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Biofilms: ciudades bacterianas listas para conquistar el mundo

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Ciencia

Existen dos formas en las que una bacteria puede encontrarse en la naturaleza. 1 - Como bacterias planctónicas, en natación o flotación y 2 - Como bacterias en biopelículas o biofilms, en colonias de microorganismos sésiles. Uno de los mayores errores de los bacteriólogos y clínicos desde el comienzo de los estudios con bacterias ha sido centrar los estudios sólo en las bacterias planctónicas. Este error se ha debido por una parte al desconocimiento y por otra al hecho que la investigación de los biofilms bacterianos es particularmente más complicada que la investigación en cultivos líquidos con bacterias planctónicas. La mayoría de especies bacterianas pueden vivir, y de hecho así lo hacen, en las dos formas de vida. Pero lo cierto es que en los ambientes naturales solo el 1% de todas las células bacterianas viven de forma planctónica, el resto vive en biopelículas bacterianas. Esto tiene su importancia porque la genética y el metabolismo de las bacterias cambian radicalmente de una situación a otra.

Los  biofilms microbianos se definen como comunidades de microorganismos que crecen adheridos a una superficie inerte o tejido vivo y embebidos en una matriz extracelular que ellos mismos han sintetizado2. Una definición algo más formal y completa la hizo Donlan en el año 2002 “Una comunidad microbiana sésil, caracterizada por células que están adheridas irreversiblemente a un substrato o interfase, o unas con otras, encerradas en una matriz de sustancias poliméricas extracelulares que ellas han producido, y exhiben un fenotipo alterado en relación con la tasa de crecimiento y transcripción génica”. Esto último se refiere a respecto de las células planctónicas que se han estudiado en mayor profundidad.

La presencia de los biofilms es enorme en la naturaleza (limos, recubriendo piedras en lechos de ríos y mares, en relación con las plantas tanto como simbiontes beneficiosos como patógenos, etc), pero también en nuestra vida cotidiana y aplicaciones industriales podemos encontrar biofilms: en la placa de nuestros dientes, en las centrales de depuración de aguas, son responsables de la corrosión de materiales, la contaminación de alimentos durante su procesado industrial, el colapso de tuberías, en la interacción planta-microorganismo de la rizosfera agraria, el desarrollo de infecciones crónicas sobre tejido vivo (mastitis, otitis, neumonías, infecciones urinarias y vaginales, osteomielitis) o asociadas a implantes médicos, entre otros.

El biofilm es en definitiva una estrategia muy antigua de supervivencia procariota (No se puede evitar pensar que es una estrategia que también estamos siguiendo los humanos en las grandes ciudades) en la que se logan ventajas significativas al proporcionar protección frente a fluctuaciones medioambientales de humedad, temperatura y pH, al igual que concentración de nutrientes y facilitando la eliminación de desechos.

A toda esta serie de procesos y su estudio sistematizado es lo que se ha convenido en denominar “ Sociomicrobiología

Veamos 3 ejemplos de su importancia y aplicación.

  • - Conservación de fósiles

Hay pocas veces en las que encontramos fósiles de dinosaurios (o de cualquier otro tipo) perfectamente conservados, completos y hasta con marcas de sus partes blandas incluyendo plumas o escamas. El término alemán para estas ocasiones es “ Konservat-Lagerstätten” y hace referencia normalmente a yacimientos de calizas litográficas entre otros. Aunque los más famosos son los yacimientos de Solnhofen en Alemania (donde se encontró Archaeopteryx) o la formación Yixian de China, en España también contamos con yacimientos de conservación excepcional como Las Hoyas (cuna del Iberomesornis y Concavenator) o las minas de Libros (cuyas ranas son especialmente famosas y andan repartidas por muchos museos).

Las condiciones necesarias para que se formen estos maravillosos fósiles implican precisamente a los biofilms o “algal mats” o “microbial mats”, un entramado de cianobacterias y microorganismos diversos que recubren el fondo de un lago, charco o zona litoral.

Estos tapices pegajosos atrapan muchos organismos y evitan que sean arrastrados por las corrientes y desmembrados antes de ser cubiertos por los propios biofilms. Además estas condiciones también atrapan sedimento de modo que el propio tapiz está asegurando un enterramiento más o menos rápido. Estos recubrimientos de algas actúan de moldes del resto que han atrapado, por lo que, aunque evidentemente con el paso del tiempo los tejidos blandos desaparecen, quedará una impresión de lo que fueron.

  • - Degradación de compuestos tóxicos

Algunas de estas comunidades bacterianas son capaces de Biotransformar (proceso por el cual los microorganismos alteran y convierten las moléculas orgánicas en otras sustancias) o Biodegradar (cuando esa degradación es completa hasta sustancias orgánicas pequeñas o sustancias inorgánicas) compuestos Xenobióticos (una serie de compuestos orgánicos sintéticos cuya estructura no está presente en la naturaleza) o Tóxicos (pueden ser naturales y aun así muy tóxicos y perjudiciales para el medio ambiente y la salud). Por tanto hablamos de microorganismos capaces de degradar compuestos tóxicos o potencialmente tóxicos y para hacer estos procesos de degradación, la mayoría de las veces se requiere de la formación de una comunidad de tipo biofilm.

Algunos de esos compuestos suelen tener enlaces poco usuales y pueden ser halógenos, anillos aromáticos condensados, polímeros, compuestos recalcitrantes, etc. Algunos de los más conocidos son los halocarburos fluorocarbonados (propelentes, disolventes y refrigerantes), halobencenos (disolventes industriales) y halofenoles (plaguicidas), bifenoles policlorados y dioxinas (plastificantes, aislantes, intercambiadores de calor), polímeros sintéticos plásticos como el polietileno, cloruro de polivinilo y poliestireno, sulfonatos alquilbencílicos (presenten en detergentes) y plaguicidas (insecticidas, fungicidas, herbicidas) organoclorados entre otros.

  • - Reconstrucción de monumentos de piedra

El tiempo pasa para todos y para todo. Las piedras de los monumentos no son una excepción. Las formas de reconstrucción no siempre han sido las adecuadas (poner cemento u hormigón sobre monumentos de piedra de 1000 años de antigüedad no suele ser buena idea porque acaban arrastrando y destruyendo más que si dejásemos el monumento tal cual).

Precisamente por eso se intenta en la actualidad recurrir a otros tipos de materiales de tipo carbonatos producidos, a poder ser, por seres vivos como las bacterias. Es posible utilizar bacterias que producen biomineralización externa, es decir, producen una matriz mineral alrededor de las células para reconstruir monumentos de piedra. La capacidad de las bacterias de cambiar la química de su alrededor gracias a sus metabolitos, junto con la estructura en cuestión, puede provocar una cristalización y precipitación mineral alrededor de la piedra a recuperar que, en ausencia de la bacteria no se podría dar. Algunos de los minerales que las bacterias pueden producir son el oxalato cálcico, silicatos, calcita y apatita entre otros.

En algunos casos igual no queremos recuperar en si la piedra sino detener, proteger y prevenir el deterioro tanto por agentes físicos como químicos y biológicos.

La capa de carbonatos que se forma alrededor de la roca 1) reduce la permeabilidad al agua mientras que permite la transpiración y el intercambio de gases, 2) produce cierto grado de cimentación de partículas minerales confiriendo gran resistencia a la superficie. Por otro lado, estos procesos de conservación deben mantener la porosidad de la piedra así como el color original del conjunto arquitectónico. En este sentido se han hecho algunos buenos avances (Rodriguez-Navarro et al. 2003) en el tratamiento de la calcarenita con cultivos de Myxococcus xanthus, que no alteran el color ni la porosidad de la piedra original pero si producen una capa protectora de cristales de calcita.

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Mármol de Macael (Almería, España), (A) sin tratamiento con Myxococcus y (B) con tratamiento según protocolos de Rodriguez-Navarro. Se puede observar en la imagen B como se han formado cristales de calcita compactos y bien distribuidos por el sustrato.

La propuesta no pasaría tanto por aplicar inóculos de bacterias a los monumentos sino más bien por el tratamiento con medios de cultivo que promuevan el crecimiento de las bacterias que producen la precipitación del CaCO3 a la vez que evitan el crecimiento de microbiota indeseada como hongos que dan coloración.

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