Bacteriófagos: pequeños grandes aliados en la lucha contra los patógenos alimentarios

En materia de seguridad y calidad de los alimentos, uno de los aspectos fundamentales es la eliminación de microorganismos indeseados en los alimentos y las instalaciones. Las técnicas y productos disponibles para prevenir la contaminación microbiológica de los alimentos han ido evolucionando en paralelo al desarrollo tecnológico de las industrias alimentarias. Sin embargo, existe en la Naturaleza una estrategia de control microbiológico que, desde hace millones de años, ha desarrollado un elevado grado de especialización y eficiencia: los bacteriófagos, también llamados fagos.

Los fagos son virus que infectan bacterias de forma específica. Los bacteriófagos, como el resto de virus conocidos, se encuentran en una zona intermedia entre los organismos vivos y la materia inerte. Requieren un organismo huésped para su reproducción y permanecen en un estado suspendido cuando no encuentran un huésped al que infectar, a la deriva en el medio que lo rodea hasta un nuevo encuentro o su degradación por factores externos.

_

Ilustración del fago P4 que infecta Escherichia coli. Fuente: https://www.newyorker.com/tech/elements/phage-killer-viral-dark-matter

_

Características biológicas

Descubiertos en 1915 por Frederick Twort [1] y caracterizados de forma correcta por Félix d’Herelle en 1917 [2], los bacteriófagos son ejemplos de magnitudes extremas. Su tamaño es de alrededor de 100 nm, aproximadamente 10 veces inferior al de una bacteria, por lo que no pueden ser observados mediante microscopios ópticos convencionales. Su genoma puede ser muy simple, con casos como el fago Qβ, que únicamente contiene 4 genes [3]. En contraste, la población de fagos en la naturaleza se estima en 10³¹ [4], con una proporción de 10 fagos por cada bacteria. Se consideran la forma de vida más abundante en la Naturaleza. De hecho, se estima que 1 mL de agua marina contiene una media de 10⁷ fagos [5]. En las condiciones adecuadas, un único virión puede producir más de 100 unidades infectivas en menos de una hora. En el medio natural, los fagos producen aproximadamente 10²⁴ infecciones efectivas cada segundo, de tal manera que se estima que, en un ciclo de 24 horas, el 40 % de las bacterias presentes en el océano son destruidas por fagos [6].

Como hemos indicado anteriormente, los bacteriófagos presentan una gran especificidad en cuanto a sus organismos diana. Generalmente, un fago infecta un único género bacteriano, con casos en los que el fago es específico de la especie o incluso de la cepa bacteriana. Esta propiedad hace que estos virus sean inocuos para el resto de organismos, ya sean otras bacterias, vegetales o animales. Esta elevada especificidad se basa generalmente en el reconocimiento de proteínas específicas en la membrana celular, a través de las fibras presentes en el tallo del fago.

_

Mecanismos de infección

Los fagos no son capaces de desplazarse por sí mismos, sino que están sometidos a movimientos aleatorios en el medio por efecto Browniano. Cuando un fago entra en contacto con una célula bacteriana a la que reconoce como huésped, se inicia el proceso de infección, empezando por el anclaje de la base del fago sobre la superficie de la membrana celular. A continuación, el fago inyecta su material genético en el interior de la célula, combinándolo con el genoma bacteriano. A partir de este punto, se dan dos estrategias de reproducción en función del tipo de fago.

En los denominados fagos líticos, el genoma infectivo toma el control del metabolismo celular y redirige los recursos a la producción de decenas de nuevos fagos en el interior de la célula, hasta que la membrana celular se rompe por la presión interna, provocando la muerte celular y la liberación de los nuevos fagos producidos. Alternativamente, los fagos temperados insertan su genoma en el genoma bacteriano, en un proceso que se conoce como lisogenia. Al contrario que en la vía lítica, la producción de nuevos fagos no se produce de forma inmediata, sino que el genoma vírico se replica junto al bacteriano cuando la bacteria se reproduce. Una vez las condiciones ambientales son las adecuadas, se activa el ciclo lítico, que culmina con la muerte de las células que contienen el genoma vírico y la liberación de múltiples fagos.

_

Ilustración del ciclo lítico y ciclo lisogénico. Fuente: https://geneticabacterianauce.wikispaces.com/GRUPO+B2

_

Aplicaciones

Como podemos ver, los bacteriófagos son agentes de control bacteriano ampliamente extendidos en la Naturaleza y de gran importancia en el ecosistema. Las dificultades para su detección, caracterización, aislamiento y manejo han limitado enormemente su uso en aplicaciones sanitarias o industriales. El primer caso reportado de uso terapéutico de fagos data de 1921 [7], y durante un tiempo este tipo de terapias tuvieron cierta relevancia en la ex-República Soviética de Georgia, para el tratamiento de infecciones bacterianas. Sin embargo, su uso no llegó a generalizarse a Occidente y fue disminuyendo poco a poco. Solo recientemente se ha vuelto a considerar la utilización de fagos como una herramienta viable. Esto ha sido posible por una parte gracias al nuevo conocimiento disponible sobre estos agentes biológicos y, por otra parte, a las limitaciones encontradas en la aplicación masiva de antibióticos para tratar enfermedades bacterianas.

Solo recientemente se ha comenzado a emplear este tipo de agentes en la industria alimentaria, como alternativa al uso de antimicrobianos. La primera descripción del uso de fagos para control de patógenos en alimentos data de 2001, cuando se investigó el control de Salmonella enterica en queso cheddar [8]. El mayor impulso a esta tecnología se dio en 2006 tras la aprobación por la FDA de un cóctel de fagos efectivo frente a Listeria monocytogenes para uso en quesos y alimentos cárnicos listos para el consumo [9]. Actualmente, existen distintos productos comerciales basados en fagos frente a patógenos como Listeria monocytogenes, Salmonella o E. coli, aprobados para su aplicación en alimentos en países como Estados Unidos, Nueva Zelanda, Australia o Noruega. Adicionalmente, los fagos también pueden ser empleados para control microbiológico en instalaciones de producción de alimentos, debido a su facilidad para penetrar en el interior de biofilms.

_

Conclusiones

Las ventajas potenciales del uso de fagos en industria alimentaria están basadas en su elevada especificidad, de manera que se pueden considerar agentes inocuos para los organismos que no son su objetivo. Además, no alteran las propiedades organolépticas de los alimentos, no son corrosivos y son aptos para productos etiquetados como orgánicos o naturales [10]. Su elevada especificidad implica también que los fagos no pueden ser empleados en sustitución de los procedimientos de descontaminación de alimentos o superficies de amplio espectro, sino como complemento a los mismos.

En conclusión, el uso de bacteriófagos como complemento a las estrategias de control de microorganismos indeseados en los alimentos comienza a ser una realidad a nivel industrial, una vez que sus mecanismos de acción y la tecnología para su obtención y manejo se conocen mejor. Es de esperar que, especialmente en la Unión Europea, el uso de estos agentes se incremente en el futuro cercano y la normativa aplicable se actualice en consonancia con el desarrollo tecnológico.

_

Referencias

[1] F. W. Twort, “AN INVESTIGATION ON THE NATURE OF ULTRA-MICROSCOPIC VIRUSES.,” Lancet, vol. 186, Dec. 1915.

[2] “Sur une microbe invisible antagoniste des bacilles dysentérique,” in Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, pp. 373–375.

[3] A. Kashiwagi and T. Yomo, “Ongoing phenotypic and genomic changes in experimental coevolution of RNA bacteriophage Qβ and Escherichia coli.,” PLoS Genet., vol. 7, Aug. 2011.

[4] R. W. Hendrix, “Recoding in Bacteriophages,” in Recoding: Expansion of Decoding Rules Enriches Gene Expression, Springer New York, 2010, pp. 249–258.

[5] “March from the Sea: A Brief History of Environmental Phage Ecology from Marine to Human Ecosystems,” in Life in Our Phage World, California: Wholon, 2014.

[6] S. Jiang and J. Paul, “Seasonal and diel abundance of viruses and occurrence of lysogeny/bacteriocinogeny in the marine environment,” Mar. Ecol. Prog. Ser., vol. 104, 1994.

[7] R. Bruynoghe and J. Maisin, “Essais de thérapeutique au moyen du bacteriophage du Saphylocoque.,” Comptes rendus des seances de la Societe de biologie et de ses filiales, vol. 85. pp. 120–121, 1921.

[8] R. Modi, Y. Hirvi, A. Hill, and M. W. Griffiths, “Effect of phage on survival of Salmonella enteritidis during manufacture and storage of cheddar cheese made from raw and pasteurized milk.,” J. Food Prot., vol. 64, pp. 927–933, Jul. 2001.

[9] FDA, Food additives permitted for direct addition to food for human consumption; bacteriophage preparation; final rule. Washington, 2006, pp. 47729–47732.

[10] L. McIntyre, C. Billington, and J. A. Hudson, “Application of Bacteriophages to Control Pathogenic and Spoilage Bacteria in Food Processing and Distribution,” in Bacteriophages in the Control of Food-and Waterborne Pathogens, American Society of Microbiology, 2010, pp. 119–135.