Control de microbios y patógenos útiles

Los probióticos suprimen la percepción del quórum bacteriano

El exceso de materia orgánica en los sistemas de cultivo proporciona excelentes condiciones de crecimiento para patógenos oportunistas. Las bacterias beneficiosas mineralizan la materia orgánica y, por lo tanto, ayudan a reducir el riesgo de enfermedades.

Los patógenos bacterianos son un problema importante en la acuicultura comercial. La mayoría de los patógenos importantes para la acuicultura son oportunistas y forman parte de la microflora normal en la superficie del animal, en sus intestinos, en el agua y en el suelo. Mientras las condiciones del agua, la salud animal y la microflora sean estables, la probabilidad de que patógenos oportunistas causen enfermedades es baja.

Cuando las condiciones cambian, la calidad del agua se deteriora y la salud animal se daña. Los oportunistas están aprovechando su oportunidad, propagándose rápidamente y causando enfermedades infecciosas. Por lo tanto, mantener un ambiente estable y la calidad del agua es fundamental para controlar los niveles de patógenos oportunistas.

La técnica de control adecuada es un requisito previo. Además, se implementan medidas como la vacunación y los antibióticos, pero también tienen deficiencias. Las vacunas no están disponibles para todas las especies y enfermedades. Son muy específicos para diversas enfermedades, principalmente de naturaleza viral, y no son efectivos en camarones. La eficacia de las vacunas depende de muchas variables, como el estado inmunológico y el tamaño del animal, la formulación, la vía de administración y el régimen. Además, la vacunación es cara, laboriosa y estresante para los animales.

En el pasado, los antibióticos se usaban a menudo tanto para promover el crecimiento como para prevenir enfermedades. Sin embargo, el uso incontrolado de antibióticos provocó un aumento de los fenotipos de resistencia entre los patógenos bacterianos. La presión selectiva constante desencadenó no solo los obstáculos, sino también la transferencia de estos obstáculos al medio ambiente. En consecuencia, el uso de antibióticos como medida preventiva es controvertido.

Hoy en día, se encuentran disponibles varios productos alternativos para mejorar la salud animal, la calidad del agua y controlar la carga de patógenos. El uso de bacterias beneficiosas o probióticos es una forma de mantener condiciones estables y evitar que los patógenos oportunistas ganen poder.

Gestión de la calidad del agua

Los animales acuáticos de granja descargan heces, orina y alimentos no comestibles en el agua de cultivo. La acumulación de esta materia orgánica aumenta el nivel de compuestos tóxicos y luego la calidad del agua se deteriora. Por tanto, es necesario eliminar el exceso de materia orgánica y compuestos tóxicos. Las bacterias pueden ayudar en este proceso. El uso de plantas o microorganismos, como bacterias, para eliminar residuos se denomina biorremediación.

El exceso de materia orgánica crea excelentes condiciones de crecimiento para patógenos oportunistas y crea la base para enfermedades infecciosas. Las bacterias útiles, como las especies de Bacillus, mineralizan la materia orgánica y, por lo tanto, ayudan a reducir la carga.

Los compuestos de nitrógeno, como los iones de nitrito, nitrato y amonio, provienen de la descomposición de desechos y excrementos de animales. Cuando estos compuestos superan cierto nivel, son tóxicos. Los iones de amonio interfieren con los procesos neuronales y la exposición prolongada a niveles elevados de nitrito causa asfixia lenta, especialmente cuando el oxígeno es limitado. Aunque no hay problemas a bajas concentraciones, la exposición prolongada al nitrato puede causar pérdida de peso y hacer que los animales sean susceptibles a enfermedades infecciosas.

Para evitar tales complicaciones, se introducen bacterias beneficiosas en los sistemas de cultivo. Estas especies realizan la nitrificación y / o desnitrificación (Figuras 1 y 2) y así reducen los niveles de amonio, nitratos y nitritos en el agua. La nitrificación bacteriana es la oxidación de amonio a nitrato a través de hidroxilamina y nitrito. La desnitrificación es la reducción del nitrato a óxido nitroso y finalmente a gas nitrógeno que regresa a la atmósfera. El nitrito es un intermedio en ambos procesos. Una mezcla de bacterias capaces de nitrificación y / o desnitrificación es útil para la eliminación eficaz de los tres compuestos.

Figura 1: Nitrificación y desnitrificación bacteriana. Figura 2: Biorremediación in vitro de un compuesto de nitrógeno. En el laboratorio, las células se cultivaron durante dos días sin oxígeno y sin oxígeno en presencia de altos niveles de amonio, nitrato o nitrito.

Los compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno son otro problema. El sulfuro de hidrógeno se forma por la descomposición anaeróbica de materia orgánica en el fondo de los estanques. El sulfuro de hidrógeno interfiere con la respiración aeróbica y, por lo tanto, provoca asfixia en los animales. El lodo negro formado por la reacción de sulfuro de hidrógeno y hierro para formar sulfuro de hierro indica la presencia de sulfuro de hidrógeno.

Varias especies bacterianas utilizan el sulfuro de hidrógeno. De particular interés son las familias Thiobacillus y Paracoccus. Por ejemplo, las especies de thiobacillus eliminan simultáneamente el nitrato y el sulfuro de hidrógeno en un proceso llamado desnitrificación sulfoxidizante y convierten los compuestos en sulfato y nitrógeno gaseosos no tóxicos.

Bacterias útiles frente a patógenos

El antagonismo de patógenos es una característica importante de las bacterias probióticas. En general, el antagonismo se logra mediante la exclusión competitiva, que involucra una serie de mecanismos: la producción de antimicrobianos como las bacteriocinas, la producción de ácidos orgánicos que bajan el pH del tracto gastrointestinal de los animales y previenen la multiplicación de patógenos, la competencia por la adhesión. sitios y competencia por los nutrientes.

Recientemente, ha surgido un nuevo enfoque para el antagonismo de patógenos: la interrupción del mecanismo de sentido de quórum de la comunicación intercelular bacteriana.

Charla bacteriana La percepción del quórum (QS) describe la regulación de la expresión génica de acuerdo con la densidad de población. QS está mediado por pequeñas moléculas de señal producidas continuamente. A medida que crecen las poblaciones bacterianas, se acumulan moléculas de señalización y se inducen cambios en la expresión génica cuando se alcanza el umbral.

Este mecanismo permite que las poblaciones bacterianas coordinen actividades grupales como la formación de biopelículas, la virulencia y la producción de antimicrobianos y exoenzimas. Estos procesos ejercen presión sobre las células y solo deben iniciarse cuando la tasa de éxito sea lo suficientemente alta. En términos de virulencia, la publicación eficaz y oportuna de los factores de virulencia asegura el éxito de la infección.

Los científicos han identificado y aislado una variedad de moléculas de señalización. Las moléculas de señalización más comunes son lactonas de homoserina aciladas (AHL) para bacterias gramnegativas y péptidos pequeños para bacterias grampositivas. Las modificaciones como las fluctuaciones en la longitud de la cadena lateral de carbono de las AHL proporcionan especificidad de especie. Independientemente de la clasificación de gram, numerosas especies responden, detectan o producen la molécula de señalización universal AI-2.

Familias como Vibrios utilizan moléculas de señalización que son específicas de un grupo de bacterias asociadas. Todas estas moléculas proporcionan información sobre el medio ambiente, la composición de las especies, la presencia de competidores de nutrientes y el estado metabólico de la comunidad.

El sistema de señalización básico de AHL consiste en una sintasa para la producción de AHL y un factor de transcripción asociado para la detección de AHL (Figura 3). Tras la unión de AHL, el detector activa / desactiva los genes diana. En Vibrio se descubrieron sistemas multicanal más complejos. Aquí, varias señales son detectadas por receptores de membrana afines y la cascada reguladora activa / desactiva los genes diana. Cada señal tiene un canal específico y la información de cada canal se convierte en la misma cascada de señalización.

Figura 3: Mecanismo básico de detección de quórum en bacterias gramnegativas. Los propósitos para eliminar un quórum están marcados en negro.

Eliminación de quórum

Cuando se sabotea la comunicación, las actividades grupales no se pueden coordinar y las funciones reguladas por QS no funcionan correctamente. En el mejor de los casos, eliminar el quórum hace que las bacterias sean menos virulentas y más vulnerables.

Varias etapas de los sistemas QS son objetivos para la eliminación del quórum (Figura 3). Cuando se suprime la síntesis de moléculas de señalización, las células están tranquilas y no pueden hablar. Cuando el objetivo es la detección de señales, afecta la estabilidad del receptor o moléculas estructuralmente similares bloquean el acceso al sitio de unión del receptor pero no activan el receptor. Las moléculas de señal pueden destruirse por degradación enzimática y, por lo tanto, los mensajes nunca llegan a las células receptoras.

La naturaleza ya ha desarrollado varios inhibidores producidos por plantas, bacterias y algas. Por ejemplo, el ajo contiene compuestos que bloquean los flujos de información y las macroalgas rojas Delisea pulchra producen furanonas halogenadas que imitan las moléculas de señalización e impiden el acceso al receptor.

Las bacterias han desarrollado mecanismos para matar y reducir los AHL. Varias especies de Bacillus producen enzimas que hidrolizan el anillo de lactona AHL. Otras especies, como Ralstonia o Variovorax, producen enzimas que se dirigen a los enlaces amida de los AHL. Las bacterias útiles que no solo se dirigen al crecimiento de patógenos, sino que también contienen estas enzimas, pueden controlar los patógenos de dos formas. El crecimiento se inhibe directamente por la producción de antimicrobianos. También se sabotea la comunicación para controlar el patógeno.

Sistemas de templado

Durante las últimas décadas, los investigadores han desarrollado una serie de cepas indicadoras que expresan propiedades como la producción de luz, fluorescencia o producción de pigmentos en presencia de moléculas de señalización QS. Estas cepas indicadoras se utilizan tanto para la detección como para la investigación de eliminación de quórum. Debido a que las bacterias beneficiosas producen antimicrobianos, es importante determinar cuidadosamente si el efecto de supresión del quórum está realmente relacionado con la falta de comunicación o se debe a la inhibición del crecimiento (Figura 4).

Figura 4: Ejemplo de eliminación de un quórum. De forma predeterminada, la inhibición del crecimiento conduce a una menor actividad relacionada con QS (producción de luz).

(Nota del editor: este artículo se publicó originalmente en la edición de marzo / abril de 2014 de Global Aquaculture Lawyer).

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