Matematici e biotecnologi ambientali dell’università americana di Notre Dame hanno sviluppato un nuovo modello computazionale che simula efficacemente il comportamento meccanico dei biofilm.

I biofilm, complesse aggregazioni di microorganismi, si trovano principalmente su substrati solidi sommersi o esposti a soluzioni acquose, ma possono formarsi anche su superfici liquide.
È possibile quindi trovare biofilm nelle vene, nei tubi dell’acqua, sugli scafi delle navi, sulle lenti a contatto ed in altre attrezzature ospedaliere. Tali aggregati di cellule batteriche sono immersi in una sostanza extracellulare polimerica chiamata EPS, una sorta di gel prodotto dalle cellule stesse che avvolge e protegge i microorganismi.

Alcuni biofilm risultano essere utili per l’uomo come il trattamento delle acque reflue che consente la biodegradazione dei contaminanti ambientali. Altri invece sono molto dannosi, come ad esempio le incrostazioni delle attrezzature industriali che corrodono i tubi o la formazione dei biofilm nelle cavità nei denti. I biofilm risultano particolarmente pericolosi nelle infezioni umane poiché la barriera protettrice dell’EPS rende i batteri resistenti agli antibiotici.

Poiché i biofilm si trovano spesso nei sistemi di scorrimento d’acqua, è importante capire l’effetto del flusso di un fluido sui biofilm. Questi infatti si comportano come dei materiali viscoelastici: inizialmente si deformano elasticamente e continuano a deformarsi fino a rompersi. La maggior parte dei modelli per i biofilm non sono in grado di cogliere questo aspetto e prevederne il distacco. Il modello proposto consente, invece, di simulare tale comportamento complesso mostrando che i biofilm con viscosità minore sono più propensi a deformarsi e formano dei filamenti che possono staccarsi e ostruire le strutture vicine.

Questo modello può essere utilizzato per elaborare nuove strategie per controllare meglio i biofilm. Ad esempio, può essere utilizzato per promuovere i biofilm come uno strumento utile nei sistemi di trattamento dei rifiuti, o per prevenire gli strati di biofouling nei sistemi di filtrazione a membrana. Può anche contribuire a migliorare la rimozione della placca dentale o sviluppare nuovi metodi per pulire i cateteri ed altri apparecchi chirurgici.

“In passato, gli scienziati studiavano i batteri in isolamento. Recentemente hanno riconosciuto l’importanza dei biofilm e scoperto il modo in cui sono costruiti, ma i modelli precedenti non sono riusciti a prevedere con precisione l’impatto della struttura disomogenea e delle multicomponenti del biofilm sulla deformazione sotto la pressione del flusso del fluido” ha dichiarato il matematico Mark Alber, il cui gruppo ha sviluppato il modello computazionale in collaborazione con i membri del laboratorio del biotecnologo ambientale Robert Nerenberg.

“Il nuovo modello di simulazione è importante perché permette di considerare in modo più realistico le proprietà viscoelastiche del biofilm”, ha detto Nerenberg. “Questa ricerca porterà a importanti progressi nella comprensione dei biofilm e la loro persistenza nei sistemi naturali e artificiali.”
Il modello proposto può portare a nuove strategie per lo studio di una serie di problemi che spaziano dal trattamento dei rifiuti alla coagulazione del sangue.

“La coagulazione del sangue è una delle principali cause di morte negli Stati Uniti. Siamo ora in grado di utilizzare un modello computazionale molto veloce e biologicamente rilevante per studiare le strutture deformate dei coaguli che si manifestano nel flusso sanguigno”, ha affermato Alber.
Il nuovo modello può essere infatti adattato per studiare la formazione di coaguli nei vasi sanguigni, che comportano il rischio fatale del distacco e della migrazione nei polmoni. I coaguli infatti nelle persone sane di solito si dissolvono autonomamente, quelli generati da deficienze genetiche, lesioni, infiammazioni o malattie come il cancro e il diabete, possono crescere in maniera incontrollata o sviluppare forme irregolari, minacciando di staccarsi sotto la pressione del sangue che scorre attraverso i vasi.

A cura di Cristiana Di Russo