Alternative for the control of foodborne bacteria
Sandra Pacios Michelena1,2, Raul Rodríguez Herrera*2, Adriana Carolina Flores Gallegos2, Mónica Lisset Chávez González1, Rodolfo RamosGonzález3, Elda Patricia Segura Ceniceros1, Anna Ilina*1
1 Cuerpo Académico de Nanobiociencia. Programa de Posgrado en Ciencias y Tecnologías de Alimentos. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila.
2 Departamento de Alimentos. Grupo de investigación de Biología Molecular. Programa de Posgrado en Ciencias y Tecnologías de Alimentos. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila.
3 CONACYT-Universidad Autónoma de Coahuila. Programa de Posgrado en Ciencias y Tecnologías de Alimentos. Facultad de Ciencias Químicas. Blvd. V. Carranza e Ing. José Cárdenas V., Col. República, CP 25280, Saltillo, Coahuila, México. Correo electrónico: annailina@uadec.edu.mx; raul.rodriguez@uadec.edu.mx
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CienciaCierta No. 57, Enero – Marzo 2019
Resumen:
Los microrganismos patógenos transmitidos por los alimentos es un problema de salud pública cada vez mayor en todo el mundo. Por muchos años se han utilizado antimicrobianos semi-sintéticos. El uso de éstos ha incrementado la resistencia de estos microorganismos a los tratamientos. Para el control de los microorganismos se han aplicado nuevos antibióticos desarrollados a partir de extractos naturales de plantas. La actividad antimicrobiana de muchos extractos de origen vegetal es atribuida generalmente a los compuestos polifenólicos pero la aplicación de éstos como conservantes de alimentos provoca deterioro de las propiedades organolépticas de los alimentos. Los bacteriófagos (o fagos) son virus que infectan específicamente bacterias. Sus características biológicas los hacen candidatos atractivos como agentes antimicrobianos para el control de los patógenos. Esta revisión se enfoca a los tratamientos alternativos propuestas para la sustitución de antibióticos en el sector alimenticio para el control de bacterias.
Palabras claves: polifenoles, bacteriófagos, antimicrobianos, bacterias transmitidas por alimentos.
Abstract
The foodborne pathogenic microorganisms are growing health problem throughout the world. For many years, semi-synthetic antimicrobials have been used. The use of these has increased the resistance of these microorganisms to the treatments. For the control of microorganisms, new antibiotics have been applied based on natural extracts from plants. The antimicrobial activity of many vegetal extracts is generally attributed to polyphenolic compounds but their application as food preservatives influences in the organoleptic properties of the food. Bacteriophage (or phages) are viruses that specifically infect bacteria. Their biological characteristics allows consider them as antimicrobial agents for the pathogens control. This review focuses on alternative treatments proposed for the replacement of antibiotics in the food sector for the control of bacteria.
Key words: polyphenols, bacteriophages, antimicrobials, foodborne bacteria.
Introducción
Los microrganismos patógenos transmitidos por los alimentos es un problema de salud pública de gran auge. Se conocen más de 250 enfermedades ocasionadas por alimentos contaminados. Este problema es cada vez mayor debido a la aparición de nuevos grupos poblacionales vulnerables y extensión de la población en general, así como se agrave con el aumento de la resistencia de los microorganismos patógenos a los antibióticos tradicionales (Palomino y González, 2014). La resistencia a los antibióticos es consecuencia de la práctica común aplicada para reducir la incidencia de enfermedades bacterianas transmitidas por alimentos. El uso inapropiado de los mismos condujo a los impactos negativos en la salud humana. Por lo tanto, cada día sea más difícil realizar un correcto tratamiento de las infecciones bacterianas para las cuales los antibióticos eficaces son más escasos. El desarrollo de nuevos agentes antibacterianos y su uso más apropiado es una necesidad que urge.
Numerosos estudios han demostrado la actividad de los polifenoles como antimicrobianos contra patógenos bacterianos. Sin embargo, solo algunos antimicrobianos naturales se han aplicado como conservantes en la industria alimenticia por el fuerte sabor y olor que imparten a los alimentos (Soković y col., 2010).
Otra alternativa que se desarrolla para el control de microorganismos patógenos se enfoca al uso de bacteriófagos. Los bacteriófagos son virus que infectan específicamente bacterias y han sido considerados como tratamiento potencial en terapia antibacteriana. La importante característica de fagos es su especificidad a determinadas bacterias hospederas. Su ciclo de replicación exclusivamente lítico (fagos virulentos) es la causa de la muerte de las bacterias (Jorquera y col., 2015). El problema actual de desarrollo de fagoterapias se relaciona con los métodos de extracción existentes los cuales no garantizan la eficiente purificación de fagos del resto de los detritos bacterianos lo que conduce a los efectos secundarios no deseables.
La presente revisión se enfoca a los tratamientos alternativos propuestos para la sustitución de antibióticos en el sector alimenticio para el control de bacterias transmitidas por alimentos: extractos naturales de plantas y bacteriofagos.
Bacterias transmitidas por alimentos
Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación y la Organización Mundial de la Salud (FAO/OMS, 2009), la inocuidad alimentaria se define como “la garantía de que los alimentos no causarán daño al consumidor cuando se preparen y/o consuman de acuerdo con el uso al que se destinan”. Las enfermedades transmitidas por alimentos (ETA) son responsables de altos niveles de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, siendo un problema para la salud pública. Los síntomas más comunes son diarrea y vómito, aunque también en casos más críticos se manifiestan choque séptico, hepatitis, cefaleas, fiebre y visión doble (González y Rojas, 2005). Los más frecuentes agentes patógenos de origen bacteriano incluyen Clostridium botulinum, Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolítica, Staphylococcus aureus, Shigella spp., Bacillus cereus (González y Rojas, 2005), Campylobacter spp, Salmonella entérica no tifoidea y Escherichia coli (WHO, 2015).
E. coli es uno de los principales focos de atención en cuanto a ETA. E. coli O157:H7 es el serotipo clásico vinculado a enfermedades enterohemorrágicas y ha sido la causa de numerosos brotes asociadas a enfermedades transmitidas por alimentos en Norteamérica, Europa y Japón. Actualmente este patógeno causa más de 2.8 millones de enfermedades agudas en todo el mundo (Mir y Kudva, 2018). Las principales complicaciones, una vez que coloniza el tracto gastrointestinal del hospedero, son diarreas con sangre, colitis hemorrágicas y síndrome urémico hemolítico, lo que está asociado a la producción de la toxina Shiga (Stx1, Stx2 o alguna variante) (White y col., 2002).
Campylobacter spp. es reconocido desde hace muchos años como líder en las causas de las enfermedades diarreicas agudas, pero dado que no se puede distinguir de las causadas por Salmonella y Shigella, el diagnóstico definitivo requiere aislar el microorganismo de las heces de los individuos enfermos que presentan fiebre alta, calambres abdominales y diarreas que duran desde varios días hasta semanas (Mead y col., 1999).
De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud sobre la incidencia mundial de enfermedades transmitidas por los alimentos (WHO, 2015), hasta 600 millones de personas se enferman cada año después de consumir algún tipo de alimento contaminado. De éstas, 420,000 personas mueren, incluyendo 125,000 niños menores de 5 años. Los números son alarmantes y confirman la urgencia de la búsqueda de los métodos alternativos para el control de problema presentado
Control de enfermedades transmitidas por alimentos
En la industria alimenticia se llevan a cabo un conjunto de tratamientos con el propósito de prolongar la vida útil del producto, sus propiedades organolépticas y su valor nutritivo, sin afectar considerablemente los costos de formulación, procesamiento o comercialización (Rodríguez, 2011). Por muchos años se han utilizado antimicrobianos sintetizados químicamente o tratamientos semi-sintéticos, es decir, derivados sintéticos de compuestos producidos vía microbiana. Debido a que las bacterias patógenas desarrollan los mecanismos de resistencia a estas sustancias, esto trae serias repercusiones para el tratamiento y la prevención de enfermedades infecciosas en el futuro tanto en animales como en humanos (Rodríguez, 2011). Se han buscado diversas alternativas tecnológicas que se emplean para disminuir la carga de bacterias patógenas en los alimentos. Por ejemplo, en el caso de alimentos crudos como frutas y vegetales se realiza el lavado con agua o con soluciones químicas antibacterianas (Jorquera y col., 2015). La incorrecta aplicación de estos métodos o el contacto posterior al tratamiento con alimentos contaminados hace que estos métodos no cumplan el objetivo de inocuidad de los alimentos y que hoy en día haya infecciones bacterianas para las cuales ya no existan antibióticos eficaces. Se hace necesario la búsqueda de nuevos agentes microbianos y su empleo más apropiado para el control de las ETA. Considerando estos aspectos, varios autores han estudiado el efecto de productos naturales: extractos de plantas (Soković y col., 2010; Mathur y col., 2011; Sagdic y col., 2011; Hayek y col., 2013; Oranday y col., 2016), bacteriófagos (Kim y col., 2007; García y col., 2008; Martı, 2016; Galarce y col., 2014; Jorquera y col., 2015; Lee y col., 2017), así como proteínas de origen fágico y bacteriocinas (Gálvez y col., 2008; Li y col., 2016; Miernikiewicz y col., 2016)
Biocontrol con tratamientos alternativos
Se han obtenido antimicrobianos naturales principalmente de hierbas, plantas y especias. Su actividad es generalmente atribuida a los aceites esenciales, olorresimas o compuestos fenólicos presentes en sus extractos (Rodríguez, 2011). Para el control de los microorganismos se han aplicado nuevos antibióticos desarrollados a partir de extractos naturales de plantas, así como los compuestos puros de origen vegetal (Oranday y col., 2016).
La actividad antimicrobiana de muchos extractos naturales es atribuida generalmente a los compuestos polifenólicos (Tabla 1). Los polifenoles son moléculas obtenidas en el metabolismo de las plantas que tienen las características de presentar muchos grupos fenoles derivados de la fenilalanina (Chesson y col., 1997). Muchos estudios han demostrado el gran beneficio que aportan los polifenoles a la salud humana en la que está incluida su actividad antimicrobiana contra patógenos bacterianos. Los grupos hidroxilos de los compuestos fenólicos interactúan con la membrana celular de las bacterias, lo que promueve la deslocalización de electrones afectando el intercambio de protones; de esta forma se reduce el gradiente a través de las membranas citoplasmáticas de las células bacterianas, destruyéndolas y liberando todo el contenido celular (Ultee y col., 2002). Además, estos compuestos pueden unirse fácilmente a los sitios activos de las enzimas, alterando el metabolismo celular del microorganismo (Farag y col., 1989). Varios autores han estudiado compuestos antimicrobianos cuya actividad ha sido probada frente a algunas bacterias transmitidas por alimentos (Tabla 1).
Tabla 1. Extractos de origen vegetal con actividad antimicrobiana frente a bacterias transmitidas por alimentos.
Sin embargo, solo algunos antimicrobianos naturales han podido ser aplicado como conservantes en la industria alimenticia por el fuerte sabor y olor que imparten a los alimentos. Otra limitación es la solubilidad de estos tratamientos (Soković y col., 2010). Se ha observado que algunas condiciones como la concentración de grasas, de sal, temperatura y pH de los alimentos afectan la actividad antimicrobiana de los compuestos activos. Además, la mayoría de agentes antimicrobianos usados en alimentos solo inhiben el crecimiento de bacterias y hongos, mas no eliminan su presencia, por lo que el producto tiene una vida de anaquel restringida, y es necesario el uso de otros factores de conservación que aumenten la vida media útil del producto (Rodríguez, 2011).
Los bacteriófagos (o fagos) son virus que infectan específicamente bacterias y han sido considerados en los últimos años como una alternativa atractiva para su uso como antimicrobianos en la industria alimenticia.
Taxonómicamente los fagos se clasifican en 11 familias según la naturaleza de su genoma y su morfología. De forma general pueden contener genoma de ADN o ARN, morfológicamente puede ser con cola contráctil o no, larga o corta, sin cola, pleomórfico o poliédrico (ICTV, 2011) en donde se encuentra la proteína de unión al receptor (RBP de sus siglas en inglés) siendo éste el factor clave que determina la especificidad del fago a la célula bacteriana. Las diferencias estructurales de la RBP entre los fagos según su morfología garantizan un mecanismo específico de unión de la partícula viral a la bacteria (Dowah y Clokie, 2018). Otra característica importante de los bacteriófagos es su ciclo de replicación. El ciclo replicativo de los bacteriófagos líticos (virulentos) comienza con el reconocimiento del antirreceptor viral de la superficie de la célula bacteriana y la posterior inyección del genoma. Luego el genoma del fago pasa directamente a la replicación, usando las herramientas enzimáticas de la célula hospedera, continuando con el ensamblaje y maduración de las nuevas partículas virales y finalmente con la liberación de la progenie viral, provocando la lisis celular (Jorquera y col., 2015).
Debido a la creciente problemática de la aparición de las bacterias multirresistentes a antimicrobianos comunes, en la industria alimenticia se ha considerado la aplicación de fagoterapias para prevenir o reducir la colonización e infección bacteriana. Se desarrollaron diversos estudios de fagos aplicados como biocontrol de bacterias patógenas transmitidas por alimentos (Leverentz y col., 2003; Flynn y col., 2004; Chibeu y col., 2013; Galarce y col., 2014) lo que permitió introducir en mercado algunos productos disponibles comercialmente para el tratamiento de alimentos contaminados.
La aplicación de bacteriófagos para el control de enfermedades transmitidas por alimentos de origen bacterianos es una alternativa atractiva para la sustitución o complementación de terapias con antibióticos tradicionales. Esto representa una posible solución a la alta incidencia de enfermedades provocadas por este tipo de patógenos.
Conclusión
La inocuidad alimentaria es una meta importante para desarrollo de la sociedad, lo que exige una búsqueda de los métodos alternativos para prevenir la transmisión de las enfermedades entre los cuales se destaca el uso de los extractos naturales y fagoterapias.
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