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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.
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