DRZ

Importancia de las Biopelículas en

la Industria Alimentaria y en

Medicina Veterinaria

Autor: MV.MSc. Datty Rosales-Zambrano

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES CONSEJO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

FACULTAD DE CIENCIAS

DRZ

• Introducción • Aspectos generales de las Biopelículas

• Mecanismos de formación • Monitoreo y detección

• Biopelículas en las industrias de alimentos • Métodos de control, remoción y prevención de la

formación • Implicación de la biopelículas en enfermedades

infecciosas humanas y veterinarias • Conclusiones

Introducción

• 1684. Leewenhoek

• 1943. Zobell

• Tipo de comunidad bacteriana

• Matriz biológicamente activa mono especie o multiespecie, asociada a una superficie solida

• Son reconocidos como causantes de enfermedades bacterianas

• Toleran altas concentraciones de antimicrobianos.

• Comunidades de microorganismos viables y no

viables protegidos por SPE (Chimielweski, 2003).

• Sustancias poliméricas extracelulares (polisacáridos,

proteínas, fosfolípidos, AN, ácidos grasos y agua)

(Carpentier y Cerf,1993)

• Función del SPE

• 10-25% de células y 75-90% de matriz (Garret et al,

2008)

• Sustrato + Microorganismos

• Relación industria láctea y biofilms

• 1 bacteria planctónico 1000 en biopelículas

• Arquitectura: composición y 3D

• Ecosistemas grandes, organizados y complejos

This is a 3-D reconstruction of the bacterial biofilm made by cholera bacteria. Bacterial cells (blue) attach to surfaces

with a glue-like protein (green) and cement themselves together with another protein (gray). The bacterial clusters then cover themselves with a protective shell (red) made of

proteins and sugar molecules. Credit: Yeysel Berk, UC Berkeley

Read more at: http://phys.org/news/2012-07-super-

resolution-microscopy-biofilm-drug.html#jCp

El Premio Nobel de Química 2014 ha recaído en los investigadores estadounidenses Eric Betzig y William E. Moerner, y el alemán Stefan

Variables importantes en la adhesión celular, formación y desarrollo de biopelículas

Superficie de adhesión Fluido Células

Textura o rugosidad Velocidad de flujo Hidrofobicidad de la

superficie celular

Hidrofobicidad pH Apéndices

extracelulares

Composición química Temperatura Polímeros

extracelulares

Carga Cationes Moléculas

señalizadores

Cobertura Presencia de

antimicrobianos

Disponibilidad de

nutrientes

Tomado de Donlan,2002

• Flagelo Movilidad

• Pili Ganchos de anclaje

• Proteínas de adhesión,

• Capsulas Quimioreceptores

• (Chmielewsky y Frank,2003).

• Bacterias exploran la superficie

• Fase reversible : fuerzas unión electrostáticas,

Van de Waals, interacciones hidrofóbicas

(Garret et al, 2008). FISISORCION

• Mayor hidrofobicidad a mas de 37 C° (Cappello y

Guglielmino, 2006; Di Bonaventura et al,2008)

• Fase Irreversible:

▫ Adsorción: apéndices físicos de las bacterias.

▫ Reacciones de oxido-reducción

▫ Formación de fibrillas poliméricas = Puentes

▫ Eliminan tratamientos fuertes

Propiedades de la Superficie

• Hidrofobicidad

• Apéndices

▫ Flagelo:

Interacción inicial

Movilidad

Monocapa inicial

▫ Pilis:

Adhesión

Vencer repulsión inicial

▫ Tallo o Prosteca:

Adhesión

• Sustancias poliméricas extracelulares (SPE)

▫ Cohesión

▫ Adhesión

▫ Mecanismo de transporte

▫ Agente protector

• Comunicación Celular

▫ Cooperación

▫ Señalización celular:

Adhesión

Destrucción

Cambios ambientales

Expresión genética

▫ Autoinducción

Cinética y Estabilidad

• Fase de muerte ▫ Desprendimiento

▫ Acción enzimática Alginato liasa

Pseudomonas

N-acetyl heparosan E.coli

Hialuronidasa

Streptococcus equi

(Garret et al, 2008)

• Fase de adaptación

• Fase de crecimiento exponencial ▫ Aprovechamiento de

nutrientes

▫ Interacción celular

• Fase de crecimiento estacionaria ▫ División binaria

▫ Estructura tipo hongo

▫ Velocidad crecimiento y muerte =

Método estándar

• UFC

• Organismos viables del consorcio

• Se crece el biofilm y se mide luego en medios diferenciales (Melo, 2013)

• Rojo Congo Staphylococcus C-

(Freeman et al, 1989)

• Técnicas estáticas

• Técnicas dinámicas

• Método de microplacas (prueba de oro)

Evaluación in situ

• Fluorescencia

• Microscopia

▫ Contraste de fase

▫ Barrido

▫ Transmisión

▫ Confocal

▫ Super resolución

Background

▫ Adhesión

Detección en Industria Láctea

• Hisopados, enjuague, siembra en profundidad o contacto

• Microorganismos VNC

• Bacterias estresadas

• Ultrasonido

• Microscopias de epifluorescencia

• Laser confocal

• Salmonella

• Yersinia

• Listeria

• E.coli O157

• Campylobacter jejuni

Especies microbianas presentes en biopelículas en distintos ambientes alimentarios

Lugar Aislados formadores de biofilm (%)

Lactuario

Línea de pasteurización

Bacillus cereus (12)

E. coli (11)

Shigella sp (11)

S.aureus (8)

Planta de helados

Cinta transportadora

Unidad de llenado

Listeria monocytogenes

Shigella

Industria del pescado

Unidad procesadora de caviar

Neisseriaceae (25)

Pseudomonas (6)

Vibrio (10)

Listeria (3)

Camaronera

Pseudomonas (66)

P. fluorescens

P. putida

Pescadería Enterobacteriaceae

Serratia liquefaciens

Adaptado de Shi y Zhu,2009

Revisión de la presencia de microorganismos formadores de biopelículas en algunas aéreas de fincas

lecheras y plantas procesadoras

Punto Material

Tipo de bacteria

Pseud Aeromonas Staphyl Bacillus LAB Enterobacteriaceae Listeria

Cisterna,

empacadura Manguera + - + + - - *

Cisterna,

separador de

aire

Acero + - - - - + *

Tanque Acero * - * * * * +

Mangueras Manguera * - * * * * +

Tubo corto

pezonera Manguera + - + - + + -

Adaptado de Marchand et al, 2012

Considerar

• Prevención contra eliminación

• Características del sistema poco modificables

• Procesos de limpieza y desinfección

▫ Tipos de químicos

▫ Velocidad de flujo

▫ Temperatura

▫ Vapor

▫ Regularidad

• Identificación de materiales que no promuevan o supriman la formación de biofilms

• Rogers et al., 1994, casi no hay material que no permita la formación

• Coberturas de superficie con antimicrobianos

• Nano materiales (Ag)

Limpieza y desinfección

• Procesos rutinarios • Biopelículas resistentes a los desinfectantes

comunes • Limpieza ▫ Remoción de detritus y residuos ▫ Altas temperaturas ▫ Álcalis y ácidos ▫ Elimina hasta 90% de microorganismos (Simoes

et al, 2010) ▫ Limpieza en sitio (CIP)

Antimicrobianos usados para controlar especies formadoras de biofilm comunes en industria láctea

Tratamiento Tipo biopelícula

Ozono P.fluorescens/ Alcaligenes faecalis

Cloruro de benzalconio, hexadecil-

trimetilamonio, hipoclorito de sodio, cresol,

fenol

E. coli

Cloro, ácido paracetico L. monocytogenes y Pseudomonas sp, films

mixtos

Ozono, Cloro P.fluorescens, P.putida y P . fragi

Hipoclorito de sodio, acido nítrico Multi especies

Peróxido de hidrogeno y acido paracetico S. aureus

Peróxido, amonio cuaternario, cloro L. monocytogenes

Simoes et al, 2010

Estrategias ecológicas para eliminación de biofilm en industria láctea

• Detergentes enzimáticos (Simoes et al, 2010; Lequette et al, 2010).

• Bacteriófagos (Verma et al,2010;

Simoes et al, 2010)

• Metabolitos microbianos:

▫ Surfactina (Bacillus subtilis) (Mireles et al,2001)

▫ Nisina, lauricidin, pediocin (Valle et al 2006)

Importancia

• Reto para la medicina moderna • Resistencia antimicrobiana : ▫ Cambios fenotípicos ▫ SPE o enzimas ▫ Bajo crecimiento

• Implantes quirúrgicos ▫ Lentes de contacto, válvulas, catéteres,

prótesis articulares y tubo endotraqueal ▫ Streptococcus, Pseudomonas,

Staphylococcus, E. coli, Enterobacter y Proteus (Davey y Ò´Toole,2000)

Patógenos resistentes a antibióticos en Medicina Veterinaria

Bacteria Especie

animal

Enfermedad/Infec

ción Antibiótico resistente

Acinetobacter

baumanii Caballo

Infección catéter

yugular Amoxicilina/Clavulanico

Actinobacillus

spp Caballo

Infección

postoperatoria Penicilina

Klebsiella spp Caballo Infección musculo

esquelética

Ampicilina/Amoxicilina/

Clavulanico

P.aureginosa Perro Otitis Amoxicilina/Clavulanico

S. aureus Vaca Mastitis Amoxicilina/Ampicilina/Lincomic

ina/Penicilina

S. epidermidis Caballo Infección post-

operatorio Meticilina

S. intermedius Perro Pioderma Ciprofloxacina

Conclusiones

• Retos al cuidado de la salud

• Forma mas común de comunidad bacteriana en la naturaleza

• Depende de las características de las bacterias y del sustrato

• Falta de control y prevención en formación de biofilms es grave en salud publica

• Una de las principales fuentes de contaminación en la industria láctea

• Importantes en infecciones humanas y animales

• Bacterias multiresistentes.