María Amelia Cubitto y Lorena Inés Brugnoni  (*)

En las últimas dos décadas, se ha prestado atención al hecho que la mayoría de los microorganismos no se encuentran exclusivamente de forma libre, sino que forman parte de comunidades microbianas con estructuras tridimensionales complejas, con  interrelaciones entre sus individuos, que se asemejan al comportamiento de los organismos pluricelulares

Introducción general

En las últimas dos décadas, se ha prestado atención al hecho que la mayoría de los microorganismos no se encuentran exclusivamente de forma libre (planctónicas), sino que forman parte de comunidades microbianas con estructuras tridimensionales complejas, con  interrelaciones entre sus individuos, que se asemejan al comportamiento de los organismos pluricelulares. A estas estructuras biológicas se las denomina biofilms, donde los microorganismos crecen adheridos a superficies y embebidos en matrices extracelulares que ellos mismos sintetizan.

Anton van Leeuwenhoek (1632 - 1723), utilizando sus microscopios artesanales, fue el primero en describir la presencia de microorganismos adheridos a superficies dentales, por lo que se le reconoce como el descubridor de los biofilms bacterianos. Sin embargo, por el pobre desarrollo de las ciencias en esa época, se restó importancia a estas observaciones. Debieron pasar tres siglos para que la comunidad científica comience a valorar estas estructuras y reconocer la existencia de comunidades microbianas embebidas en matrices glucoproteicas, desarrolladas sobre superficies en contacto con el agua u otro medio líquido.

Podemos encontrar biofilms en todos los medios: natural, clínico o industrial. Sólo se requiere la presencia de un entorno hidratado y una mínima cantidad de nutrientes, ya que pueden desarrollarse sobre todo tipo de superficies (hidrófobas o hidrófilas, bióticas o abióticas). La formación de biofilms es una estrategia adaptativa de los microorganismos porque el crecimiento en biofilm ofrece algunas ventajas: a) protege a los microorganismos de la acción de los agentes antimicrobianos, b) incrementa la disponibilidad de nutrientes, c) reduce la posibilidad de deshidratación y d) Favorece la transferencia de material genético. La formación de biofilms permite a las células incrementar sus posibilidades de supervivencia frente a antibióticos, desinfectantes y fuerzas de arrastre de los fluidos que circulan por los diferentes sistemas que colonizan. Además, la comunicación intercelular en un biofilm rápidamente regula la expresión de genes permitiendo adaptaciones fenotípicas temporales y la habilidad de sobrevivir en condiciones nutricionalmente deficientes.

Estudios realizados utilizando microscopía confocal han mostrado que la arquitectura de la matriz del biofilm no es sólida y presenta canales que permiten el flujo de agua, nutrientes y oxígeno. Sin embargo, la presencia de canales no evita que dentro del biofilm se puedan encontrar diferentes ambientes. Esta circunstancia aumenta la heterogeneidad del estado fisiológico en el que se encuentra los microorganismos en el interior del biofilm (Lasa y col., 2009). Por lo cual se puede definir un biofilm como un consorcio funcional heterogéneo de células microbianas sobre una superficie (Walker y Marsh, 2004). Además hay que tener en cuenta que, si la bacteria siempre estuviera embebida en la matriz extracelular no podría diseminarse y colonizar otros hábitats, o en el caso de un patógeno, no podría infectar nuevos hospedadores. Esto no ocurre, ya que existe un mecanismo que asegura el "despegue" o “independencia” de algunas células que forman parte de un biofilm. En algunos estudios en patógenos se ha propuesto que la liberación de las células de un biofilm está regulada por el sistema de quorum sensing, un mecanismo de autoinducción por el cual las bacterias determinan su densidad poblacional a través de una serie de moléculas sensoras. El "despegue" está producido por proteasas extracelulares que destruyen la matriz extracelular (Boles y Horswill, 2008). Estas células liberadas podrán iniciar un nuevo biofilm en otras superficies u organismos.

La formación de un biofilm es la causa de muchas infecciones crónicas, pues el patógeno puede resistir los ataques del sistema inmunitario y a la acción de los antibióticos. También son la causa de focos de infección cuando se forman sobre materiales e instrumental sanitario como catéteres o filtros.

En la industria alimentaria, la presencia de biofilms genera un serio problema higiénico-sanitario, causando pulsos de contaminación difíciles de controlar durante el proceso productivo, esto compromete la calidad microbiológica del producto, la efectividad de los tratamientos, la vida comercial del mismo y la salud del consumidor. Este tipo de contaminación limita seriamente el cumplimiento de los estándares de calidad. Desde un punto de vista tecnológico, los biofilms pueden ocasionar reducción del flujo de líquidos y de la transferencia de calor, pérdidas energéticas, bloqueo de los poros de membranas y corrosión de metales.

En muchos casos los biofilms iniciados por microorganismos con alta capacidad de colonización favorecen la inclusión de microorganismos patógenos aunque éstos se encuentren en bajo número en el alimento. La razón de su éxito se debe en parte a la asociación e interacción con microorganismos pre-existentes en las superficies. A pesar de esto, pocos estudios han investigado las relaciones biológicas que se establecen en biofilm multiespecies.

Las implicancias de los biofilms en la industria alimentaria son enormes y representan una amenaza potencial para todas las superficies. Teniendo en cuenta el número de industrias afectadas negativamente por el desarrollo de biofilms, el análisis integral de los factores que intervienen en la formación de los mismos permitirá diseñar estrategias de control adecuadas. En nuestro grupo de trabajo se desarrollan estudios tendientes a comprender los eventos que llevan a la formación de un biofilms, a fin de ensayar condiciones y compuestos que tiendan a inhibir su formación, ya que, una vez que la estructura se ha conformado es muy difícil de eliminar totalmente.

Un biofilm es el resultado de diferentes procesos químicos, físicos y biológicos que ocurren simultáneamente bajo ciertas condiciones ambientales. Para afrontar su investigación en la industria procesadora de alimentos, se debe ser abordar el problema en forma interdisciplinaria, utilizando la combinación de herramientas de microbiológicas, moleculares  y de la ingeniería, ya que las condiciones hidrodinámicas del medio líquido son significativas para el inicio del biofilm y se ha demostrada que la estructura cambia en respuesta a las condiciones de flujo.

El grupo de Microbiología Industrial y de los Alimentos (Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia) en conjunto con el Dr. Jorge Enrique Lozano (PLAPIQUI) iniciaron en el año 2003 los primeros  estudios en el país sobre la dinámica de formación de biofilms de levaduras autóctonas de jugos de frutas sobre materiales de uso en la industria alimentaria (Brugnoni y col., 2007; Brugnoni, 2008; Tarifa y col., 2013) y se estudiaron estrategias de control que confirmaron la resistencia de las levaduras formando biofilms a los desinfectantes de uso doméstico e industrial (Brugnoni y col., 2012 a,b). Además, se desarrollaron equipos para la formación “in situ” de biofilms en flujo laminar  transicional y turbulento (Brugnoni y col., 2011 a,b).

Actualmente, se han ampliado los estudios a biofilms multiespecies, especialmente orientado a las interacciones entre microorganismos patógenos y deteriorantes relacionados con los alimentos.
Debido a las desventajas de los procesos tradicionales de limpieza y desinfección, como la toxicidad de los agentes químicos utilizados o la promoción de resistencia microbiana a los mismos, uno de los objetivos es evaluar la eficacia de metabolitos de bacterias lácticas y de hongos como agentes de biocontrol (bacteriocinas y exopolisacáridos).


Figura 1: Etapas en la formación de un biofilm. Imagen cedida por el Centro de Ingeniería de Biofilms, Montana State University, USA.


Figura 2. Biofilm multiespecie formado por Candida tropicalisy C. krusei sobre acero inoxidable en condiciones de flujo turbulento. A) Observación por Microscopía de Láser Confocal, objetivo 20x. Servicio de Microscopía Confocal de la UAT-CCT Bahía Blanca. B) Observación por Microscopía de Barrido, Aumento 200X. Laboratorio de Microscopía Electrónica de la UAT -CCT Bahía Blanca.

 

Referencias

  • Lasa I., del Pozo J.L., Penadés J.R. 2009. Biofilms Bacterianos e infección. An. Sist. Sanit. Navar. 2005, Vol. 28, Nº 2
  • Walkera J.T.; Marsh P.D. 2004. A review of biofilms and their role in microbial contamination of dental unit water systems. Int. Biodeterioration & Biodegradation 54: 87 – 98.
  • Boles B. R., Horswill A. R. 2008. agr-Mediated Dispersal of Staphylococcus aureus Biofilms. PLOS Pathogens, 4, 1-11.


Producción del grupo:

  • Brugnoni L.I., Lozano, J. E., Cubitto M. A. 2007. Potential of yeast isolated from apples juices to adhere to stainless steel surfaces in apple juice processing industry. Food Research International 40: 332-340.
  • Brugnoni L.I. 2008. “Dinámica y formación de biofilm de levaduras en equipos de procesamiento de jugos de fruta”. Tesis para optar al grado de Doctor en Bioquímica. Biblioteca Central UNS.
  • Brugnoni L.I., Lozano J E, Cubitto MA. 2011a. Role of Shear Stress on Biofilm Formation of Candida krusei in a Rotating Disk System”. Journal of Food Engineering 102, 266-271.
  • Brugnoni,L.I., Cubitto M.A., Lozano J.E. 2011b. Biofilm formation under laminar flow conditions of yeast isolated from an apple juice processing plant. J. Food Process Engineering. 34: 49–56.
  • Brugnoni L.I., Cubitto., M. A.  Lozano J. E. 2012a. Candida krusei development on turbulent flow regimes: Biofilm formation and efficiency of cleaning and disinfection program. Journal of Food Engineering, 111, 546-552.
  • Brugnoni L.I., Lozano, J.E., Cubitto M.A. 2012b. Efficacy of sodium hypochlorite and quaternary ammonium compounds on yeast isolated from apple juice. Journal of Food Process Engineering (2012b) 35, 104-119.
  • Tarifa M.C., Brugnoni L.I., Lozano J.E. 2013. Role of hydrophobicity in adhesion of wild yeast isolated from ultrafiltration membranes of an apple juice processing plant” Biofouling 29 (7), 841–853.

 

* Dra. M. Amelia Cubitto, profesora adjunta, a cargo del laboratorio de Microbiología Industrial y de los Alimentos del Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia de la UNS e  investigadora vinculada al CERZOS. Dra. Lorena Brugnoni, investigadora Asistente del CONICET (PLAPIQUI) y ayudante de docencia Depto. de Biología Bioquímica y Farmacia de la UNS.

Volver