Esta matriz do biofilme funciona como meio de proteção e sobrevivência contra ambientes adversos, uma barreira contra invasores fagocíticos e contra a entrada e difusão de desinfetantes e antibióticos.

Características ecofisiológicas de biofilmes

-A formação da matriz em gradientes não homogêneos, produz uma variedade de microhabitats, o que permite que a biodiversidade exista dentro do biofilme.

-Na matriz, a forma de vida celular é radicalmente diferente da vida livre, não associada. Microrganismos do biofilme são imobilizados, muito próximos uns dos outros, associados em colônias; este fato permite que ocorram interações intensas.

-As interações entre os microrganismos no biofilme incluem a comunicação por meio de sinais químicos em um código chamado “quorum sensing”.

-Há outras interações importantes como a transferência de genes e a formação de micro-consórcios sinérgicos.

-O fenótipo do biofilme pode ser descrito em termos dos genes expressos pelas células associadas. Este fenótipo é alterado em relação à taxa de crescimento e transcrição do gene.

-Os organismos dentro do biofilme podem transcrever genes que não transcrevem suas formas de vida planctônicas ou livres.

-O processo de formação do biofilme é regulado por genes específicos, transcritos durante a adesão celular inicial.

-No espaço confinado da matriz, existem mecanismos de cooperação e competição. A competição gera adaptação constante nas populações biológicas.

-É gerado um sistema digestivo externo coletivo, que retém as enzimas extracelulares perto das células.

-Este sistema enzimático permite sequestrar, acumular e metabolizar nutrientes dissolvidos, coloidais e / ou suspensos.

-A matriz funciona como área comum externa de reciclagem, armazenamento dos componentes das células lisadas, servindo também como arquivo genético coletivo.

-O biofilme funciona como uma barreira estrutural protetora contra mudanças ambientais, como dessecação, ação de biocidas, antibióticos, respostas imunes do hospedeiro, agentes oxidantes, cátions metálicos, radiação ultravioleta e também é uma defesa contra muitos predadores, como protozoários fagocíticos e insetos.

-A matriz do biofilme constitui um ambiente ecológico único para os microrganismos, o que permite um modo de vida dinâmico para a comunidade biológica. Biofilmes são verdadeiros microecossistemas.

Formação de biofilme

A formação de biofilme é um processo no qual os microrganismos passam de um estado de vida livre, unicelular e nômade para um estado sedentário multicelular, onde o crescimento subsequente produz comunidades estruturadas com diferenciação celular.

O desenvolvimento do biofilme ocorre em resposta a sinais ambientais extracelulares e sinais autogerados.

Pesquisadores que estudaram biofilmes concordam que é possível construir um modelo hipotético generalizado para explicar sua formação.

Este modelo de formação de biofilme consiste em 5 etapas:

1. Adesão inicial à superfície.
2. Formação de uma monocamada.
3. Migração para formar microcolônias multicamadas.
4. Produção da matriz extracelular polimérica.
5. Maturação do biofilme tridimensional.

Figura 2. Processo de formação de um biofilme. Fonte: D. Davis, via Wikimedia Commons

Adesão inicial à superfície

A formação do biofilme começa com a adesão inicial dos microrganismos à superfície sólida, onde são imobilizados. Foi descoberto que os microrganismos têm sensores de superfície e que as proteínas de superfície estão envolvidas na formação da matriz.

Em organismos não móveis, quando as condições ambientais são favoráveis, a produção de adesinas em sua superfície externa aumenta. Desta forma, aumenta sua capacidade de adesão célula-célula e superfície celular.

No caso das espécies móveis, os microrganismos individuais estão localizados em uma superfície e este é o ponto de partida para uma mudança radical em seu modo de vida, de nômades móveis livres para sedentários, quase sésseis.

A capacidade de movimentação é, portanto, perdida na formação da matriz, participando diferentes estruturas como flagelos, cílios, pelos e fímbrias, além de substâncias adesivas.

Então, em ambos os casos (microrganismos móveis e não móveis), pequenos agregados ou microcolônias são formados e um contato célula-célula mais intenso é gerado; mudanças fenotípicas adaptativas ao novo ambiente ocorrem em células agrupadas.

Formação de uma monocamada e microcolônias em multicamadas

Inicia-se a produção de substâncias poliméricas extracelulares, ocorre a formação inicial em monocamada e o posterior desenvolvimento em multicamada.

Produção da matriz extracelular polimérica e maturação do biofilme tridimensional

Finalmente, o biofilme atinge seu estágio de maturidade, com uma arquitetura tridimensional e a presença de canais por onde circulam água, nutrientes, produtos químicos de comunicação e ácidos nucléicos.

A matriz do biofilme mantém as células e as mantém unidas, promovendo um alto grau de interação com a comunicação intercelular e a formação de consórcios sinérgicos. As células do biofilme não estão completamente imobilizadas, elas podem se mover dentro dele e também se desprender.

Tipos de biofilmes

Número de espécies

De acordo com o número de espécies participantes do biofilme, este último pode ser classificado em:

• Biofilmes de uma espécie. Por exemplo, biofilmes formados por Streptococcus mutans ou Vellionela parvula.
• Biofilmes de duas espécies. Por exemplo, a associação de Streptococcus mutans e Vellionella parvula em biofilmes também foi descoberta.
• Biofilmes polimicrobianos, compostos de muitas espécies. Por exemplo, placa dentária.

Ambiente de treinamento

Também dependendo do ambiente onde são formados, os biofilmes podem ser:

• Natural
• Industrial
• Doméstico
• Hospitaleiro

Figura 3. Biofilmes de bactérias termofílicas em Mickey Hot Springs, Oregon, EUA. Fonte: Amateria1121, do Wikimedia Commons

Tipo de interface onde são gerados

Por outro lado, de acordo com o tipo de interface onde se formam, é possível classificá-los em:

• Biofilmes de interface sólido-líquido, como os formados em aquedutos e tanques, tubulações e caixas d'água em geral.
• Biofilmes de interface de gás sólido (SAB por sua sigla em Inglês Sub Aereal Biofilms); que são comunidades microbianas que se desenvolvem em superfícies minerais sólidas, diretamente expostas à atmosfera e à radiação solar. Eles são encontrados em edifícios, rochas nuas do deserto, montanhas, entre outros.

Exemplos de biofilmes

-Placa dentária

A placa dentária tem sido estudada como um exemplo interessante de uma comunidade complexa que vive em biofilmes. Os biofilmes das placas dentais são duros e não elásticos, devido à presença de sais inorgânicos, que conferem rigidez à matriz polimérica.

Os microrganismos da placa dentária são muito variados e existem entre 200 a 300 espécies associadas no biofilme.

Entre esses microrganismos estão:

• O gênero Streptococcus; formado por bactérias acidúricas que desmineralizam o esmalte e a dentina e iniciam a cárie dentária. Por exemplo, as espécies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis e S. milleri.
• Gênero Lactobacillus, composto por bactérias acidófilas que desnaturam as proteínas dentinárias. Por exemplo, as espécies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• O gênero Actinomyces, que são microrganismos acidúricos e proteolíticos. Dentre essas, as espécies: viscosus, A. odontoliticus e A. naeslundii.
• E outros gêneros, como: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis e Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmes em água negra

Outro exemplo interessante são as águas residuais domésticas, onde microrganismos nitrificantes que oxidam amônio, nitrito e bactérias nitrificantes autotróficas vivem em biofilmes presos a tubos.

Dentre as bactérias oxidantes de amônio desses biofilmes, as espécies numericamente dominantes são as do gênero Nitrosomonas, distribuídas por toda a matriz do biofilme.

Os componentes majoritários dentro do grupo dos oxidantes do nitrito são os do gênero Nitrospira, que estão localizados apenas na parte interna do biofilme.

- Biofilmes Subaerie

Os biofilmes subaerie são caracterizados por um crescimento irregular em superfícies minerais sólidas, como rochas e edifícios urbanos. Esses biofilmes apresentam associações dominantes de fungos, algas, cianobactérias, bactérias heterotróficas, protozoários, bem como animais microscópicos.

Em particular, os biofilmes SAB possuem microrganismos quimiolitotróficos, capazes de utilizar produtos químicos minerais inorgânicos como fontes de energia.

Os microrganismos quimiolitotróficos têm a capacidade de oxidar compostos inorgânicos como H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ e aproveitar a energia potencial elétrica produzida pelas oxidações em seus metabolismos.

Entre as espécies microbianas presentes em biofilmes subaeriais estão:

• Bactérias do gênero Geodermatophilus; cianobactérias dos gêneros C hrococcoccidiopsis, cocóides e espécies filamentosas, como Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Algas verdes dos gêneros Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia e Stichococcus.
• Bactérias heterotróficas (dominantes em biofilmes subaeriais): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. e Rhodococcus sp.
• Bactérias quimioorganotróficas e fungos como Actynomycetales (estreptomicetos e Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria e Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmes de agentes causadores de doenças humanas

Muitas das bactérias conhecidas como agentes causadores de doenças humanas vivem em biofilmes. Entre eles estão: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans e Legionella pneumophyla.

-Praga bubÔnica

De interesse é a transmissão da peste bubônica pela picada de pulga, uma adaptação relativamente recente do agente bacteriano responsável por esta doença, Yersinia pestis.

Esta bactéria cresce como um biofilme ligado ao sistema digestivo superior do vetor (a pulga). Durante uma picada, a pulga regurgita o biofilme contendo Yersinia pestis na derme, iniciando a infecção.

- Cateteres venosos hospitalares

Organismos isolados de biofilme em cateteres venosos centrais explantados incluem uma variedade surpreendente de bactérias Gram-positivas e Gram-negativas, bem como outros microorganismos.

Vários estudos científicos relatam como bactérias Gram-positivas de biofilmes em cateteres venosos: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. e Streptococcus pneumoniae.

Entre as bactérias Gram-negativas isoladas desses biofilmes, são relatadas as seguintes: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp.. e Serratia marcescens.

Outros organismos encontrados nesses biofilmes são: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis e Mycobacterium chelonei.

-Na indústria

Em relação ao funcionamento da indústria, os biofilmes geram obstruções em tubulações, danos a equipamentos, interferências em processos como transferência de calor na cobertura de superfícies de trocadores ou corrosão de peças metálicas.

Indústria alimentícia

A formação de filme na indústria de alimentos pode criar problemas operacionais e de saúde pública significativos.

Patógenos associados em biofilmes podem contaminar produtos alimentícios com bactérias patogênicas e causar sérios problemas de saúde pública para os consumidores.

Entre os biofilmes de patógenos associados à indústria de alimentos estão:

Listeria monocytogenes

Este patógeno utiliza na fase inicial de formação de biofilme, flagelos e proteínas de membrana. Forma biofilmes nas superfícies de aço das máquinas de fatiar.

Na indústria de laticínios, biofilmes de Listeria monocytogenes podem ser produzidos em leite fluido e produtos lácteos. Resíduos lácteos em tubulações, tanques, recipientes e outros dispositivos favorecem o desenvolvimento de biofilmes desse patógeno que os utiliza como nutrientes disponíveis.

Pseudomonas

Biofilmes dessas bactérias podem ser encontrados em instalações da indústria de alimentos, como pisos, ralos e em superfícies de alimentos como carnes, vegetais e frutas, bem como derivados de leite com baixo teor de ácido.

Pseudomonas aeruginosa secreta várias substâncias extracelulares que são utilizadas na formação da matriz polimérica do biofilme, aderindo a uma grande quantidade de materiais inorgânicos como o aço inoxidável.

Pseudomonas pode coexistir dentro do biofilme em associação com outras bactérias patogênicas, como Salmonella e Listeria.

Salmonella

As espécies de Salmonella são o primeiro agente causal de zoonoses de etiologia bacteriana e surtos de intoxicação alimentar.

Estudos científicos mostraram que a Salmonella pode aderir como biofilmes a superfícies de concreto, aço e plástico em instalações de processamento de alimentos.

As espécies de Salmonella possuem estruturas de superfície com propriedades aderentes. Além disso, produz celulose como substância extracelular, principal componente da matriz polimérica.

Escherichia coli

Ele usa flagelos e proteínas de membrana na etapa inicial da formação do biofilme. Também produz celulose extracelular para gerar a estrutura tridimensional da matriz no biofilme.

Resistência de biofilmes a desinfetantes, germicidas e antibióticos

Os biofilmes oferecem proteção aos microrganismos que os compõem, à ação de desinfetantes, germicidas e antibióticos. Os mecanismos que permitem esse recurso são os seguintes:

• Retardo na penetração do antimicrobiano através da matriz tridimensional do biofilme, devido à difusão muito lenta e dificuldade em atingir a concentração efetiva.
• Taxa de crescimento alterada e baixo metabolismo de microrganismos no biofilme.
• Alterações nas respostas fisiológicas dos microrganismos durante o crescimento do biofilme, com alteração da expressão do gene de resistência.

Referências

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