Fermentos lácticos y Bioconservación

La trayectoria del grupo DairySafe (Fermentos Lácticos y Bioconservación) está unida al IPLA-CSIC desde su inauguración (1990), siendo la Dra. Ana Rodríguez González la coordinadora del mismo desde entonces.

La bioconservación es la línea de investigación principal desarrollada por el grupo en los últimos 20 años, con especial énfasis en el desarrollo de estrategias de conservación de alimentos basadas en antimicrobianos naturales que aumenten la seguridad de los mismos. Los antimicrobianos objeto estudio incluyen bacteriocinas producidas por las bacterias del ácido láctico, y bacteriófagos que infectan patógenos de alimentos, así como enzimas líticos de síntesis fágica. Entre los objetivos abordados cabe señalar el modo de acción de estos antimicrobianos, las consecuencias de su aplicación y los posibles mecanismos de resistencia en las bacterias diana.

A lo largo de este período hemos aislado y caracterizado bacterias lácticas productoras de bacteriocinas (nisina Z, lacticina 481, coagulina A y lactococina 972). Las cepas productoras de nisina Z actúan eficazmente como cultivos protectores en la elaboración de quesos, mientras que la lactococina 972, que inhibe la síntesis de la pared celular en lactococos mediante la interacción con el lípido II (intermediario de la síntesis de peptidoglicano) e induce el sistema de dos componentes CesSR que controla la respuesta inmediata al estrés de la pared celular en Lactococcus lactis, está siendo utilizada en la evolución adaptativa de lactococos para obtener cepas de más robustas y con aptitudes tecnológicas mejoradas relevantes para la industria alimentaria. La coagulina A, por otra parte, posee una gran actividad frente a Listeria monocytogenes.

Los bacteriófagos, enemigos naturales de las bacterias, son una prometedora alternativa al uso de compuestos químicos como biconservantes y desinfectantes en la industria alimentaria. La especificidad de los bacteriófagos, activos frente a una especie bacteriana e incluso frente a algunas cepas, implica su total inocuidad para los seres humanos, animales y medioambiente. En este contexto, nuestro grupo ha sido pionero en el uso de mezclas de fagos frente a Staphylococcus aureus en leche, cuajada y queso, en el uso combinado de fagos y bacteriocinas en leche para inhibir S. aureus, y de la detección de actividad en leche de una endolisina fágica recombinante. Cabe señalar que S. aureus es responsable de un amplio rango de infecciones en humanos y animales, incluyendo toxiinfecciones alimentarias causadas por el consumo de alimentos contaminados por enterotoxinas. Asimismo, los fagos y las proteínas líticas de síntesis fágica son también efectivos contra cepas de S. aureus de origen humano y animal, incluso resistentes a antibióticos, y también frente a cepas de Staphylococcus epidermidis. La eficacia de los mismos es independiente de que las cepas sean o no productoras de biofilm. De hecho, nuestro grupo ha caracterizado varias proteínas de origen fágico que tienen actividad lítica frente a cepas productoras de biofilm, así como una proteína con actividad polisacárido despolimerasa que degrada la matriz extracelular de los biofilms. Cabe señalar además que el grupo ha caracterizado las respuestas fenotípica y transcripcional de biofilms expuestos a bajas dosis de bacteriófagos y proteínas líticas, a fin de optimizar las dosis de los mismos en sus diferentes aplicaciones.

Nuestros resultados ponen claramente de manifiesto el gran potencial de los bacteriófagos y sus proteínas líticas como antimicrobianos y desinfectantes alternativos a los actualmente en uso, para hacer frente a las infecciones y contaminaciones por S. aureus y S. epidermidis, con aplicación en clínica y veterinaria, sin olvidar la industria alimentaria.

Recientemente, hemos validado un método basado en impedancia para monitorizar la capacidad de formación de biofilm por diferentes bacterias patógenas (Real Time Cell Analyser, RCTA). Este método es rápido y fiable, y puede ser usado fácilmente, entre otras aplicaciones, para analizar cepas formadoras de biofilms, así como para la búsqueda de compuestos antimicrobianos que inhiban la formación de este tipo de estructuras o que eliminen aquellas ya preformadas.

Prioridades actuales y futuras

Basándonos en el conocimiento adquirido por el grupo DairySafe sobre nuevos antimicrobianos, nuestro principal objetivo es la utilización de los mismos en la eliminación de patógenos de interés hospitalario. En este contexto, y debido a la necesidad urgente de alternativas a los antibióticos, es nuestro propósito seguir avanzando en el conocimiento de los mecanismos que favorecen la acción de nuevos antimicrobianos frente a bacterias resistentes a antibióticos, y también frente a las formadoras de biofilms, dado que estas estructuras ejercen un efecto protector, dificultando su eliminación. En este contexto, pretendemos desarrollar antimicrobianos eficaces frente a este tipo de bacterias, así como sistemas de detección de las mismas que permitan el diagnóstico temprano de la infección.

Seguridad alimentaria

El grupo tiene una larga trayectoria en el desarrollo de estrategias de conservación de los alimentos basadas en antimicrobianos naturales (bioconservación) que aumenten la calidad higiénico-sanitaria de los mismos, reduciendo así la incidencia de brotes alimentarios. Entre dichos antimicrobianos se ha puesto especial énfasis en las bacteriocinas producidas por las bacterias lácticas (BAL) y en los bacteriófagos que infectan patógenos de alimentos, así como en los enzimas líticos de síntesis fágica (endolisinas).

Antimicrobianos naturales: regulación genética y función

Las bacteriocinas son péptidos con actividad antibacteriana producidas por bacterias. Tomando como modelo la bacteria láctica Lactococcus lactis y la bacteriocina Lcn972, que inhibe la síntesis de pared celular, estudiamos las rutas de detección y señalización implicadas, así como los mecanismos de resistencia que se activan tras una exposición continuada (evolución adaptativa) a esta bacteriocina. La caracterización fenotípica, genómica y transcripcional de mutantes resistentes a Lcn972 nos permite evaluar las posibles resistencias cruzadas con otros antimicrobianos y generar el conocimiento necesario para mejorar las perspectivas biotecnológicas de L. lactis, tanto como cultivo iniciador en la industria alimentaria como factoría celular para la producción de enzimas con aplicación en clínica y en alimentación.

Por otro lado, estudiamos otras bacteriocinas con un amplio espectro de inhibición como la nisina. Hemos aislado cepas de L. lactis productoras de nisina, y desarrollado también cultivos iniciadores/protectores, que han sido utilizados con éxito para inhibir bacterias patógenas y alterantes en quesos. También estudiamos las interacciones de estas bacteriocinas con otros antimicrobianos naturales (fagos y endolisinas) para potenciar su actividad inhibitoria.

Terapia fágica y biocontrol

Los bacteriófagos y sus endolisinas son una prometedora alternativa al uso de biocidas, incluyendo conservantes y desinfectantes (industria alimentaria) y antibióticos (clínica).

Los bacteriófagos inhiben específicamente a bacterias y, por lo tanto, son completamente inocuos para otros seres vivos y para el medioambiente. En este contexto, nuestro grupo ha sido pionero en el uso de fagos y endolisinas frente a Staphylococcus aureus, con objeto de combatir tanto toxiinfecciones alimentarias como infecciones causadas por dicha bacteria. Nuestros fagos y algunas proteínas de síntesis fágica (endolisinas y peptidoglicano hidrolasas asociadas al virión) son también efectivos contra cepas de estafilococos de origen humano y animal, incluyendo Staphylococcus epidermidis, e incluso frente a cepas resistentes a antibióticos, sean o no productoras de biofilm.

Los resultados obtenidos por nuestro grupo apoyan claramente el gran potencial de los productos basados en fagos para futuras aplicaciones en clínica, veterinaria y en la industria alimentaria.

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Libros

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Lorena Rodríguez-Rubio, David M. Donovan, Beatriz Martínez, Ana Rodríguez and Pilar García (2019). Peptidoglycan hydrolytic activity of bacteriophage lytic proteins in zymogram analysis (pp. 107-115) (Martha R. J. Clokie, Andrew Kropinski & Rob Lavigne, Eds, In: Bacteriophages: Methods and Protocols, Volume IV, Methods in Molecular Biology 1898, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8940-9 Human Press (Springer Science + Business Media, LLC, part of Springer Nature). ISBN: 986-1-4939-8839-3 (Clave: CL)

Benavides-Piccione Ruth; Medina F. Javier; Roldán Eduardo R. S.; Von Kobbe Cayetano; Rodríguez Lorenzo Luis M.; Cubo-Mateo Nieves; Revilla Temiño Pedro; Martínez Fernández Beatriz; Sentandreu Miguel Angel; González-Pastor José Eduardo; González Grau Juan Miguel; Herranz Raúl. (2021). Volume 12: Our future? Space colonization and exploration . Challenge 4: Sustaining human life in space, pp. 98-121. Doi: 10.20350/digitalCSIC/12659. Topic Coordinators; Luisa Mª Lara López y Gildas Léger. Libro Blanco CSIC SCIENTIFIC CHALLENGES: TOWARDS 2030. Challenges coordinated by Jesús Marco de Lucas & M. Victoria Moreno-Arribas. ISBN: 978-84-00-10748-2. (Clave: CL)

Francisco Javier Moreno Andújar, Pilar García Suárez, Lourdes Ramos Rivero, Belén Gómara Moreno, Ana Allende Prieto, Marta López Cabo, Marta Fernández García, Esteban Abad Holgado, Deni Vélez Pacios, Wenceslao Moreda Martino (IG, CSIC). Volume 6: Sustainable Primary Production Chapter 7: Food Safety, pp. 150-172 Coordinators: Gloria Sánchez Moragas and Mónica Carrera Mouriño. Topic Coordinators: Enrique Olmos Aranda (CEBAS-CSIC) and Mónica Venegas Calerón (IG-CSIC). Chapter 7: Food Safety, pp. 150-172. Libro Blanco CSIC SCIENTIFIC CHALLENGES: TOWARDS 2030. Challenges coordinated by Jesús Marco de Lucas & M. Victoria Moreno-Arribas. 2021). ISBN: 978-84-00-10748-2. (Clave: CL)

Lucía Fernández, Diana Gutiérrez, Ana Rodríguez y Pilar García. 2020. Los bacteriófagos. Los virus que combaten infecciones. pp. 1-93. Colección ¿Qué sabemos de? Editorial CSIC-Los Libros de Catarata. ISBN CSIC 978-84-00-10628-7; ISBN Catarata 978-84-9097-987-7 (Clave: L)

• pTLR1-Lcn972 plasmid in Lactococcus lactis. Licencia de Material Biológico.

Inventores: Ana Belén Campelo, Ana Rodríguez, Beatriz Martínez, Paloma López, Teresa Requena
Nº de solicitud: 80/2018. (20/11/2018)
Licencia a Solmeglas SL España
País: Spain
Institución: CSIC

• Enhanced staphylolytic activity of the Staphylococcus aureus bacteriophage vB_SauS-phiIPLA88 HydH5 virion associated peptidoglycan hydrolase: fusions, deletions and synergy with LysH5

Inventores: David M. Donovan, Lorena Rodríguez-Rubio, Beatriz Martínez, Ana Rodríguez, Pilar García.
Nº de Solicitud: US13298966
Patent Assignment: 501810442 (6 Febrero de 2012)
País de Prioridad: EEUU
Entidad Titular: CSIC-USDA
Fecha de Prioridad: 11/17/2011
U.S. Patent No. 8,986,695, which issued 03/24/2015

• Chimeric protein with high antimicrobial activity

Inventores: Diana Gutiérrez, Beatriz Martínez, Pilar García, Ana Rodríguez, Lorena Rodríguez-Rubio, Rob Lavigne
Nº de solicitud: PCT/EP2018/082715 (27 November 2018)
Referencia: EP1641.1323
País: Spain
Institución: CSIC

• El retorno de los virus devoradores de bacterias
  Reportaje sobre terapia fágica publicado en El País (30/5/2019)
• Superbacterias: el difícil reto de la medicina
  Entrevista sobre superbacterias emitida por RNE (4/4/2022)