Milhares de anos atrás, quando ninguém estava a salvo da fome, de animais selvagens perigosos, ou de doenças, alguns dos nossos primeiros antepassados tiveram uma ideia brilhante: vamos unir-nos! Ao formar comunidades feitas de pessoas com diferentes talentos e habilidades, a taxa de sobrevivência dos indivíduos cresceu tremendamente. Há força nos números, mas não vamos dar palmadinhas nas costas com muita força – não fomos os únicos a ter esta ideia. As formigas e as abelhas fazem-no. Os micróbios também – agrupam-se em comunidades chamadas biofilmes.
Os microrganismos que formam biofilmes incluem bactérias, fungos, e protists. Talvez o biofilme mais comum familiar à maioria é a placa dentária – aquela película pegajosa e incolor de bactérias e açúcares que se forma constantemente nos nossos dentes. Aquele lodo na superfície da água, particularmente nos lagos, é também um biofilme.
De acordo com este artigo, um biofilme bacteriano é definido como “uma comunidade estruturada de células bacterianas encerrada numa matriz polimérica autoproduzida e aderente a uma superfície inerte ou viva”. Em inglês simples, isto significa que as bactérias por vezes se juntam, agarram-se a qualquer superfície essencialmente, e formam uma matriz protectora em torno do grupo. De facto, encontramos biofilmes em quase qualquer lugar; em minerais, metais, dentro do nosso intestino, etc. Na verdade, os biofilmes existem há pelo menos 3,3 mil milhões de anos. No entanto, é em ambientes húmidos e húmidos que se encontram mais biofilmes. Eles adoram a humidade.
Um vasto número de agentes patogénicos são agrupados como biofilmes. Tal como os humanos, eles aprenderam esta configuração aumenta a sua taxa de sobrevivência, uma vez que são mais capazes de combater as células do nosso sistema imunitário inclinadas a destruí-las.
Como se formam os biofilmes
O ciclo de vida de um biofilme. Crédito: Bay Area Lyme Foundation.Os filmes viscosos começam a formar-se quando as bactérias inicialmente flutuantes aderem às superfícies em ambientes aquosos e começam a ‘assentar as suas raízes’. Para se manterem pegajosas, as bactérias excretam uma substância semelhante à cola que é eficaz para as ancorar em todo o tipo de materiais, desde plásticos a solo e implantes médicos, tais como marca-passos. Esta cola é conhecida como uma substância polimérica extracelular (EPS) e é constituída por açúcares, proteínas e ácidos nucleicos como o ADN.
No tempo, são adicionadas camadas sobre camadas de EPS. Após um período de crescimento, surge uma estrutura complexa em 3D que é preenchida com canais de água no interior que facilitam a troca de nutrientes e produtos residuais.
Uma coisa fascinante sobre a formação de biofilme tem a ver com a forma como as bactérias comunicam. Os agentes patogénicos podem instruir-se mutuamente onde se posicionar através da detecção do quorum. Basicamente, este fenómeno permite a uma bactéria unicelular detectar quantas outras bactérias se encontram na sua proximidade. Se a bactéria sentir que há uma população densa à sua volta, estará inclinada a juntar-se a ela. Lembre-se, força em números.
“As bactérias causadoras de doenças falam umas com as outras com um vocabulário químico”, diz Doug Hibbins da Universidade de Princeton.
“A formação de um biofilme é um dos passos cruciais na progressão da cólera”, diz a Dra. Bonnie Bassler, microbiologista também em Princeton. “Eles cobrem-se numa espécie de goop que é um escudo contra os antibióticos, permitindo-lhes crescer rapidamente”. Quando sentem que são suficientes, tentam deixar o corpo”
Por vezes os tufos de biofilme podem separar-se da massa principal e estabelecer-se numa nova superfície. Estes novos pioneiros continuarão a estender a sua película viscosa até formarem uma nova colónia maior.
Quão grande pode um biofilme ficar
A maioria dos biofilmes são muito finos – apenas algumas camadas celulares de espessura. São demasiado finos para serem vistos a olho nu. De facto, o seu balcão de cozinha tem quase de certeza uma camada de biofilme. Simplesmente não se consegue ver. Alguns biofilmes, contudo, podem crescer muitos centímetros de espessura e são obviamente perceptíveis. Encontrará estes espessos moldes de lodo crescendo como algas sobre as rochas numa faixa.
A espessura dos biofilmes depende de vários factores ambientais. Alguns organismos podem produzir grandes quantidades de EPS e, portanto, cultivar um biofilme mais espesso. O fluxo de água é também um factor importante ou, para ser mais preciso, o stress de cisalhamento. Se um biofilme se formar num riacho onde há um alto fluxo de água, este deve ser bastante fino. Os biofilmes formados em água de fluxo lento, como um tanque, podem crescer bastante.
Porquê os biofilmes formam
Como mencionado, as bactérias unem-se porque, como comunidade, aumentam as suas hipóteses de sobrevivência, mas que ameaças enfrentam e como é que viver um molde de lodo as protege? Algumas das bactérias de stress são a falta de água, pH elevado ou baixo, ou a presença de substâncias “tóxicas”, ou seja, antibióticos ou antimicrobianos.
As camadas de EPS actuam como primeira linha de defesa contra estas ameaças. Pode prevenir a desidratação ou proteger as bactérias contra a luz UV. Quando entram em contacto com o EPS, os antimicrobianos, lixívia ou mesmo metais tornam-se limitados e neutralizados pelo EPS pegajoso.
Antibióticos podem certamente destruir o biofilme, mas nem sempre porque os biofilmes empregam outra linha de defesa. Por exemplo, apesar das substâncias antibióticas poderem penetrar na camada de EPS, podem ser encontradas bactérias adormecidas. Como estas bactérias não têm actividade celular, os antibióticos não funcionam a sua magia porque não há nada a perturbar.
Outra linha de defesa contra os antibióticos são as ‘persisters’ ou bactérias especiais que não se dividem. Estas bactérias produzem substâncias que bloqueiam os alvos de muitos antibióticos, de acordo com um documento de 2010. Em comparação com as bactérias flutuantes livres, aquelas que crescem como biofilme podem ser até 1.500 vezes mais resistentes aos antibióticos
Finalmente, viver dentro de uma comunidade, muitas vezes feita de diferentes espécies bacterianas, significa que os seus membros podem colher os benefícios que advêm de ter uma rede multi-funcional. Por exemplo, alguns biofilmes são feitos tanto de microrganismos autotróficos como heterotróficos. Os autotróficos produzem os seus próprios alimentos utilizando fotossíntese e material orgânico disponível, enquanto os heterótrofos não produzem os seus próprios alimentos e necessitam de fontes externas de carbono. Como tal, nestes biofilmes, os microrganismos alimentam-se frequentemente de forma cruzada. É uma espécie de divisão de trabalho.
Biofilmes, humanos e doenças
Biofilmes parecem ser capazes de formar e agarrar-se a praticamente qualquer superfície externa, desde que esteja húmida. Isto pode naturalmente levantar a questão – será que isso significa que também se podem formar dentro do corpo humano? É certamente suficientemente húmido e, de facto, descobrimos que a resposta é “sim”. De acordo com os Institutos Nacionais de Saúde, mais de 65% de todas as infecções microbianas são causadas por biofilmes. Isto pode parecer muito, mas é preciso ter em mente que a grande maioria das infecções são comuns como infecções do tracto urinário, infecções de cateteres, formação de placas dentárias comuns e assim por diante.
No entanto, os biofilmes podem estar envolvidos numa série de doenças e problemas médicos. Um exemplo são as pedras nos rins, que são causadas por biofilmes. Cerca de 15 a 20% dos cálculos renais formam-se como resultado de infecções do tracto urinário, produzidas pela interacção entre bactérias infectantes e substâncias minerais da urina.
Então há endocardite, uma doença que envolve a inflamação das camadas internas do coração. A endocardite parece ser desencadeada por um biofilme complexo feito a partir de um componente bacteriano e hospedeiro localizado numa válvula cardíaca. Este tipo de biofilme é conhecido como uma vegetação. A vegetação pode perturbar o funcionamento das válvulas, produzir uma infecção quase contínua da corrente sanguínea e pode bloquear a circulação sanguínea através de um processo conhecido como embolização.
Biofilmes patogénicos também afectam próteses e vários implantes médicos como articulações artificiais e válvulas cardíacas ou marcapassos. Isto chamou pela primeira vez a atenção da comunidade médica nos anos 80, quando foram encontrados biofilmes bacterianos em cateteres intravenosos e pacemakers.
“Quando as pessoas pensam em infecção, podem pensar em febre ou pus a sair de uma ferida”, explica o Dr. Patel da Clínica Mayo. “Contudo, este não é o caso da infecção das articulações protéticas. Os pacientes sentirão frequentemente dor, mas não outros sintomas normalmente associados à infecção. Muitas vezes o que acontece é que as bactérias que causam infecção nas articulações protéticas são as mesmas bactérias que vivem inofensivamente na nossa pele. Contudo, numa articulação protética elas podem colar-se, crescer e causar problemas a longo prazo. Muitas destas bactérias não infectariam a articulação se não fosse a prótese”
Biofilmes têm sido pouco estudadas até há pouco tempo, mas as provas sugerem que estão envolvidas em muitas doenças humanas, incluindo infecções crónicas debilitantes. Segundo o Dr. Trevor Marshall, um investigador biomédico da Universidade de Murdoch, Austrália, algumas grandes microbiota de biofilmes crónicos como as bactérias em forma de L podem escapar ao sistema imunitário porque, há muito tempo, desenvolveram a capacidade de residir dentro de macrófagos. Ironicamente, estes são os próprios glóbulos brancos do sistema imunitário que supostamente matam os agentes patogénicos invasores. Marshall também diz que as infecções por biofilmes ocorrem com grande facilidade em hospedeiros imunocomprometidos.
Infecções por biofilmes alvo
Investigação efectuada ao longo das últimas três décadas sugere que os biofilmes ou são extremamente difíceis ou impossíveis de erradicar do corpo humano. O que é certo é que administrar antibióticos de uma forma padrão (dose elevada, constante) não funciona.
Após doses elevadas de antibióticos serem administradas, pode parecer que a infecção do biofilme desapareceu. No entanto, reaparecerá porque o biofilme não foi destruído, apenas enfraquecido. Parece que enquanto os antibióticos podem penetrar na matriz do biofilme e matar bactérias, um número de células chamadas “persisters” são deixadas para trás. Estas são capazes de sobreviver à investida dos antibióticos e gradualmente permitir que o biofilme se forme novamente.
Dr. Kim Lewis da Universidade de Tulane, no entanto, diz que é possível destruir alguns biofilmes. O seu tratamento envolve a utilização de antibióticos em dose baixa e pulsada para quebrar o biofilme. Por exemplo, a investigação sugere que esta técnica é eficaz para destruir as bactérias do biofilme de P. aeruginosa de uma forma indistinguível quando as mesmas concentrações de antibióticos são administradas a células planctónicas únicas.
Quando a dose baixa e pulsada de antibióticos é aplicada, a primeira aplicação erradica a maior parte das células do biofilme, deixando para trás as células persistentes. Uma vez que os antibióticos são interrompidos, a sobrevivência dos persisters não é melhorada. Lewis acredita que isto faz com que as células percam a sua forma e propriedades bioquímicas, tornando-as incapazes de reiniciar o processo de formação do biofilme. Uma segunda aplicação do antibiótico após um certo tempo deverá então eliminar completamente as células persister.
A eficácia deste método depende da capacidade de manipular a concentração antibiótica. Além disso, nem todos os biofilmes podem ser decompostos desta forma.
Biofilmes úteis
Os biofilmes podem causar condições médicas graves e, como vimos, podem ser muito difíceis de eliminar. Mas há casos em que os biofilmes podem ser úteis, para fins de bioremediação. Os biofilmes são utilizados, por exemplo, no tratamento de águas residuais ou contaminação com metais pesados ou substâncias radioactivas. Outra utilização prática para biofilmes é em células de combustível microbianas. Nessas células de combustível, os micróbios que vivem na superfície de um eléctrodo decompõem nutrientes e transferem electrões através de um circuito, fornecendo electricidade. As células de combustível microbianas podem ser muito úteis se for necessário gerar energia à distância para sensores em águas residuais ou aterros sanitários.
Biofilmes são neste momento objecto de intensa investigação. Os biofilmes causam milhares de milhões de danos todos os anos devido a doenças, danos ao equipamento, perda de energia ou contaminações, e como tal, encontrar formas de se livrar deles é uma prioridade. A resiliência dos biofilmes é um grande desafio e requer contribuições de diferentes ciências como a bioquímica, engenharia, matemática, e microbiologia.