Biofilms multiespecie en la industria alimentaria

 

La presencia de biofilms en la industria alimentaria es tan preocupante como habitual. Las condiciones ambientales que podemos encontrar en el interior de una industria alimentaria propician en muchos casos la presencia de una ecología microbiana muy diversa, que puede albergar microorganismos patógenos con capacidad para formar biofilms como Listeria monocytogenes, Salmonella enterica, Escherichia coli o Pseudomonas aeruginosa.

Los biofilms actúan como un mecanismo de protección para la población microbiana. En el interior del biofilm los microorganismos se encuentran adheridos entre ellos y a una superficie y, a su vez, embebidos en una matriz polimérica extracelular que ellos mismos generan. En su interior, además, podemos encontrar una estructura de canales intersticiales, a través de la cual se favorece la accesibilidad de los microorganismos a agua y nutrientes.

La formación de un biofilm se inicia con la adhesión de los microorganismos a una superficie, seguida de su crecimiento y colonización. A continuación, se lleva a cabo la formación de la matriz extracelular y de los canales intersticiales, todo ello mediado por un mecanismo de comunicación entre microorganismos llamado quorum sensing. Una vez el biofilm es maduro, se inicia la fase de dispersión, en la que pequeños fragmentos de este se desprenden y colonizan otras superficies, en las que pueden desarrollar de nuevo un biofilm. De esta manera, la formación inicial de un biofilm sobre una superficie en un punto concreto del proceso productivo puede dar lugar a su expansión a diferentes puntos de la industria alimentaria.

La aparición de biofilms en la industria alimentaria preocupa especialmente porque en el interior de un biofilm los microorganismos cuentan con una barrera protectora frente a todo tipo de estrés ambiental, así como frente a la acción de los agentes antimicrobianos que se utilizan habitualmente en los procesos de limpieza y desinfección de las industrias alimentarias. Al encontrarse embebidos en una matriz polimérica, se dificulta el proceso de difusión de los productos biocidas y, por tanto, únicamente los microorganismos que se encuentren en la región más externa del biofilm quedarán expuestos a una concentración letal del producto. El resto de microorganismos solo recibirán una concentración subletal de biocida que no sólo no los eliminará, sino que, además, podrá favorecer la aparición de células persistentes.

La composición de la matriz polimérica dependerá de los microorganismos que conformen el biofilm. Por ejemplo, S. enterica, E. coli y Cronobacter sakazakii excretan celulosa como principal componente de la matriz, mientras que Staphylococcus aureus presenta una matriz formada principalmente por poli-N-acetilglucosamina. Estas moléculas están relacionadas no sólo con el mantenimiento de la estructura del biofilm, sino también con la protección frente a agentes biocidas.

Como decíamos al inicio, en el interior de las industrias alimentarias encontramos generalmente una combinación de microorganismos de diferentes especies que coexisten en un mismo ambiente. Esta ecología microbiana es específica de cada industria alimentaria y depende de las condiciones ambientales (pH, temperatura, actividad de agua…) que caracterizan a cada proceso productivo.

La coexistencia de diferentes tipos de microorganismos en un mismo ambiente favorece la formación de biofilms multiespecie. De hecho, aunque en el laboratorio es posible la formación de biofilms monoespecie, los biofilms que se encuentran en la industria alimentaria están formados mayoritariamente por más de una especie bacteriana o incluso por una combinación de especies bacterianas y fúngicas. Por ejemplo, se han detectado biofilms de Bacillus cereus, E. coli, Shigella spp., y S. aureus en plantas de procesado de huevos o leche (Jan et al., 2011; Sharma and Anand. 2002) o se han aislado biofilms de Listeria spp., Staphylococcus spp. y Vibrio spp. de equipos industriales en industrias de procesado de pescado (Gutiérrez et al., 2012; Shi & Zhu, 2009).

En el interior de los biofilms multiespecie podemos encontrar una amplia variedad de microorganismos que crecen muy cerca unos de otros, y esto favorece que se establezcan interacciones interespecies, que pueden dar lugar a nuevas funciones o capacidades emergentes. Este tipo de interacciones puede tener un papel clave tanto en el mantenimiento de la estructura del biofilm como en el desarrollo de funciones específicas. A modo de ejemplo, se ha observado que pueden aumentar la tolerancia frente a los agentes antimicrobianos, aumentar la virulencia en los procesos infecciosos o mejorar la degradación de compuestos orgánicos (Roder et al., 2016). La organización espacial de las especies en el interior del biofilm y la posibilidad de compartir los polímeros que forman la matriz determina su grado de persistencia en biofilms multiespecie, así como su resistencia a los tratamientos de limpieza y desinfección.

Además, la asociación de microorganismos en el interior de un biofilm puede desencadenar un aumento de la producción de biomasa, así como de sustancias poliméricas extra en la matriz del biofilm. En casos como E. coli O157:H7, se ha visto que produce 400 veces más biomasa cuando se encuentra en un biofilm junto a Acinetobacter calcoaceticus (Habimana et al., 2010). También hay especies bacterianas que se comunican entre ellas mediante nanotubos, como Bacillus substilis y E. coli, favoreciendo el intercambio de materiales citoplasmáticos y la diseminación de propiedades funcionales específicas (Dubey y Ben-Yehuda, 2011).

Muchos de los microorganismos patógenos transmitidos por alimentos son capaces de adherirse a gran cantidad de superficies y formar biofilms en la mayoría de condiciones ambientales que se pueden encontrar en el interior de una planta de producción de alimentos. En cualquier caso, una bacteria que se encuentre en forma planctónica en una industria alimentaria y se deposite sobre una superficie que contenga un biofilm, tenderá a unirse a este, favoreciendo la diversidad microbiana en el interior de los biofilms multiespecie. De esta forma, la presencia de un biofilm en la industria alimentaria, aunque sea de un microorganismo no patógeno, supone un problema porque favorece la unión al mismo de posibles macroorganismos patógenos. Así, se ha observado que L. monocytogenes se une fácilmente a biofilms formados de Lactococcus lactis (Habimana et al., 2009).

En el interior de un biofilm multiespecie podemos encontrar gradientes de oxígeno y nutrientes, favoreciendo la heterogeneidad del biofilm. Por ello, las bacterias presentes en su interior pueden encontrarse con gran cantidad de microambientes específicos. (Bidrier et al., 2015). Esto favorece que estos biofilms puedan albergar también microorganismos que presenten condiciones de crecimiento específicas. En este sentido, se ha observado que los biofilms de Pseudomonas spp. favorecen la unión de Campylobacter jejuni, un microorganismo que necesita condiciones de microaerofília para crecer (Ica et al., 2012). Además, se ha observado que especies bacterianas como E. coli, P. aeruginosa, L. monocytogenes, S. aureus o S. enterica, son capaces de adaptarse a esta heterogeneidad mediante ligeros cambios en su expresión genética. De esta forma, las bacterias se adaptan al microambiente que las rodea dando lugar a diferentes fenotipos, que contribuyen a la heterogeneidad bacteriana dentro del biofilm. Esta heterogeneidad mejora a su vez la capacidad de los microorganismos del biofilm para adaptarse a condiciones adversas como la presencia de agentes antimicrobianos (Bridier et al., 2015).

Por ello, la detección y eliminación rápida de biofilms en cualquier tipo de industria alimentaria es clave para asegurar unas buenas condiciones de higiene y seguridad alimentaria.

Bibliografía

Bridier, A., Sanzches-Vizuete, P., Guilbaud, M., Piard, J.C., Naïtali, M., Briandet, R. (2015). Biofilm-associated persistence of food-borne pathogens. Food Microbiology, 45, B, 167-178.

Dubey, G.P., Ben-Yehuda, S. (2011). Intercellular Nanotubes Mediate Bacterial Communication. Cell, 144, 590-600.

Gutiérrez, D., Delgado, S., Vázquez-Sanchez, D., Martínez, B., Cabo M.L., Rodríguez, A., Herrera, J.J., Garcia, P. (2012). Incidence of Staphylococcus aureus and analysis of associated bacterial communities on food industry surfaces. Applied and Environmental Microbiology, 78, 8547-8554.

Habimana, O., Heir, E., Langsrud, S., Asli, A.W., Moretro, T. (2010). Enhanced Surface colonization by Escherichia coli O157:H7 in biofilms formed by Acinetobacter calcoaceticus isolate from meat-processing environments. Applied and Environmental Microbiology, 76, 4557-4559.

Habimana, O., Meyrand, M., Meylheuc, T., Kulakauskas, S., Briandet, R. (2009). Genetic features of resident biofilms determine attachment of Listeria monocytogenes. Applied and Environmental Microbiology, 75, 7814-7821.

Ica, T., Caner, V., Istanbullu, O., Nguyen, H.D., Ahmed, B., Call, D.R., Beneyal, H. (2012). Characterization of mono- and mixed-culture Campylobacter jejuni biofilms. Applied and Environmental Microbiology, 78, 1033-1038.

Jan, S., Brunet, N., Techer, C., Le Marechal, C., Kone, A.Z., Grosset, N., Cochet, M.F., Gillard, A., Gautier, M., Puterflam, J., Baron, F. (2011). Biodiversity of psychrotrophic bacteria of the Bacillus cereus group collected on farm and in egg product industry. Food Microbiology, 28, 261-265.

Roder, H.L., Sorensen, S.J., Burmolle, M. (2016). Studying bacterial multiespecies biofilms: Where to start? Trends in microbiology, 24, 6.

Sharma, M., Anand, S.K. (2002). Characterization of consecutive microflora of biofilms in dairy processing lines. Food Microbiology, 19, 627-636.

Shi, X., Zhu, X. (2009). Biofilm formation and food safety in food industries. Trends in food Science & Technology, 20, 407-413.

Sobre el Autor
María Sanz
María Sanz Departamento Técnico e Investigación de Betelgeux. Doctora en Ciencias Biológicas por la Universitat Politècnica de València. Ha participado en numerosos proyectos nacionales y europeos para mejorar la seguridad alimentaria en las industrias alimentarias.
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