Sesión V - Actividad 2 - Unidad 2

MARCO TEORICO

Usos de la bioluminiscencia
para el control de higiene en la industria

• Antecedentes del tema

En la naturaleza encontramos muchas respuestas a las necesidades diarias de nuestra vida. Cada paso que damos como humanidad parece ser una gran paso pero en realidad es solamente un paso grande para nosotros, como seres humanos, pero dentro del universo aún no hemos comprendido ni siquiera una décima parte de los fenómenos que nos rodean.

Una parte en la cual hemos mejorado como seres humanos, y que nuestros descubrimientos científicos han contribuido, es nuestra esperanza de vida. La ciencia ha sido capaz de combatir, de cierta forma, enfermedades, carencias y mejorado el entorno que le rodea, pero también, y gracias a que los procesos tecnológicos en la industria ahora son muy eficientes y automatizados, hemos logrado avances significativos en el cuidado de la salud.

La salud es y ha sido un tema prioritario desde hace milenios para el ser humano, sin ella, la calidad de vida se ve afectada en todos los aspectos y uno de ellos, que es muy preocupante en la actualidad, es la actividad laboral. Económicamente hablando, si una persona deja de laborar se vería afectada no solo por su capacidad adquisitiva sino también en su bienestar y sobre todo en su alimentación y la de sus dependientes. Es por esto y por razones de supervivencia que en las industrias hoy en día los procesos con los que se producen ciertos productos a veces deben ser elaborados bajo cuidadosas y estrictas normas de higiene.

En México, afortunadamente, contamos con diversas normas para la producción de productos que hacen que su calidad sea equiparable a cualquier producto internacional pero por ahora nos enfocaremos a aquellos productos que requieren de una higiene total en el producto terminado como aquellos de las industrias de la alimentación, de la medicina, de productos propedeúticos, y todos aquellos que requieren de un ambiente cuasi-estéril.

Una de las ramas industriales donde se cuida mucha la higiene con la que se elaboran los productos es la de la alimentación. Uno de los factores que repercute directamente en la calidad y seguridad de los alimentos es el ambiente en el que son producidos.

Es muy importante que los alimentos no presenten riesgos para la salud de los consumidores, es decir, deben estar en auscencia de microorganismos dañinos, patógenos, y cumplir con las características de calidad más exigentes.

Muchas plantas que producen alimentos propician directamente condiciones ideales para la proliferación de microorganismos y muchos de ellos dañinos para la salud, es vital garantizar la eficiencia de los sistemas de higiene que se encuentran dentro de las industrias alimentarias, ya que dentro de las causas más comunes de contaminación microbiológica es debido a procesos inadecuados de limpieza y sanitización. Cuando el objetivo de estos procesos es disminuir al máximo los riesgos asociados a la seguridad y calidad del producto, resulta reprobable no poder asegurar su limpieza y salubridad. Debido a las crisis alimentarias acaecidas durante finales del siglo XX y comienzos del actual, se produjo un incremento de la concienciación de los consumidores respecto a la seguridad de los alimentos.
Otra rama de la industria muy importante donde se debe cuidar la calidad del producto es la del consumo de agua potable. En México es imposible tomar agua de los servicios de suministro de agua que se proveen a la población o comúnmente conocida como agua de la llave. Es por esta razón que desde hace décadas la industria de agua embotellada en México ha sido un éxito debido a que es el único medio por el cual se puede beber agua sin preocupaciones de enfermar o contraer alguna bacteria.
Existe una rama más de la industria en donde se debe cuidar con mucha más severidad que estas anteriores y esta es la de la medicina y servicios hospitalarios. En estos ramos la historia es diferente debido a que no se puede permitir ni una mínima existencia de microorganismos en los instrumentos o procedimientos de tipo medicinal/hospitalario.
Finalmente, como introducción al tema, debemos mencionar que para cumplir con los límites micro biológicos establecidos en estas ramas de la industria es importante que los procesos que forman parte de la higiene: Limpieza y desinfección, se realicen estrictamente bien. Las acciones inadecuadas en alguno de estos procesos de higiene darán como consecuencia inmediata tener niveles microbiológicos dañinos elevados en las instalaciones o el medio ambiente y a su vez la posibilidad de que se produzcan contaminaciones cruzadas a los productos elaborados. Debemos mencionar que existen métodos para conocer conocer la presencia de microorganismos en superficies mediante placas de contacto; aunque es una técnica que nos puede dar resultados fiables también deben revisarse todas las posibilidades con tal de reducir costos y que los resultados microbiológicos sean correctos. Además de realizar una desinfección de las superficies, es importante que estas se hayan limpiado perfectamente, y que no queden restos orgánicos que puedan interferir la acción biocida si se usan desinfectantes.
La verificación de los procesos de limpieza en las industrias son aspectso que usualmente se acostumbra a realizarse mediante inspecciones visuales en las instalaciones y se establecen escalas valorativa, en función de los restos orgánicos e inorgánicos(que queden fuera del control de la planta). Sin embargo, esta valoración no está exenta de subjetividad, y en muchos casos los resultados pueden variar en función de la persona que realice la inspección, pero en el peor de los casos la vista humana no es capaz de detectar organismos microbiológicos.

Para evitar este problema, y objetivar las inspecciones de la limpieza, se puede utilizar un método, que es el tema de discusión de este documento, llamado bioluminiscencia.

A continuación procedamos con la teoria.

• Bases teóricas

¿Qué es la bioluminiscencia y como se encuentra en la naturaleza ?

Se conoce como bioluminiscencia a la producción de luz de ciertos organismos vivos. La palabra proviene del griego βίος (bíos) que significa "vida" y del latín lumen que significa "luz".

Bioquímicamente es el proceso a través del cual, los organismos vivos producen luz resultado de una reacción bioquímica en la que comúnmente interviene una enzima llamada luciferasa. La reacción sucede de la siguiente manera: el oxígeno oxida el sustrato (una proteína llamada luciferina); la luciferasa acelera la reacción, y el ATP(Adenosin trifosfato) proporciona la energía para la reacción, produciéndose agua y luz, la cual es muy notoria durante la noche. Se trata de una conversión directa de la energía química en energía lumínica. Es un fenómeno muy extendido en todos los niveles biológicos: bacterias, hongos, protistas unicelulares, celentéreos, gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos, insectos, equinodermos, peces, medusas. Más de 76% de los animales marinos están conocidos por el hecho que emiten luz.

Tipos de bioluminiscencia

Puede hablarse de tres tipos principales de bioluminiscencia: la intracelular, la extracelular y la de bacterias simbióticas.

Bioluminiscencia intracelular

La bioluminiscencia intracelular es generada por células especializadas del propio cuerpo de algunas especies pluricelulares o unicelulares (como dinoflagelados) y cuya luz se emite al exterior a través de la piel o se intensifica mediante lentes y materiales reflectantes como los cristales de urato de las luciérnagas o las placas de guanina de ciertos peces. Este tipo de luminiscencia es propia de muchas especies de calamar y de dinoflagelados, en especial del género Protoperidinium.

Bioluminiscencia extracelular

La bioluminiscencia extracelular se da a partir de la reacción entre la luciferina y la luciferasa fuera del organismo. Una vez sintetizados, ambos componentes se almacenan en glándulas diferentes en la piel o bajo esta. La expulsión y consecuente mezcla de ambos reactivos en el exterior producen nubes luminosas. Este tipo de luminiscencia es común a bastantes crustáceos y algunos cefalópodos abisales.

Simbiosis con bacterias luminiscentes

Este fenómeno se conoce solo en animales marinos tales como los celentéreos, gusanos, moluscos, equinodermos y peces. Parece ser el fenómeno de luminiscencia de origen biológico más extendido en el reino animal. En diversos lugares del cuerpo los animales disponen de pequeñas vejigas, comúnmente llamadas fotóforos, donde guardan bacterias luminiscentes. Algunas especies producen luz continua cuya intensidad puede ser neutralizada o modulada mediante diversas estructuras especializadas. Normalmente los órganos luminosos están conectados al sistema nervioso, lo que permite al animal controlar la emisión lumínica a voluntad.
La relación entre la bacteria Vibrio fischeri y el calamar sepiólide Euprymna scolopes es un sistema que sirve como modelo de simbiosis en el laboratorio. En su fase juvenil, el Euprymna scolopes posee una serie de apéndices recubiertos de mucosidad alrededor de su órgano luminoso con los que recoge bacterias Vibrio fischeri del entorno marino. Cuando la cantidad es suficiente, los apéndices mueren al tiempo que el órgano luminoso madura en un proceso fisiológico que se ha asociado con la aparición de la citotoxina traqueal.
El fenómeno de la bioluminiscencia lo podemos observar en organismos como en luciérnagas, en algunos hongos y bacterias, pero principalmente, en especies marinas. Existen peces que usan la luz emitida para atraer a la hembra o a su presa, iluminándola para facilitar el ataque, o como mecanismo de defensa para confundir al depredador y escapa

¿De que manera la bioluminiscencia puede ayudar a identificar enfermedades, bacterias y entes microscópicos o invisibles a la vista?

El empleo de técnicas para el análisis de la calidad e higiene de los productos o elementos a examinar puede ser muy diverso.

En siglo XV Robert Boyle descubrió que los hongos bioluminiscentes dejaban de producir luz cuando eran introducidos en un recipiente sin oxígeno, el motivo de este fenómeno no se conoció con detalle hasta las últimas décadas. Los hongos observados por Boyle empleaban el mecanismo de iluminación extracelular a través de la molécula luciferina, activada con la enzima luciferasa. Para que tenga lugar la reacción, la luciferina necesita oxígeno, lo que explica el proceso bioluminiscente
Un ejemplo del uso de la bioluminiscencia y que ha sido cada vez más adoptada como herramienta para la verificación de higiene es en el procesamiento de alimentos. Esta prueba está basada en la detección de materia orgánica-ATP (adenosín trifosfato), que estará presente en todas las células vivas. Asimismo, supera en tiempos a los métodos microbiológicos tradicionales.

¿Cuál son algunos de los procesos de identificación de contaminantes o elementos indeseables en los productos industriales utilizando bioluminiscencia?

Dada la información que anteriormente hemos expuesto es hora de dar a conocer uno de los mejores ejemplos del uso de la bioluminiscencia para la identificación de contaminantes y este se encuentra en una de las normas mexicanas que emplea la bioluminiscencia para el cuidado del agua la cual es la norma NMX-AA-112-SCFI-2017, la cual en resumidas palabras especifica lo siguiente:
Desde hace más de 20 años las bacterias bioluminiscentes se han empleado en el desarrollo de bioensayos para la detección de compuestos tóxicos en el ambiente y en la actualidad su aplicación ha cobrado gran interés por ser una herramienta útil para la evaluación de fuentes potencialmente contaminantes y dañinas al ambiente (Sáenz et al, 2010).
1.Objetivo y campo de aplicación
La presente Norma Mexicana establece el método para la evaluación de toxicidad aguda, utilizando a la bacteria bioluminiscente marina Vibrio fischeri (NRRL B-11177).Este método es aplicable en la evaluación de toxicidad aguda en agua dulce, salina, residual industrial y municipal, de proceso, residual tratada, intersticial, efluentes agrícolas, lixiviados, elutriados, extractos de sedimentos y soluciones de compuestos puros combinadoso particulados

2. Principio

La prueba se basa en la medición dela luminiscencia emitida por la bacteria Vibrio fischeri, la cual se reduce cuando la bacteria se expone, por un periodo de 5min a 30 min, a muestras que contienen compuestos tóxicos. La luminiscencia tiende a disminuir en relación con la carga tóxica de la muestra problema. Este decaimiento sucede como resultado de la afectación a los procesos metabólicos asociados con la respiración bacteriana.

Esto es en cuanto a agua se refiere.

Ahora, también como ya habíamos mencionado anteriormente, hay técnicas de uso de ATP para la detección de microorganismos en las industrias alimentarias, y de aquellas que requieren que el equipo se encuentre totalmente higiénico para la producción o ejecución de servicios como hospitalarios o ambientes estériles. El ATP es el compuesto que almacena la energía en todas las células vivas. Está presente en los alimentos tanto como ATP de origen orgánico, como parte de las carnes, pescado, vegetales, etc., o como ATP de procedencia microbiana.
Todas las células vivas (animales, plantas, bacterias, levadura y moho) contienen ATP. Se basa en la reacción luminiscente ATP de la luciérnaga. La luciérnaga tiene dos compuestos químicos, Luciferina y Luciferasa, que reaccionan con el ATP del insecto para producir luz de bioluminiscenica. El ATP recogido de una superficie reacciona con los compuestos Luciferina / Luciferasa presentes en el hisopo de muestra para crear luz de bioluminiscencia.
La cantidad de luz de bioluminiscencia se mide con el luminómetro y se expresa en unidades de luz relativa (RLU). Los números RLU son directamente proporcionales a la cantidad de ATP y, por lo tanto, a la cantidad de residuos orgánicos / alimentarios o biomasa microbiana en la superficie muestreada.

La reacción bioluminiscente catalizada por la luciferasa utiliza la energía química contenida en la molécula de ATP para producir la descarboxilización oxidativa de la luciferina a oxiluciferina, dando como resultado la producción de luz. La cantidad de luz emitida es proporcional a los niveles de microorganismos y/o materia orgánica presente en la muestra que se pretende evaluar. La luz emitida es posteriormente cuantificada usando un equipo denominado luminómetro, que expresa el resultado medido en unidades relativas de luz

Con esta técnica se muestrea una parte de la instalación con un hisopo y se determina por bioluminiscencia su contenido en ATP (Adenosin trifosfato).

La cantidad de ATP recuperado en el hisopo depende de la contaminación microbiana y de la presencia de residuos orgánicos. Estos valores varían según el tipo de materia (superficie), el tipo de proceso, el tipo de células predominantes, el grado de procesamiento de la materia prima, etc. Por lo tanto, resulta importante establecer los umbrales de aceptación de acuerdo con cada caso en particular.

La medida del ATP permite, pues, indicar en tiempo real si la limpieza de las superficies se ha realizado correctamente, y además pueden corregirse situaciones incorrectas antes de la siguiente jornada de trabajo.

Algunas consideraciones que deben tomarse en cuenta durante la realización de estas pruebas son las condiciones óptimas de desempeño, que incluyen: temperatura 18-22°C y pH 7-7.5. Una inhibición en la reacción o señales de luz más bajas pueden producirse a diferentes concentraciones de detergentes ácidos o alcalinos, colorantes y cloro, por lo tanto resulta fundamental cumplir con las condiciones de desempeño adecuadas para evitar afectar los resultados de las pruebas.

Las pruebas son objetivas, fáciles de usar y proveen resultados claros de aceptación o rechazo, sin requerir de personal especializado o de un laboratorio.
Las pruebas de bioluminiscencia no han sido desarrolladas para remplazar las pruebas de microbiología tradicional, son una herramienta complementaria que permite hacer eficientes los procesos de limpieza y sanitización durante la producción de alimentos, garantizando un monitoreo efectivo cuando se han implementado sistemas de calidad. Estas herramientas han sido adoptadas por la mayoría de las empresas líderes en la producción de alimentos, por lo que es importante contar con información adecuada sobre los parámetros más importantes que deben tomarse en cuenta durante la selección de equipos que serán utilizados para monitorear uno de los aspectos clave en el control de calidad y seguridad de la industria de alimentos.

Sin embargo, como se ha indicado, para poder trabajar con esta técnica, es importante, al igual que se ha realizado con las técnicas de análisis microbiológico de de superficies, establecer criterios objetivos (límites críticos o especificaciones) que indiquen qué niveles pueden considerarse correctos. Por ellos se realizó una experiencia encaminada a establecer límites críticos o especificaciones que permitan afirmar, mediante la técnica de bioluminiscencia, cuando se han realizado correctamente las operaciones de Limpieza.

¿Cuáles son otros usos de la bioluminiscencia ATP en las industrias?

El ensayo de bioluminiscencia ATP también se usa para:

• Detectar la carga microbiana en la leche cruda (ufc / ml).
  
• Para evaluar la calidad microbiológica de carne de res y de cerdo (ufc / g).
  
• Para el control de la actividad microbiológica en el aire interior de las industrias (ufc / ml).
  
• Para monitorear las condiciones sanitarias en entornos clínicos.
  
• Para el control de levadura y bacterias en bebidas, jugos de fruta, cerveza, etc.
  
• Para monitorear la limpieza(bio-carga) de naves espaciales de la NASA (para limitar la transferencia de microbios terrestres a otros cuerpos planetarios) y detectar vida (células vivas) en otros planetas.
  
• Para monitorear la calidad del agua
  
• Y para verificar la limpieza de equipos(si el equipo está lo suficientemente limpio para la producción).