http://dx.doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v15n2.34979

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

Actividad antimicrobiana de Weissella confusa y sus metabolitos frente a Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae

Antimicrobial activity of Weisella confusa and its metabolites against Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae

Liliana Serna Cock¹, Cruz Elena Enríquez Valencia²

¹ Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira. Facultad de Ingeniería y Administración.
² Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira. Facultad de Ciencias Agropecuarias.

Recibido: noviembre 15 de 2012. Aprobado: noviembre 7 de 2013

Resumen

Con el fin evaluar el campo de aplicación potencial de una bacteria ácido láctica y de sus metabolitos, se realizó la cinética de la actividad antimicrobiana de W. confusa y de sus metabolitos contra E. coli, y K. pneumoniae, dos patógenos causantes de enfermedades transmitidas por alimentos. La producción de W. confusa se realizó por fermentación discontinua en sustrato comercial MRS. Se realizaron tres fermentaciones durante 6 horas, sin aireación, agitación continúa 33°C y 100 rpm. Cada hora de fermentación se separaron tres sustancias biológicas, W. confusa con sus metabolitos (W+W10b), células de W. confusa libres de metabolitos (W) y metabolito (W10b) y se midió la actividad antimicrobiana contra los patógenos E. coli, y K. pneumoniae. Se encontraron diferencias estadísticas significativas entre tratamientos y tiempo de fermentación. Para E. coli el tratamiento W presentó la mayor actividad antimicrobiana, la cual se obtuvo entre la cuarta y sexta hora de fermentación (2.45 cm de diámetro promedio de inhibición). Para K. pneumoniae, los tratamientos W y W+W10b presentaron actividad antimicrobiana entre la cuarta y quinta hora de fermentación, sin diferencia significativa entre ellos. W. confusa y el metabolito W10b demostraron poseer capacidad antimicrobiana contra E. coli y K. pneumoniae, lo cual sugiere que W. confusa y W10b podrían utilizarse como alternativa de bioconservación o bioprotección de alimentos frescos y procesados, para alimentación humana y animal; y podría convertirse en una alternativa al uso de antibióticos para enfermedades causadas por E. coli y K. pneumoniae.

Palabras clave: bioconservación, alimentos, enfermedades, aplicaciones biotecnológicas.

Summary

The kinetic of antimicrobial activity of Weissella confusa and their metabolites against E. coli, and K. pneumoniae, (two pathogens causing foodborne illness) was evaluated, in order to know the possible use in food processing. W. confusa was produced by batch fermentation using MRS commercial substrate. Three fermentations, of 6 hours at 33 °C, without aeration, stirring continuously (100 rpm) were performed. Every hour of fermentation, three biological substances, W. confusa with their metabolites (W + W10b), W. confusa free cells metabolites (W), and metabolite (W10b) were separated, and subsequently the antimicrobial activity against pathogenic E. coli and K. pneumoniae was measured. Statistically significant differences between treatments and fermentation time were found. Treatment (W) against E. coli, showed the greatest antimicrobial activity, it was obtained between the fourth and sixth hours of fermentation (2.45 cm diameter average inhibition). In treatments W and W + W10b against K. pneumoniae, statistically significant differences between them were not found. The antimicrobial activity was shown between the fourth and fifth hour of fermentation. W. confusa and W10b have antimicrobial activity against E. coli and K. pneumoniae, suggesting that W and W10b could be used as an alternative to biopreservation or bioprotection of fresh and processed food for human and animal consumption, and could become an alternative to antibiotics used for diseases caused by E. coli and K. pneumoniae.

Key words: bioconservation, food, diseases, biotechnology applications.

Introducción

Durante las dos últimas décadas, cepas mutantes resistentes a antibióticos que producen β-lactamasas de amplio espectro, han surgido entre las Enterobacteriáceas, principalmente, E. coli y K. pneumoniae (Wong-Beringer et al., 2002). Tanto E. coli como K. pneumoniae son patógenos que están presentes en alimentos (Yoder et al. 2006; Shahid et al., 2009; Calbo et al., 2011). Cepas patógenas de E. coli pueden causar diferentes enfermedades las cuales se transmiten fácilmente a través de los alimentos, siendo la gastroenteritis la enfermedad más común (Acuña et al., 2012); sin embargo, puede producir otros síndromes como el síndrome urémico hemolítico (Gould et al., 2009). Por su parte, K. pneumoniae, es un importante patógeno nocosomial que usualmente causa infecciones del tracto urinario, neumonia (Podschun y Ullman, 1998), diarrea con sangre (Guerin et al., 1998) y abscesos purulentos (Casella et al., 2009). En general, la magnitud de los problemas microbiológicos en la seguridad alimentaria han sido claramente reflejados y el surgimiento de patógenos que no había sido asociados a infecciones alimentarias es una preocupación importante (Gálvez et al., 2007).

De otro lado, las bacterias ácido lácticas (BAL) están siendo ampliamente investigadas como agentes biológicos naturales para ser utilizadas en diferentes campos de aplicación. Las bacterias acido lácticas son capaces de inhibir el crecimiento de varios microorganismos y poseen propiedades antimicrobianas con respecto a la conservación y seguridad de alimentos. (De Vuyst & Leroy, 2007). A partir del potencial antimicrobiano de las bacterias (BAL) y de sus productos metabólicos, se está desarrollando el método de bioconservación, como una alternativa para responder a la demanda de alimentos inocuos, frescos o mínimamente procesados, sin preservantes y con mayor vida útil (Acuña et al., 2012).

Existen reportes científicos de la producción de bacteriocinas por el género Weissella, su capacidad antimicrobiana y sus posibles aplicaciones biotecnológicas industriales. (Chavasirikunton et al., 2006; Ayeni et al., 2011) W. confusa es una bacteria ácido láctica Gram positiva, catalasa negativa, no esporulada, la cual ha sido aislada de una gran variedad de nichos naturales (Björkroth et al., 2002) como vegetales frescos, alimentos fermentados, productos cárnicos (Diez et al., 2009) y rumen bovino (Serna et al., 2010). El género Weissella, al igual que otros géneros de BAL, poseen actividad antimicrobiana por la producción de compuestos que actúan como bacteriocinas las cuales no han sido aún identificados (Matamoros et al., 2009). Lee, (2005), encontró que una especie de W. Kimchi PL 9023, aislada del tracto vaginal de mujeres, presentó actividad antagónica contra patógenos vaginales Candida albicans, Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Streptococcus agalactiae con la producción de sustancias similares a bacteriocinas. Pal y Ramana (2009), encontraron la producción de compuestos antimicrobianos no asociados a bacteriocinas secretadas por W. paramesenteroides DFR- 8 aislada a partir de material vegetal, los cuales, tenían amplio espectro de acción sobre patógenos transmitidos por alimentos. Espeche et al., (2009), lograron aislar compuestos antimicrobianos producidos por especies de W. paramesenteroides a partir de muestras de leche de bovinos sanos, con efecto antimicrobiano contra S. agalactiae ATCC 27957 y E. coli. Serna et al., (2010), reportaron actividad antimicrobiana de una cepa de W. confusa aislada de líquido ruminal bovino contra cepas de S. aureus y S. agalactiae principales patógenos causales de mastitis bovina. Recientemente, Ayeni et al., (2011), propusieron a W. confusa U17 aislada a partir de queso como candidata para futuros estudios que soporten su uso como probiótico y Lee et al., (2012), demostraron que W. confusa 31 y W. confusa 20 aisladas de heces de humanos son cepas totalmente calificadas como probióticos y merecen mayores estudios de aplicación.

De acuerdo a lo anterior, con el fin evaluar el campo de aplicación potencial de W. confusa y de sus metabolitos, se planteó este trabajo, donde el objetivo fue determinar la cinética de la actividad antimicrobiana de W. confusa y sus metabolitos contra E. coli, y K. pneumoniae.

Materiales y métodos

Microorganismos y condiciones de cultivo iniciales

Se utilizó una cepa de W. confusa crioconservada en glicerol (-20°C) a concentración de 10⁹ UFC.mL^-1, la cual, fue obtenida a partir de un grupo de bacterias ácido-lácticas aisladas de líquido ruminal de hembras bovinas raza Hartón del Valle, en investigaciones de (Serna Cock et al., 2011).

Para la reactivación de la cepa, se tomó y se inoculó 10 % (v/v) de la cepa de W. confusa crioconservada en 5 mL de caldo MRS (Scharlau Microbiology, España) suplementado con 40 % (p/v) de glucosa (Merck, Alemania) y se incubó a 33°C por 24 horas.

Se utilizó una cepa de E. coli ATCC^® 25922, a concentración de 10⁸ UFC.mL^-1 y una cepa de K. pneumoniae, (Bacilo Gram negativo, en agar Mac-Conkey, crecimiento característico de colonias grandes convexas, moradas rojizas, borde ondulado, y mucoides, no móviles. Lactosa positivo, Indol negativo, Lisina positivo); (concentración de 10⁷ UFC mL^-1) aislada de un paciente con diagnóstico de neumonía. La cepa fue donada por el laboratorio clínico de Imbanaco, Cali Colombia.

Condiciones de fermentación y producción de W. confusa y sus metabolitos

El crecimiento de W. confusa se realizó en caldo comercial MRS puro, el cual provee las exigencias nutricionales de la bacteria (De Man et al., 1960). Se realizaron tres fermentaciones en discontinuo por 6 horas. Cada fermentación se realizó en erlenmeyer de 1000 mL, (800 mL de volumen efectivo) sin aireación, en agitación continua con agitador orbital (model 5000I, VWR, USA) fijado en 33°C y 100 rpm. Se utilizó inoculo inicial de W. confusa del 10% con respecto al volumen de sustrato de fermentación. La fermentación se ajustó a pH 6.0 utilizando NaOH 4M.

Separación de W. confusa, W. confusa + metabolitos y metabolitos W10b

Durante el proceso de fermentación, cada hora se tomaron 45 mL del fermentado y se obtuvieron 3 tipos de sustancias biológicas, células de W. confusa con sus metabolitos (W+W10b), células de W. confusa libres de metabolitos (W) y metabolitos (W10b). W+W10b se obtuvo directamente del fermentado. W y W10b se obtuvieron por centrifugación del fermentado durante 30 minutos a 2860g (modelo 5804R Eppendorf CITI, Germany). Transcurrido el tiempo se separaron el precipitado y el sobrenadante. El precipitado, correspondiente a células de W. confusa, se sometió a lavado, se adicionó 1 mL de NaCl al 0,9%, se agitó suavemente, se centrifugó por 5 min a 2860 g y se desechó el sobrenadante. Este proceso se realizó por duplicado. De esta forma se obtuvo la sustancia W. El sobrenadante se adicionó en un tubo estéril de 50 mL y se centrifugó nuevamente por 30 min a 2860 g (Eppendorf Centrifuge-5804R, Germany); posteriormente, una vez finalizado el tiempo de centrifugación, el precipitado se desechó y el sobrenadante se filtró utilizando membranas filtro de 0.45 μm (diámetro 30 mm, polipropileno TITAN2), obteniendo de esta manera la sustancia W10b.

El mismo procedimiento se realizó a las horas 0, 1, 2, 3, 4, 5 y 6 horas de fermentación. A cada una de las sustancias biológicas, en cada uno de los tiempos, se les determinó actividad antimicrobiana.

Evaluación de la cinética antimicrobiana de Weissella confusa y sus metabolitos contra E. coli y Klebsiella pneumoniae

Se determinó la actividad antimicrobiana de W. confusa contra cepas comerciales de E. coli ATCC^® 25922 y K. pneumoniae. La actividad antimicrobiana se midió de acuerdo a la metodología de Serna et al. (2011). Para el crecimiento de E. coli y K. pneumoniae, se utilizaron placas de agar Eosin-azul de Metileno (Scharlau Microbiology, España) de 5 mm de espesor. A estas placas se les realizaron orificios utilizando un sacabocado estéril de 17 mm de diámetro. Cada caja se sembró por separado con 100µl de cultivos de E. coli y K. pneumoniae a concentraciones de 10⁸ y 10⁷ UFCmL^-1, respectivamente. Posteriormente, en forma aséptica, se tomaron círculos de agar MRS estéril de 5 mm de espesor y de 17 mm de diámetro, los cuales se inocularon por separado, con 0.06 mL de W+W10b y con 0.06 mL de W (a concentraciones que dependían del tiempo de fermentación). Los círculos de agar inoculados se depositaron en los orificios realizados en las cajas con agar Eosin-azul de Metileno las cuales contenían el patógeno. Para el caso de W10b, en las placas sembradas con el patógeno, se inocularon dentro del orificio 0.10 mL de ésta sustancia. Finalmente, todas las cajas se incubaron a 33 °C por 48 horas. Transcurrido el tiempo de incubación, se midieron los halos de inhibición de crecimiento contra los patógenos, utilizando regla milimétrica. Las pruebas de inhibición se realizaron por triplicado en cada uno de los tiempos de fermentación.

Análisis estadístico

Para evaluar las cinéticas de actividad antimicrobiana de W. confusa y de sus metabolitos contra E. coli y K. pneumoniae, se utilizó un diseño con arreglo factorial de 3*6, con dos factores: Factor sustancia biológica antimicrobiana, con tres niveles: W, W+W10b y W10b y factor tiempo de fermentación con 6 niveles: hora 1, 2, 3, 4, 5 y 6. Los resultados se analizaron a través del programa estadístico SAS versión 9.13. La comparación entre promedios se llevó a cabo a través de la prueba Tukey con una probabilidad de p<0.05.

Resultados

En la figura 1, se muestran las curvas de las cinéticas de capacidad antimicrobiana de W. confusa y sus metabolitos frente a E. coli. Según los resultados estadísticos se encontraron diferencias significativas (p<0.05) entre los tratamientos, y el efecto combinado entre los tratamientos y el tiempo de evaluación.

El mayor diámetro de inhibición contra E. coli correspondió al tratamiento W con promedio de 2.45 cm y valor máximo de 3.0 cm a la cuarta hora de fermentación.

El menor diámetro de inhibición correspondió al tratamiento W10b, con promedio de 1.66 cm. Para el caso de tiempo de fermentación, la máxima actividad antimicrobiana en los tres tratamientos W, W+M y W10b se presentó entre la cuarta y sexta hora de fermentación. Resultados similares fueron encontrados para cepas Gram positivas en previos estudios de Serna et al., (2010), quienes reportan actividad antimicrobiana de W. confusa contra S. aureus y S. agalactiae con diámetros de inhibición de 2.4 y 3.0 cm a la cuarta hora de fermentación, respectivamente.

En la figura 2, se muestran las curvas de las cinéticas de capacidad antimicrobiana de W. confusa y sus metabolitos frente a K. pneumoniae. Diferencias estadísticas significativas (p<0,05) entre los tratamientos, y el efecto combinado entre los tratamientos y el tiempo de evaluación Los mayores diámetros de inhibición contra K. pneumoniae correspondieron a los tratamientos W y W+W10b sin diferencia significativa entre ellos.

La mayor actividad antimicrobiana de W y W+W10b contra K. pneumoniae se obtuvo entre la cuarta (2.63 y 2.43 cm) y quinta (2.6 y 2.63 cm) hora de fermentación, respectivamente.

En las figuras 1 y 2 se observa la curva semi logarítmica del crecimiento de W. confusa y la actividad antimicrobiana (diámetros de inhibición) de cada uno de los tratamientos. Para ambos casos se observa que la acción antimicrobiana de la bacteria, está asociada a su crecimiento.

Figura 1

Figura 2

Discusión

En la literatura se han reportado un conjunto de investigaciones que demuestran el interés en el uso de BAL para el control de enfermedades transmitidas por alimentos que son provocadas por patógenos gram positivos, sin embargo son pocos los trabajos que describen actividad antimicrobiana de BAL y sus bacteriocinas contra bacterias Gram negativas (Zamfir et al., 1995; Kim et al., 2003; De Kwaadsteniet et al., 2005, Sakaridis et al., 2012). La capacidad de inhibición contra bacterias patógenas varía de acuerdo al tipo de cepa de BAL evaluado. En éste trabajo se demostró que W. confusa y el metabolito W10b ejercen efecto antimicrobiano contra E. coli y K. pneumoniae. Estos resultados son acordes a los encontrados por Trias et al. (2008), quienes encontraron que dos cepas de Weissella spp aisladas de acelga y tomates, inhibe principalmente bacterias Gram negativas y en menor grado la bacteria Gram positiva S. aureus. Sin embargo, en estudios adelantados con W10b, se ha encontrado que ésta sustancia es capaz de inhibir a S. aureus bajo un amplio rango de pHs (rango entre 4,5 - 9,0) a temperaturas de 27 y 40 °C (Serna - Cock et al., 2012; Serna et al., 2010), información, que permite sugerir que tanto W. confusa como W10b podría ser utilizado como una alternativa de bioconservación de alimentos con destino humano o animal, y podrían contribuir a la prevención de enfermedades trasmitidas por alimentos tanto en patógenos Gram positivos como patógenos Gram negativos.

La actividad antimicrobiana de BAL puede ser debida a la producción de sustancias antimicrobianas, como ácido láctico, peróxido de hidrógeno, diacetilo y bacteriocinas. (Mallesha et al., 2010). La fermentación de azúcares, seguido de una disminución en el pH debido a la producción de ácidos orgánicos como el acido láctico, es un factor importante para la inhibición del crecimiento de microorganismos patógenos, debido a que el pH bajo produce que los ácidos orgánicos se vuelvan liposolubles, lo que les permite atravesar la membrana celular y alcanzar el citoplasma. (Parada et al., 2010).Las BAL tienen un espectro de acción muy amplio y pueden inhibir tanto bacterias Gram-positivas como Gram-negativas (Phumkhachorn et al., 2010); la actividad antimicrobiana de BAL contra bacterias Gram positivas se debe a la acción principalmente de bacteriocinas, mientras que la actividad antimicrobiana contra bacterias Gram negativas se debe principalmente a la acción de ácidos orgánicos. Sin embargo, en algunas investigaciones, autores no evidenciaron actividad antagónica de bacteriocinas de BAL contra patógenos Gram negativos (Savadogo et al., 2004; Maragkoudakis et al., 2009; Askari et al., 2012). Autores como Saidi et al., (2011), indican que no obtuvieron acción antimicrobiana contra patógenos Gram negativos cuando utilizaron una cepa de L. plantarum y según Mallesha et al. (2010), la composición química de la pared celular de los organismos Gram negativos es un factor de protección para los compuestos antimicrobianos. Por su parte, Parada et al. (2007) indican que las bacteriocinas son frecuentemente no efectivas contra bacterias Gram-negativas, ya que la membrana externa de esta clase de bacterias actúa como una barrera de permeabilidad para la célula. Sin embargo, el efecto antagónico de BAL contra bacterias Gram negativas, obedece a la acción de ácidos orgánicos y compuestos como el peróxido de hidrogeno. (Kazemipoor et al., 2012).

Los resultados presentados en esta investigación son novedosos ya que hasta la fecha no se había reportado actividad antimicrobiana de una bacteria ácido láctica contra K. pneumoniae; así mismo, la actividad antimicrobiana encontrada contra los dos patógenos Gram negativos podría atribuirse a la producción de compuestos antimicrobianos tipo bacteriocinas y no a la acción de ácidos orgánicos, dado que los sustratos fueron permanentemente neutralizados. En investigaciones recientes de Askari et al., (2012), donde evaluaron la actividad antimicrobiana contra patógenos Gram negativos y patógenos Gram positivos de un grupo de bacterias ácido lácticas aisladas de frutas secas, no se encontró actividad antimicrobiana contra K. pneumoniae.

El género Weissella, frecuentemente ha sido aislado de diferentes alimentos fermentados (Lee et al., 2005; Scheirlinck et al., 2007; Thapa et al., 2006) y específicamente la especie confusa está presente en vegetales y leches fermentadas (Björkroth et al., 2002). Varios miembros del género Weissella provenientes de una variedad de productos fermentados han sido consumidos por los humanos (Bjorkroth et al., 2002) por lo tanto, de acuerdo con los resultados de éste trabajo, el potencial de W. confusa y W10b como un método de bioconservación y prevención de enfermedades adquiridas a través de alimentos demuestra interés y relevancia para futuras investigaciones en su forma de utilización y aplicabilidad en los alimentos.

En este trabajo, no se utilizó un agente permeabilizador de membrana para medir la actividad antimicrobiana de la bacteria ácido láctica contra los patógenos Gram negativos, por lo cual los resultados de esta investigación son de gran relevancia. BAL se catalogan como generalmente seguros (GRAS), y tienen un papel importante en la conservación de los alimentos y los productos fermentados. La producción de un número de sustancias antimicrobianas, tales como ácido láctico, peróxido de hidrógeno, diacetilo y bacteriocinas, además de la competencia por los nutrientes esenciales, la acumulación de D-amino-ácidos y la disminución del potencial oxirreductor también contribuyen a su efecto bioprotector. (Parada et al., 2007). Estos resultados permiten demostrar y proponer a Weissella confusa como una alternativa de biopreservación de alimentos, por lo cual, merece mayores esfuerzos de investigación para ser utilizada en inocuidad y seguridad alimentaria, especialmente en la prevención de enfermedades transmitidas por alimentos.

Conclusión

W. confusa y el metabolito W10b demostraron poseer capacidad antimicrobiana contra E. coli y K. pneumoniae lo que permite sugerir que las dos sustancias biológicas podrían ser investigadas en aplicaciones como alternativa de bioconservación o bioprotección de alimentos frescos y procesados, para alimentación humana y animal; y podría convertirse en una alternativa al uso de antibióticos para enfermedades causadas por E. coli y K. pneumoniae.

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