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Ruolo degli EPS nei biofilm – Parte II

Ruolo dell’eDNA (DNA extracellulare)

Gli acidi nucleici extracellulari meritano un’attenzione specifica poiché sono stati la componente più trascurata e sottostimata dell’EPS. Tuttavia, si rivelano di una rilevanza sorprendente e complessa. Gli acidi nucleici sono stati trovati nella matrice EPS già in passato, ma solitamente venivano interpretati come residui di cellule lisate (Catlin et al., 1956), e per questo l’attenzione iniziale verso l’eDNA è stata scarsa. Nel 2001, nella pubblicazione di Whitchurch et al. Si fa riferimento per la prima volta al DNA extracellulare (eDNA) come materiale necessario per la formazione dei biofilm di Pseudomonas aeruginosa e, quindi, aveva una funzione. In un’altra pubblicazione, Villain et al. hanno dimostrato che l’eDNA è importante per l’adesione durante l’attaccamento delle cellule di Bacillus cereus e che per diverse specie l’eDNA è essenziale durante le prime fasi della formazione del biofilm.

Altri studi hanno suggerito una sua funzione strutturale, e determinante nella formazione di pellicole e biofilm spessi.

È probabile che questi effetti siano mediati dalle proprietà fisiche dell’eDNA, che aumenta l’idrofobicità della superficie cellulare e questo aumenta anche l’adesione alle superfici idrofobiche. Ciò si riflette negli studi in cui i biofilm privi di eDNA vengono rimossi più facilmente se esposti allo stress da tensioattivi.

Relazione tra proprietà dell’EPS e stress da forze di taglio

Diversi studi hanno evidenziato come le condizioni idrodinamiche al quale la matrice è sottoposta possono contribuire all’ampia varietà di morfologie del biofilm. In risposta allo stress da taglio per esempio, la matrice ha inizialmente mostrato le proprietà di un corpo elastico, che si è trasformato in un liquido viscoelastico al superamento di un determinato punto di rottura. In condizioni stagnanti o di basso flusso, si osservano meno biofilm coesivi, mentre in condizioni di flusso elevato emergono biofilm più sottili e più forti.

Il biofilm può rispondere allo stress da taglio formando increspature e persino rotolando lungo una superficie. Lo stress da taglio influenza anche la composizione, la dinamica e la diversità dei biofilm. Un elevato stress da taglio sembrerebbe che diminuisca la diversità del biofilm e le dinamiche delle popolazioni che lo formano. Lo stress da taglio rallenterebbe quindi la maturazione del biofilm e tenderebbe a mantenere un biofilm “giovane”.

Dinamiche di movimento all’interno dell’EPS

Pensando ad un biofilm è facile immaginare cellule immobilizzate all’interno della matrice amorfa da loro stessi prodotta. Tuttavia, si è osservato che non tutte le cellule della matrice sono immobilizzate ma alcune di esse possono muoversi. Per esempio, Bacillus subtilis migra al suo interno formando strutture multicellulari. In questo caso, la migrazione dipende dall’interazione sinergica di due tipi di cellule: cellule produttrici di surfattina e cellule produttrici di matrice. Le cellule produttrici di surfattina facilitano la migrazione riducendo l’attrito tra le cellule e il loro substrato, consentendo così alle cellule produttrici di matrice di organizzarsi in fasci che formano così anelli filamentosi ai margini della colonia”. Questo è un chiaro esempio di comportamento collettivo simile ad uno sciame, dove il movimento è spinto dai flagelli di B. subtilis.

In uno studio di Houry et al. Nel 2012, è stato scoperto che Bacillus thuringensis nello stato planctonico, spinto da flagelli, era in grado di scavare un tunnel in profondità all’interno di un biofilm. Queste cellule, definite “Swimmers (nuotatrici)” creano pori transitori che aumentano il trasferimento in massa di altre cellule all’interno del biofilm. L’invasione del biofilm da parte dei batteri swimmers può migliorare la fitness del biofilm creando canali, aumentando il flusso di nutrienti nella matrice o l’espulsione di sostanze indesiderate. Altri autori hanno descritto la mobilità anche come una strategia competitiva: i swimmers possono esacerbare l’uccisione dei batteri del biofilm facilitando la penetrazione di sostanze tossiche dall’ambiente o facilitando la loro uscita dalla matrice stessa.

Dalla formazione al rilascio

La matrice è chiaramente una delle caratteristiche distintive del biofilm ed è in gran parte responsabile della coesione delle cellule all’interno del biofilm stesso. Alla fine del ciclo di vita del biofilm, i batteri possono ritornare alla fase planctonica, attraverso processi passivi, ad esempio sfaldamento o erosione, e processi attivi, di dispersione. È stato dimostrato che la dispersione è controllata geneticamente in risposta a una serie di segnali e stimoli tali che i batteri possono controllare il passaggio da uno stile di vita sessile a uno stile di vita libero.

La dispersione attiva richiede che i batteri escano dalla matrice, formata da varie proteine, polisaccaridi e DNA extracellulare, ecc. Alcuni batteri, come Pseudomonas putida, utilizzano grandi proteine simili amiloidi per ancorarsi alle superfici è iniziano a sintetizzare proteasi in grado di scindere in modo specifico alcune proteine della matrice, favorendo il rilascio delle cellule.

Allo stesso modo, alcuni batteri codificano per enzimi che degradano i polisaccaridi, come l’alginato liasi, la chitinasi o la dispersina, che vengono prodotti durante la fase di dispersione per degradare questi polimeri della matrice. Esistono anche prove evidenti che i batteri codificano nucleasi per degradare la terza delle principali biomolecole della matrice, l’eDNA.

Gli esempi rappresentano solo una parte della vasta gamma di meccanismi attraverso i quali i microrganismi possono evadere dalla matrice tramite la produzione di enzimi specifici da parte dei microrganismi stessi. Tuttavia, è anche possibile che l’attività di tali enzimi non si limiti alla sola dispersione, ma possa anche essere importante nel rimodellamento della matrice del biofilm man mano che matura o si adatta alle mutevoli condizioni ambientali, come le forze di taglio.

Eliminare gli EPS con gli enzimi

Il ruolo della matrice fin qui descritto mette in evidenza quanto sia strategica la sua completa eliminazione al fine di garantire un’efficace rimozione del biofilm. L’utilizzo di enzimi in grado di idrolizzare in modo specifico tale matrice rappresenta un valido sistema per la sua rimozione, ma solo qualora questo approccio tenga conto anche della sua complessità.

Per questo motivo Piramide, grazie al lavoro costante dell’R&D di Realco, è in grado di fornire con Biorem® una soluzione enzimatica studiata appositamente per:

  • Contenere enzimi appartenenti a più classi enzimatiche, e quindi rivolti a target molecolari differenti
  • Contenere enzimi con elevata specificità di substrato
  • Contenere enzimi con elevata attività

Questi aspetti sono importantissimi da considerare ogni volta che si valuta un approccio enzimatico per la rimozione di biofilm, o meglio della sua matrice amorfa. Prodotti poveri di classi enzimatiche, poco specifiche e con scarsa attività possono portare a risultati mediocri.

Riferimenti bibliografici

  • Geesey, G.G. Microbial exopolymers: Ecological and economic considerations. ASM News 1982, 48, 9–14.
  • Flemming, H.-C.; Wingender, J.; Kjelleberg, S.; Steinberg, P.; Rice, S.; Szewzyk, U. Biofilms: An emergent form of microbial life. Nat. Rev. Microbiol. 2016, 14, 563–575.
  • Sutherland, I.W. Bacterial exopolysaccharides. Adv. Microb. Physiol. 1972, 8, 143–213.
  • Flemming, H.-C.; Neu, T.R.; Wingender, J. The Perfect Slime: Microbial Extracellular Polymeric Substances (EPS); IWA publishing: London, UK, 2016
  • Neu, T.R.; Lawrence, J.R. Extracellular polymeric substances in microbial biofilms. In Microbial Glycobiology:
  • Structures, Relevance and Applications; Moran, A., Brenan, P., Holst, O., von Itzstein, M., Eds.; Elsevier: San Diego, CA, USA, 2009; pp. 735–758.
  • Houry, A.; Gohar, M.; Deschamps, J.; Tischenko, E.; Aymerich, S.; Gruss, A.; Briandet, R. Bacterial swimmers that infiltrate and take over the biofilm matrix. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 13088–13093.
  • Hans-Curt Flemming, EPS—Then and Now. Microrganism, 2016