Escribe: Liliana Revolledo / DVM, MSc. PhD.
Introducción
Los biofilms han sido reconocidos como una estrategia de los microorganismos para sobrevivir en ambientes hostiles, como superficies inertes expuestas a condiciones de luz UV, calor, frío u otras. Es importante mencionar que en la industria de los alimentos, los microorganismos patógenos y de deterioro de los alimentos desarrollan biofilms en contacto con las superficies; que provocan contaminación de los equipos, bioincrustración en los sistemas de agua y contaminación postprocesamiento, que producen deterioro de los alimentos y enfermedades transmitidas por los alimentos.
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Biofilms: estrategias para prevenir o controlar su formación Parte I
Quorum sensing (QS) y biofilms
El quorum sensing (detección del quórum) es un mecanismo que regula la expresión de los genes en función de la densidad celular.
Este mecanismo es un tipo de comportamiento social y comunicación que puede ocurrir dentro de una única especie bacteriana, así como, entre diferentes especies y tiene lugar gracias a la liberación de moléculas autoinductoras porque pueden actuar sobre la misma célula que las liberó.
Los investigadores están divididos, un grupo afirma que el biofilm es solo un aspecto del quorum sensing, otro grupo argumenta que QS no es necesario para la formación de biofilms. La conexión entre el QS y la formación de biofilms no ha sido completamente entendida aún, por lo que muchas cosas no se pueden explicar de manera concreta.
Especialistas en biofilms apuntan al hecho de que el biofilm es una entidad dinámica que cambia en el tiempo dependiendo de la situación y con los cambios de nutrientes. Por ejemplo, cuando una gran población encuentra una privación de nutrientes, el QS es utilizado como un camino de señales por los cuales la bacteria se comunica y migra fuera de la colonia. Este proceso permite que la bacteria se fije en un nuevo territorio.
Las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas poseen varios compuestos químicos que actúan como autoinductores, los dos grupos caracterizados son los oligopéptidos para las Gram-positivas y las lactinas N-acil homoserina para las Gram-negativas, y un tercer grupo llamado de autoinductor 2 presente en ambos grupos de bacterias que sirven para la comunicación interespecies, y dos caminos nuevos regulados por el ácido hidroxil-palmítico metiléster y el ácido metil dodecanoico que cumplen esta misma función.
Esta comunicación es compleja, y la regulación positiva de este proceso aún es un misterio, donde el QS es activado en la población y cuál es el tiempo necesario para reclutar el resto de la población. Los polisacáridos juegan un rol fundamental en la matriz del biofilm. Algunos de los más comunes son la celulosa, alginato, adhesinas y otros.
Las proteínas, presentes en la matriz como fibras amiloides también juegan un papel crítico, y en algunos casos están presentes en más altas concentraciones que los polisacáridos. Por ejemplo, BslA es una proteína anfifílica asociada a la superficies de las células que puede formar una barrera en la superficie de biofilms de Bacilus subtilis, de esta manera proporcionan protección contra estresores medioambientales.
Estudios previos sugieren que el eADN juega un papel importante en la formación, viabilidad estructural e integridad de los biofilms bacterianos. La sustancia polimérica extracelular (EPS) ha sido llamada de la materia oscura de los biofilms es compleja y variable en sus componentes, por lo que se ha constituido en un desafío para el desarrollo de productos dirigidos a la erradicación de los biofilms.
Algunos ejemplos de los componentes de EPS y su papel en la formación de biofilms se describen en la Tabla 1.
Es importante mencionar que en la industria de los alimentos, los microrganismos patógenos y de deterioro de los alimentos desarrollan biofilms en contacto con las superficies; que provoca contaminación de los equipos.
Inhibidores del fenómeno QS (quorum sensing)
QS incluye un reconocimiento dependiente de la densidad de moléculas señaladoras que resultan en la modulación de la expresión de genes bacterianos. Esta regulación de la expresión génica ha sido propuesta como componente esencial de la fisiología del biofilm.
Furanonas aisladas de alga marina Deliseapulchra fueron estudiadas, confirmando su
actividad como compuestos inhibidores de la producción de moléculas autoinductoras del QS En este sentido inhabilitar el sistema QS puede ser una ventaja en la lucha contra las bacterias sin crear resistencia y una muy buena estrategia para el tratamiento.
Algunos investigadores han manifestado que la terapia sinérgica que incluya una mezcla comercial de agentes antimicrobianos y compuestos anti-QS pueden ser una combinación ganadora contra microorganismos patógenos. Investigaciones de numerosas
plantas, hongos, algas y otras fuentes naturales probadas, han tenido una muy buena actividad anti-QS.
Algunas de las plantas con potencial anti-QS están detalladas en la Tabla 2. Existe una larga lista de plantas no solo inhibidoras del QS sino de la regulación génica en relación a esta actividad.
El extracto de algunas plantas (ej. Olea europea) tiene influencia en la expresión de algunos genes que son responsables por la síntesis de fimbrias, curli y exopolisacáridos, por lo que este extracto puede modificar la adhesión a la superficie. El carvacrol, un terpeno natural extraído del tomillo o del orégano tiene una influencia
negativa en el desarrollo de biofilms de Salmonella Enteritidis en acero inoxidable.
El segundo gran grupo de productos naturales investigados para actividad anti-QS han sido las bacterias, con especial énfasis en bacterias ácidolácticas (Tabla 3) y su biosurfactante.
Un estudio con más de cien cianobacterias de origen marino indicó que algunas de ellas son fuentes prometedoras de compuestos anti-QS. Extractos intracelulares y extracelulares de bacterias han demostrado también actividad en la inhibición de la formación de biofilms.
Otro grupo estudiado han sido los extractos de hongos, que han mostrado una actividad
inhibidora del QS dependiendo de la dosis. El hongo Armillaria mellea inhibe la formación de biofilms más efectivamente que los
antibióticos en concentración de 1,56mg/mL.
El estudio publicado por Penjin y colaboradores en 2014 fue el primero en probar que extractos de esponjas Ochridaspongia rotunda expresa propiedades anti-QS. Estudios posteriores han demostrado el potencial antibiofilm de esponjas, algas y
algunos extractos de otros organismo marinos (phylum: Bryozoa).
Péptidos antimicrobianos
Los péptidos antimicrobianos (AMP) han atraído la atención como sustancias alternativas a los antimicrobianos convencionales, porque causan inhibición no específica de patógenos bacterianos ligando el péptido a grupos aniónicos en la superficies celular, resultando en la formación de poros letales. También los péptidos antimicrobianos han demostrado una actividad bactericida y contra la actividad de biofilms de patógenos.
Algunos de estos péptidos como la apitoxina encontrada en el veneno de las abejas son una alternativa para inhibir el crecimiento de cepas de Salmonella aisladas de la cadena alimentaria.
Adicionalmente reduce la formación de biofilms y tiene la capacidad de destruir biofilms preformados. Es una nueva línea de investigación que puede resultar en el desarrollo de nuevos productos junto a otros antimicrobianos y biocidas.
Nanopartículas (NPs)
Las nanopartículas son una estrategia actual para la remoción de la biomasa de biofilms
desde que ellos son estables a altas temperaturas y presiones y pueden fácilmente penetrar la matriz.
Como las NPs son incorporadas a la matriz, el proceso resulta en que su superficie está cubierta por los constituyentes de la matriz del biofilm. Este proceso cambia las propiedades del NPs (composición, tamaño, carga, funcionalidad en la superficie).
Las NPs interactúan diferente con distintas biomoléculas, y estas interacciones son
influenciadas por el medio de ambiente donde las biomoléculas NP son insertadas (Figura 1), tales como la matriz de sustancias poliméricas extras celulares (EPS). La interacción entre NPs y biofilms bacterianos es modulado por las propiedades físico- químicas de ambos.
Esas propiedades y sus interacciones determinan el grado de consumo de la partícula, la especificidad de la interacción con la matriz del biofilm y la bacteria, y en algunos casos, los mecanismos de toxicidad. Se ha establecido que la simple adsorción de NPs en la superficie celular puede liderar un daño físico de la membrana celular, así como, la producción de algunas otras sustancias que afecta negativamente el metabolismo celular. Generalmente, NPs positivamente cargadas son más propensas a interactuar con sustancias del EPS, que tiene como un todo, una carga negativa.
La nanotecnología ha abierto la posibilidad para diseñar sistemas sofisticados de entrega de drogas. Existe el potencial de utilizar nanoportadores para penetrar el biofilm, y por ejemplo, ellos pueden ser diseñados para proteger el ingrediente activo de la inactivación enzimática o de la unión a la matriz del biofilm u otros componentes alrededor del biofilm. La encapsulación de antibióticos en NPs orgánicas puede proporcionar un aumento de la potencia antimicrobiana comparado a los antimicrobianos libres.
Una estrategia prometedora consiste en el uso de NPs producidos por ingeniería como portadores de inhibidores de QS, o para romper el EPS incluyendo el uso de NPs con funcionalidad de enzimas o con mimetismo enzimático. El desarrollo de estrategias exitosas para combatir los biofilms requieren de una interacción multidisciplinaria, para los varios desafíos que los biofilms representan.
Las nanopartículas representan una herramienta prometedora, sin embargo, su utilización estará condicionada no sólo a su eficacia sino a su aceptación desde una perspectiva regulatoria en el contexto de liberación de los nanomateriales. Otro factor crítico importante a ser investigado es como los NPs están modificando el medio biológico, y como estos cambios pueden afectar su función.
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