Migliaia di anni fa, quando nessuno era al sicuro da carestie, animali selvatici pericolosi o malattie, alcuni dei nostri primi antenati ebbero una brillante idea: uniamoci! Formando comunità composte da persone con diversi talenti e abilità, il tasso di sopravvivenza degli individui crebbe enormemente. L’unione fa la forza, ma non diamoci troppe pacche sulle spalle: non siamo gli unici ad aver avuto questa idea. Le formiche e le api lo fanno. Anche i microbi – si raggruppano in comunità chiamate biofilm.
I microorganismi che formano biofilm includono batteri, funghi e protisti. Forse il biofilm più comune e familiare ai più è la placca dentale – quella pellicola appiccicosa e incolore di batteri e zuccheri che si forma costantemente sui nostri denti. Anche la melma sulla superficie dell’acqua, in particolare negli stagni, è un biofilm.
Secondo questo documento, un biofilm batterico è definito come “una comunità strutturata di cellule batteriche racchiuse in una matrice polimerica autoprodotta e aderente a una superficie inerte o vivente”. In parole povere, questo significa che i batteri a volte si uniscono, si aggrappano essenzialmente a qualsiasi superficie e formano una matrice protettiva intorno al gruppo. In effetti, abbiamo trovato biofilm quasi ovunque: su minerali, metalli, all’interno del nostro intestino, ecc. Infatti, i biofilm esistono da almeno 3,3 miliardi di anni. Tuttavia, è negli ambienti umidi e bagnati che si trovano più biofilm. Amano l’umidità.
Un gran numero di agenti patogeni sono raggruppati come biofilm. Come gli esseri umani, hanno imparato che questa configurazione aumenta il loro tasso di sopravvivenza in quanto sono meglio in grado di combattere le cellule del nostro sistema immunitario piegate a distruggerli.
Come si formano i biofilm
Le pellicole viscide iniziano a formarsi quando inizialmente i batteri fluttuanti aderiscono alle superfici in ambienti acquosi e iniziare ‘posa le radici’. Per rimanere appiccicosi, i batteri espellono una sostanza simile alla colla che è efficace per ancorarli a tutti i tipi di materiali, dalla plastica al suolo agli impianti medici come i pacemaker. Questa colla è conosciuta come sostanza polimerica extracellulare (EPS) ed è composta da zuccheri, proteine e acidi nucleici come il DNA.
Nel tempo, si aggiungono strati su strati di EPS. Dopo un periodo di crescita, emerge una complessa struttura 3D che è piena di canali d’acqua all’interno che facilitano lo scambio di nutrienti e prodotti di scarto.
Una cosa affascinante sulla formazione del biofilm ha a che fare con il modo in cui i batteri comunicano. I patogeni possono istruirsi a vicenda su dove posizionarsi attraverso il quorum sensing. Fondamentalmente, questo fenomeno permette a un batterio unicellulare di percepire quanti altri batteri ci sono nelle sue immediate vicinanze. Se il batterio percepisce che c’è una densa popolazione che lo circonda, sarà incline a unirsi a loro.
“I batteri che causano malattie parlano tra loro con un vocabolario chimico”, dice Doug Hibbins della Princeton University.
“La formazione di un biofilm è uno dei passi cruciali nella progressione del colera”, dice la dottoressa Bonnie Bassler, una microbiologa anche lei a Princeton. “Si ricoprono di una sorta di goop che è uno scudo contro gli antibiotici, permettendo loro di crescere rapidamente. Quando sentono che ce ne sono abbastanza, cercano di lasciare il corpo.”
A volte ciuffi di biofilm possono staccarsi dalla massa principale e stabilirsi su una nuova superficie. Questi nuovi pionieri continueranno ad estendere la loro pellicola viscida fino a formare una nuova colonia più grande.
Quanto può diventare grande un biofilm
La maggior parte dei biofilm sono molto sottili – solo pochi strati di cellule. È troppo sottile da vedere a occhio nudo. Infatti, il bancone della tua cucina ha quasi certamente uno strato di biofilm su di esso. Solo che non puoi vederlo. Alcuni biofilm, tuttavia, possono crescere di molti centimetri di spessore e sono ovviamente visibili. Troverete queste spesse muffe viscide che crescono come alghe sulle rocce in un letto di un torrente.
Lo spessore dei biofilm dipende da diversi fattori ambientali. Alcuni organismi possono produrre grandi quantità di EPS e quindi far crescere un biofilm più spesso. Anche il flusso dell’acqua è un fattore importante o, per essere più precisi, lo stress di taglio. Se un biofilm si forma in un torrente dove c’è un alto flusso d’acqua, dovrebbe essere abbastanza sottile. I biofilm formati in acqua che scorre lentamente, come uno stagno, possono crescere abbastanza spessi.
Perché si formano i biofilm
Come detto, i batteri si uniscono perché come comunità aumentano le loro possibilità di sopravvivenza, ma quali minacce affrontano e come li protegge il vivere una melma? Alcuni dei fattori di stress che i batteri devono affrontare sono la mancanza di acqua, un pH alto o basso, o la presenza di sostanze “tossiche”, cioè antibiotici o antimicrobici.
Gli strati di EPS agiscono come prima linea di difesa contro queste minacce. Possono prevenire la disidratazione o proteggere i batteri dai raggi UV. Quando entrano in contatto con l’EPS, gli antimicrobici, la candeggina o anche i metalli vengono legati e neutralizzati dall’EPS appiccicoso.
Gli antibiotici possono certamente distruggere il biofilm ma non sempre perché i biofilm impiegano un’altra linea di difesa. Per esempio, nonostante le sostanze antibiotiche possano penetrare lo strato EPS, si possono incontrare batteri dormienti. Poiché questi batteri mancano di attività cellulare, gli antibiotici non fanno la loro magia perché non c’è niente da distruggere.
Un’altra linea di difesa contro gli antibiotici sono i ‘persisters’ o batteri speciali che non si dividono. Questi batteri producono sostanze che bloccano gli obiettivi di molti antibiotici, secondo un documento del 2010. Rispetto ai batteri che galleggiano liberamente, quelli che crescono come biofilm possono essere fino a 1.500 volte più resistenti agli antibiotici
Infine, vivere all’interno di una comunità, spesso fatta di diverse specie batteriche, significa che i suoi membri possono raccogliere i benefici che derivano dall’avere una rete multi-skilled. Per esempio, alcuni biofilm sono composti sia da microrganismi autotrofi che eterotrofi. Gli autotrofi producono il proprio cibo usando la fotosintesi e il materiale organico disponibile, mentre gli eterotrofi non producono il proprio cibo e richiedono fonti esterne di carbonio. Come tale, in questi biofilm, i microrganismi si alimentano spesso in modo incrociato. È una sorta di divisione del lavoro.
Biofilm, esseri umani e malattie
I biofilm sembrano essere in grado di formarsi e aggrapparsi a qualsiasi superficie esterna, purché sia bagnata. Questo può naturalmente far sorgere la domanda: questo significa che possono formarsi anche all’interno del corpo umano? Certamente è abbastanza umido e, infatti, troviamo che la risposta è ‘sì’. Secondo il National Institutes of Health, più del 65% di tutte le infezioni microbiche sono causate da biofilm. Questo potrebbe sembrare molto, ma bisogna tenere a mente che la stragrande maggioranza delle infezioni sono comuni, come le infezioni del tratto urinario, le infezioni da catetere, la comune formazione di placca dentale e così via.
Tuttavia, i biofilm possono essere coinvolti in una serie di malattie e problemi medici. Un esempio sono i calcoli renali che sono causati da biofilm. Circa il 15-20% dei calcoli renali si forma come risultato di infezioni del tratto urinario, prodotte dall’interazione tra batteri infettanti e sostanze minerali dall’urina.
C’è poi l’endocardite, una malattia che comporta l’infiammazione degli strati interni del cuore. L’endocardite sembra essere innescata da un biofilm complesso formato da componenti batteriche e dell’ospite situate su una valvola cardiaca. Questo tipo di biofilm è noto come vegetazione. La vegetazione può interrompere la funzione della valvola, produrre un’infezione quasi continua del flusso sanguigno, e può bloccare la circolazione del sangue attraverso un processo noto come embolizzazione.
I biofilm patogeni affliggono anche le protesi e vari impianti medici come le articolazioni artificiali e le valvole cardiache o i pacemaker. Questo fenomeno si è imposto all’attenzione della comunità medica negli anni ’80, quando sono stati trovati biofilm batterici su cateteri intravenosi e pacemaker.
“Quando la gente pensa all’infezione, può pensare alla febbre o al pus che esce da una ferita”, spiega il dottor Patel della Mayo Clinic. “Tuttavia, questo non è il caso dell’infezione dell’articolazione protesica. I pazienti spesso proveranno dolore, ma non altri sintomi solitamente associati all’infezione. Spesso ciò che accade è che i batteri che causano l’infezione sulle articolazioni protesiche sono gli stessi che vivono innocuamente sulla nostra pelle. Tuttavia, su un’articolazione protesica possono attaccarsi, crescere e causare problemi a lungo termine. Molti di questi batteri non infetterebbero l’articolazione se non fosse per la protesi.”
I biofilm sono stati poco studiati fino a poco tempo fa, ma le prove suggeriscono che sono coinvolti in molte malattie umane, comprese le infezioni croniche debilitanti. Secondo il Dr. Trevor Marshall, un ricercatore biomedico presso la Murdoch University, in Australia, alcuni grandi microbiota di biofilm cronici come i batteri a forma di L possono eludere il sistema immunitario perché, molto tempo fa, hanno evoluto la capacità di risiedere all’interno dei macrofagi. Ironicamente, questi sono proprio i globuli bianchi del sistema immunitario che dovrebbero uccidere gli agenti patogeni invasori. Marshall dice anche che le infezioni da biofilm si verificano con grande facilità negli ospiti immunocompromessi.
Targeting delle infezioni da biofilm
La ricerca condotta negli ultimi tre decenni suggerisce che i biofilm sono estremamente difficili o impossibili da sradicare dal corpo umano. Quello che è certo è che la somministrazione di antibiotici in modo standard (dose elevata, costante) non funziona.
Dopo la somministrazione di alte dosi di antibiotici, può sembrare che l’infezione da biofilm sia scomparsa. Tuttavia, riapparirà perché il biofilm non è stato distrutto, ma solo indebolito. Sembra che mentre gli antibiotici possono penetrare la matrice del biofilm e uccidere i batteri, un certo numero di cellule chiamate ‘persisters’ vengono lasciate indietro. Queste sono in grado di sopravvivere all’assalto degli antibiotici e gradualmente permettono al biofilm di formarsi di nuovo.
Il dottor Kim Lewis della Tulane University, tuttavia, dice che è possibile distruggere alcuni biofilm. Il suo trattamento prevede l’uso di antibiotici pulsati a basso dosaggio per rompere il biofilm. Per esempio, la ricerca suggerisce che questa tecnica è efficace nel distruggere i batteri del biofilm di P. aeruginosa in un modo che è indistinguibile quando le stesse concentrazioni di antibiotici sono somministrate a singole cellule planctoniche. Poiché gli antibiotici vengono interrotti, la sopravvivenza dei persister non viene migliorata. Lewis ritiene che questo faccia sì che le cellule perdano la loro forma e le loro proprietà biochimiche, rendendole incapaci di riavviare il processo di formazione del biofilm. Una seconda applicazione dell’antibiotico dopo un certo tempo dovrebbe quindi eliminare completamente le cellule persister.
L’efficacia di questo metodo dipende dalla capacità di manipolare la concentrazione di antibiotico. Inoltre, non tutti i biofilm possono essere distrutti in questo modo.
Biofilm utili
I biofilm possono causare gravi condizioni mediche e, come abbiamo visto, possono essere molto difficili da eliminare. Ma ci sono casi in cui i biofilm possono essere utili, per scopi di biorisanamento. I biofilm sono usati, per esempio, nel trattamento delle acque reflue o della contaminazione con metalli pesanti o sostanze radioattive. Un altro uso pratico dei biofilm è nelle celle a combustibile microbiche. In queste celle a combustibile, i microbi che vivono sulla superficie di un elettrodo scompongono le sostanze nutritive e trasferiscono elettroni attraverso un circuito, fornendo elettricità. Le celle a combustibile microbiche possono essere molto utili se è necessario generare a distanza energia per i sensori nelle acque reflue o nelle discariche.
I biofilm sono attualmente oggetto di un’intensa ricerca. I biofilm causano miliardi di danni ogni anno a causa di malattie, danni alle attrezzature, perdite di energia o contaminazioni, e come tale trovare modi per liberarsene è una priorità. La resilienza dei biofilm è una grande sfida e richiede contributi da diverse scienze come la biochimica, l’ingegneria, la matematica e la microbiologia.