Bacillus cereus MHI 86 and Bacillus thuringiensis 5-29 both produce the antilisterial bacteriocin thuricin S – analysis of antimicrobial spectrum, stability, and producer strain suitability, including cytotoxicity evaluation

La seguridad alimentaria depende de un delicado equilibrio entre mantener a raya las bacterias nocivas y asegurar que los métodos utilizados para detenerlas no introduzcan nuevos peligros. Durante décadas, los científicos han buscado soluciones en la naturaleza, centrándose en un grupo de sustancias llamadas bacteriocinas. Estas son pequeñas proteínas producidas por ciertas bacterias para luchar contra sus competidores. Piense en ellas como un sistema de defensa natural, donde un microbio produce un arma diseñada específicamente para incapacitar a otro. Si bien muchas de estas sustancias son bien conocidas, las producidas por la familia de bacterias Bacillus son particularmente interesantes porque estos microbios se encuentran en todas partes, desde el suelo hasta la comida que ingerimos. Sin embargo, utilizarlas como herramienta requiere más que solo encontrar una bacteria que mate gérmenes malos; los investigadores también deben demostrar que la productora en sí es segura y que el arma que fabrica es lo suficientemente fuerte como para sobrevivir a las duras condiciones del procesamiento de alimentos, como el calor y los cambios en la acidez.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron examinar dos cepas específicas de bacterias, una de la familia Bacillus cereus y otra de la familia estrechamente relacionada Bacillus thuringiensis. Ambas fueron aisladas originalmente de muestras de alimentos y se sospechaba que producían una sustancia poderosa conocida como thuricina S. Esta sustancia es famosa por su capacidad para atacar a Listeria monocytogenes, un patógeno peligroso que puede sobrevivir en alimentos refrigerados y causar enfermedades graves. El equipo quería saber si estas dos bacterias diferentes estaban esencialmente haciendo lo mismo, cómo fabricaban este arma y si era lo suficientemente segura para su uso en el mundo real. No se limitaron a observar si las bacterias mataban otros gérmenes; profundizaron en el código genético para ver cómo se escribía el manual de instrucciones para fabricar la sustancia, midieron el tamaño exacto de la proteína y probaron qué tan bien resistía al calor, al ácido y a las enzimas digestivas.

La investigación comenzó cultivando las dos cepas bacterianas en un líquido rico en nutrientes y observándolas a lo largo del tiempo. Los investigadores descubrieron que ambas bacterias comenzaban a producir su sustancia antibacteriana al entrar en una fase de crecimiento rápido, volviéndose la actividad claramente detectable después de ocho horas. Una cepa, Bacillus cereus MHI 86, mostró una actividad ligeramente más fuerte que la otra, Bacillus thuringiensis 5–29, pero ambas fueron efectivas. Cuando los científicos midieron cuánta sustancia era necesaria para detener el crecimiento de Listeria, encontraron que cantidades muy pequeñas eran suficientes. La cepa de B. cereus requirió aproximadamente 5,73 microgramos por mililitro para detener al patógeno, mientras que la cepa de B. thuringiensis necesitó unos 10,77 microgramos por mililitro. Para poner esto en perspectiva, un antibiótico estándar utilizado como comparación fue efectivo a una concentración de solo 0,20 microgramos por mililitro, lo que demuestra que, si bien la bacteriocina es poderosa, no es tan potente como algunos fármacos tradicionales, aunque ofrece una alternativa natural.

Para entender cómo estas bacterias construían su arma, los investigadores examinaron sus planos genéticos. Descubrieron que ambas cepas portaban un conjunto específico de genes responsables de fabricar la thuricina S. Estos genes estaban dispuestos en un patrón repetitivo, con tres copias de la secuencia de instrucciones alineadas una tras otra. Este arreglo es similar a lo observado en otras bacterias relacionadas, lo que sugiere una estrategia evolutiva común para producir estas sustancias. El equipo también comprobó cuándo se activaban estos genes. Encontraron que las bacterias producían consistentemente las instrucciones genéticas para la bacteriocina a partir de las ocho horas de crecimiento, lo cual coincidía con el momento en que la actividad antibacteriana fue observada por primera vez. Esto confirmó que las bacterias estaban fabricando activamente la sustancia durante su fase de crecimiento, en lugar de simplemente almacenarla.

A continuación, los científicos necesitaban confirmar exactamente cómo era la sustancia y cuánto pesaba. Purificaron la sustancia del líquido donde crecían las bacterias y la sometieron a una serie de pruebas. Una prueba, que separa las proteínas por tamaño, mostró una banda distinta en aproximadamente 3,1 kilodaltons, una unidad utilizada para medir la masa de las moléculas. Para obtener una medición más precisa, utilizaron una máquina de alta tecnología que pesa moléculas individuales. Este análisis reveló que la sustancia activa principal tenía una masa de 3137,6 daltons. Este peso específico coincidió con el perfil conocido de la thuricina S, confirmando que ambas bacterias estaban produciendo, de hecho, el mismo tipo de arma. También encontraron una segunda versión, ligeramente más pequeña, de la sustancia, que podría ser una variante o una forma ligeramente alterada, pero el ingrediente activo principal quedó claramente identificado.

La verdadera prueba para cualquier conservante alimentario es si puede sobrevivir a las condiciones que enfrentará en el mundo real. Los investigadores sometieron la sustancia purificada a diversas tensiones. Descubrieron que permanecía totalmente activa en entornos ácidos y neutros, funcionando bien en niveles de pH tan bajos como 3 y tan altos como 7. Esto es crucial porque muchos alimentos, como las carnes fermentadas y los quesos, son ácidos. También probaron su resistencia al calor. La sustancia retuvo más del 89 por ciento de su poder de eliminación incluso después de ser calentada a 80 grados Celsius, y aún mantuvo el 87 por ciento de su actividad tras hervirse a 100 grados Celsius. Sin embargo, si la temperatura se elevaba a los niveles extremos utilizados en la esterilización, alrededor de 121 grados Celsius, la actividad disminuía significativamente. Esto sugiere que, si bien la sustancia es resistente, no es indestructible y podría ser mejor utilizarla en alimentos que no sean sometidos a las temperaturas de esterilización más altas.

Los investigadores también comprobaron cómo reaccionaba la sustancia a las enzimas, que son las proteínas en nuestros cuerpos y en los alimentos que descomponen otras proteínas. Cuando trataron la sustancia con enzimas como la tripsina y la quimotripsina, que son comunes en la digestión, esta permaneció mayormente activa. Sin embargo, cuando utilizaron una enzima muy fuerte llamada proteinasa K, la sustancia fue completamente destruida. Este resultado confirmó que el arma es, de hecho, una proteína, ya que fue descompuesta por la enzima diseñada para comer proteínas, pero fue lo suficientemente robusta como para resistir las enzimas más leves que podría encontrar en los alimentos o en el intestino humano.

Quizás la parte más crítica del estudio fue asegurar que las bacterias que producen esta arma fueran seguras de usar. Bacillus cereus es una especie que a veces puede causar intoxicación alimentaria, por lo que los investigadores tuvieron que estar seguros de que estas cepas específicas no producían toxinas dañinas. Probaron las bacterias para la producción de la enterotoxina no hemolítica, una toxina asociada con la diarrea, y encontraron que ninguna de las dos cepas producía cantidades detectables de ella, incluso bajo condiciones que usualmente fomentan la producción de toxinas. Además, probaron la seguridad del líquido bacteriano en células intestinales humanas cultivadas en laboratorio; el líquido de ambas cepas no causó daño a las células, mientras que el líquido de una cepa conocida por ser tóxica causó un daño significativo. Este perfil de seguridad es esencial, ya que significa que las bacterias pueden usarse para proteger los alimentos sin introducir nuevos riesgos para la salud.

El estudio concluye que tanto Bacillus cereus MHI 86 como Bacillus thuringiensis 5–29 son excelentes candidatos para producir thuricina S. Generan una sustancia potente, estable y segura que puede atacar eficazmente a Listeria y otras bacterias dañinas. Debido a que la sustancia puede resistir el calor y la acidez, promete ser útil para preservar alimentos, particularmente aquellos que son pasteurizados pero que podrían contaminarse posteriormente durante el procesamiento. La investigación proporciona una imagen clara de cómo estas bacterias fabrican su arma, cómo funciona el arma y por qué es segura, ofreciendo una nueva herramienta potencial para mantener nuestro suministro de alimentos más seguro sin depender únicamente de los conservantes químicos tradicionales.