Formación de biofilms en el ambiente de la industria cárnica

Un biofilm o biopelícula es un consorcio o comunidad de microorganismos que puede estar formado por una o varias especies, y que están unidos (adheridos) a una superficie biótica o abiótica. Las células microbianas forman el biofilm como una estructura tridimensional en la que se encuentran embebidas dentro de una matriz constituida por sustancias poliméricas extracelulares (EPS, extracellular polymeric substance), características de cada microorganismo, y que los mantiene unidos.

Casi todas las biopelículas de los entornos alimentarios contienen múltiples especies de microorganismos, y las complejas interacciones que se establecen dentro de esta comunidad van a influir significativamente en su arquitectura, actividad y resistencia a la desinfección. El efecto de la coexistencia microbiana en la formación de biopelículas mixtas que contienen uno o varios patógenos supone un grave problema para la industria cárnica, al igual que su resistencia a la desinfección. Muchas bacterias patógenas transmitidas por alimentos, como Escherichia coli O157: H7 (y otras cepas de Escherichia coli enteropatógenas productoras de toxina Shiga, STEC), Salmonella enterica y todos sus serotipos potencialmente patógenos, y Listeria monocytogenes, que es la única especie patógena de este género, pueden desarrollar biopelículas en muchas áreas de las plantas de procesado de alimentos, incluidos los suelos, paredes y tuberías, etc. Es un hecho demostrado que en los ambientes de la industria cárnica coexisten frecuentemente estas tres especies patógenas, además de géneros bacterianos que incluyen especies patógenas y especies comensales o alterantes, como Staphylococcus, Bacillus y Pseudomonas, entre otros. Dado que en el ambiente los organismos comensales o alterantes son más comunes que los organismos patógenos, lo más frecuente es encontrar biofilms mixtos formados por una sola especie patógena y diferentes no patógenas.

El riesgo potencial para la seguridad alimentaria de las biopelículas mixtas que contienen patógenos alimentarios va a depender en gran medida de la especie dominante en cada comunidad, que es el resultado de las interacciones que tienen lugar entre los múltiples microorganismos que compiten por los nutrientes esenciales y por el espacio para la colonización. Los resultados de esta competencia están relacionados con una gran variedad de factores, como la combinación de especies bacterianas en el biofilm mixto, el material de la superficie de contacto, la secuencia de la colonización, la edad de la biopelícula, etc. Existen múltiples ejemplos de biopelículas mixtas de varias especies que tienen un biovolumen mucho mayor que las biopelículas de cada especie por separado. En estos casos las especies son cooperadoras, pero en otros casos la relación entre especies puede ser de antagonismo o indiferencia.

La formación de biopelículas por parte de ciertos patógenos en las superficies de contacto con alimentos en las que ya existen biopelículas formadas previamente por bacterias comensales, alterantes o patógenas, puede ocurrir en las plantas de procesado de productos cárnicos. En estos casos, la secuencia de la colonización bacteriana podría desempeñar un papel crítico en la composición y en las especies que acaban siendo dominantes en las biopelículas mixtas. Por ejemplo, en presencia de biopelículas de Salmonella Typhimurium preformadas, Escherichia coli O157: H7 no puede competir eficientemente y no es capaz de reemplazar las biopelículas de Salmonella preexistentes. En otros casos, la especie colonizadora de un biofilm preformado puede competir con éxito gracias a la producción de EPS y puede relacionarse con la primera especie en forma de cooperación, antagonismo o indiferencia.

Un aspecto clave para definir un biofilm es el cambio fenotípico que se observa en las células fijas o sésiles respecto a las libres o planctónicas. Con los avances de la genómica y proteómica el biofilm deja de verse como una mera asociación de microorganismos unidos a una superficie y rodeados de la matriz de EPS, y empieza a contemplarse como un cambio complejo y sofisticado en el modo de vida de las células, que pasa de móvil a fijo, lo que conlleva importantes cambios a nivel fenotípico. Estas comunidades multicelulares se caracterizan por un elevado nivel de especialización, así como de comunicación entre las células que la forman, lo que hace posible su adaptación y permanencia. Las células que forman parte del biofilm exhiben un fenotipo diferente, esto es, un perfil distinto en cuanto a expresión génica y producción de proteínas respecto al de las células planctónicas. Estos cambios incluyen, por ejemplo, la capacidad de generar la matriz de EPS, o tener una menor tasa de crecimiento. Las células de las biopelículas, por tanto, tienen propiedades distintas a las de las células planctónicas.

La regulación de esta forma de vida depende del microorganismo y de la participación de redes de señalización celular complejas, en las que intervienen diversas proteínas que responden a diferentes señales ambientales. Entre estas señales se incluyen el oxígeno, la luz, el óxido nítrico, el pH, autoinductores, etc. Por ejemplo, la secreción y detección de las señales químicas conocidas como autoinductores sirve para inducir la expresión génica colectiva. Se trata de una forma de comunicación celular que regula la expresión génica en respuesta a la densidad de población celular, y se conoce como percepción de quorum o autoinducción (quorum sensing).

La estructura de la matriz contiene canales que permiten el flujo de agua, nutrientes, oxígeno y otras sustancias. Sin embargo, la difusión a las zonas más profundas es limitada, por lo que en la biopelícula se encuentran diversos ambientes en los que la concentración de nutrientes, el pH y la disponibilidad de oxígeno son diferentes. En el caso del oxígeno, existen zonas mal abastecidas en el centro de los biofilms donde proliferan microorganismos anaerobios. Es precisamente la difusión restringida uno de los fenómenos que proporciona a las células albergadas en el biofilm una protección extra frente a circunstancias adversas del entorno, como, por ejemplo, la exposición a sustancias antimicrobianas.

La resistencia a la desinfección de los biofilms y la resistencia a los desinfectantes de lás células son fenómenos claramente diferentes. La resistencia de los biofilms depende de atributos del propio biofilm, como la matriz de EPS, que puede limitar la penetración del antimicrobiano, y como la existencia de microambientes en los que los antimicrobianos pueden ser antagonizados. La resistencia de las células, por el contrario, depende de atributos intrínsecos de cada cepa bacteriana, como la concentración inhibitoria mínima del antibacteriano, que puede aumentar por mutación o por la adquisición de genes de resistencia por transferencia genética horizontal.

La ruta de transmisión más común que conduce a la contaminación cruzada en el entorno del procesado de alimentos es la transferencia de bacterias desde las superficies a los alimentos por contacto directo. Por tanto, son muy importantes los factores que afectan a la transferencia de las células de las biopelículas desde las superficies a los productos cárnicos, en todas las etapas de procesado, desde el despiece hasta el envasado, pasando por las diferentes etapas intermedias del procesado de la carne, como el deshuesado, el picado, etc.

Son muchos los factores relacionados con los microorganismos que afectan a la eficiencia de la transferencia de las células desde las biopelículas a los alimentos. Por ejemplo, las estructuras de la matriz/EPS, como fimbrias, flagelos, polisacárido capsular, lipopolisacárido, proteínas de membrana, etc., ayudan a la adhesión celular y afectan al grado de unión entre las bacterias y la superficie de contacto. Otras propiedades específicas de las biopelículas, como la densidad celular de la biopelícula, la estructura 3D y la coexistencia de otras especies bacterianas en la comunidad, también afectan a la eficiencia de la transferencia bacteriana.

Entre los factores relacionados con las superficies de contacto que afectan a la transferencia se encuentran el tipo de material de la superficie, la duración y la presión del contacto, el grado de hidratación de la superficie, la composición del alimento, etc. Numerosos estudios han investigado la mayor o menor transferencia desde las biopelículas a los alimentos de los principales patógenos, como Escherichia coli O157: H7 y Listeria monocytogenes, usando varios modelos para simular un contacto dinámico (efecto de cortes sucesivos por cuchillas contaminadas) o estático (efecto del tiempo) entre los productos alimentarios y las superficies de contacto colonizadas con biopelículas.

La densidad celular de la biopelícula es el factor que tiene mayor influencia en la eficiencia de la transferencia bacteriana. Los microorganismos con gran capacidad de formación de biopelículas pueden transferir un número significativamente mayor de células a los productos cárnicos y a otros alimentos. La mayor densidad celular de las biopelículas de Staphylococcus y Pseudomonas está relacionada con su mayor capacidad de producción de exopolisacáridos, que son necesarios en las etapas iniciales de formación del biofilm.

El tipo de material también va a influir, lógicamente, en la adhesión celular, y, por tanto, en la disgregación de la biopelícula y la transferencia de las células al alimento. La adhesión al acero inoxidable es más débil que la adhesión a diferentes tipos de plástico como el cloruro de polivinilo, por lo que la transferencia es mayor desde el acero inoxidable que desde el cloruro de polivinilo. A pesar de que el acero inoxidable suele presentar una elevada resistencia a la corrosión, no hay ningún material que no sufra el deterioro. Las células bacterianas se pueden incorporan a las estrías microscópicas producidas por la corrosión y comenzar el desarrollo de biopelículas resistentes a la desinfección.

En la industria cárnica tradicionalmente se consideraba que los patógenos presentes en la piel de los animales eran la principal fuente de contaminación de las canales durante el sacrificio y procesado. Sin embargo, cada vez existen más pruebas de que las biopelículas bacterianas de las propias instalaciones de la industria contribuyen, en mayor o menor medida, a la contaminación de los productos cárnicos. Esto se ha comprobado con los principales patógenos de la industria cárnica (Escherichia coli O157:H7, Salmonella enterica y Listeria monocytogenes). Existen numerosas publicaciones que permiten plantear el siguiente modelo de contaminación:

A pesar de los resultados publicados que lo avalan, se trata de un modelo, porque no hay pruebas definitivas sobre la implicación de la persistencia de las biopelículas en las plantas de procesado como causa directa de la contaminación de la carne. La comprobación de este modelo es difícil por la naturalez aleatoria y errática de la distribución de las biopelículas en las plantas de procesado.

La formación de biofilms en las instalaciones alimentarias suele dar lugar a problemas de tipo tecnológico o de tipo higiénico-sanitario, al igual que ocurre en muchas otras industrias y situaciones. Dado que las biopelículas son mucho más resistentes a los tratamientos físicos y químicos, incluída la limpieza y desinfección, que las células que fluyen libremente, las biopelículas que contienen patógenos siguen siendo un problema de seguridad grave para la industria alimentaria.

En la industria cárnica en particular, los biofilms suponen una preocupación especial porque muchos patógenos alimentarios pueden colonizar equipos y zonas de las plantas de procesado que son difíciles de limpiar y desinfectar. La prevención y control de la persistencia de los organismos patógenos asociada a la formación de biopelículas como fuente potencial de la contaminación precisa un conocimiento adecuado de la complejidad que representan los biofilms de múltiples especies, así como de los nichos ecológicos y reservorios ambientales que facilitan la resistencia a la desinfección, y de la transferencia de los microorganismos a los productos cárnicos desde las biopelículas. Los avances del conocimiento en estas áreas permitirán a la industria cárnica desarrollar nuevas estrategias e implementar las operaciones de limpieza y desinfección que sean más efectivas.

Este estudio ha sido financiado por el Proyecto RTI2018-098267-R-C31 del Ministerio de Ciencia e Innovación de España.

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