La asombrosa resistencia de las endosporas bacterianas a la cocción y otros factores extremos

La esporulación es un proceso complejo de defensa, reproducción y resistencia de algunos organismos, entre ellos las bacterias y, más específicamente, algunos tipos de bacilos. Las endosporas son estructuras resistentes y latentes que se forman dentro de la pared celular de ciertos tipos de bacterias, como las del género Bacillus. Estas cápsulas resistentes se forman en respuesta a condiciones adversas como la sequía o las altas temperaturas.

Las endosporas bacterianas son formas de perdurabilidad de ciertos grupos de bacterias frente al calor, la desecación, la radiación y las influencias químicas. Su función primaria es asegurar la supervivencia en tiempos de tensión ambiental. Son extraordinariamente resistentes a la radiación (ultravioleta, X y gamma), a la desecación, a la lisozima, al calor, a los desinfectantes químicos y a la trituración mecánica. En contraste con las esporas que muchos eucariontes producen para propósitos reproductivos, las bacterias solo producen endosporas en ambientes desfavorables.

Estructura y composición de las endosporas

Observadas con microscopía óptica, las endosporas muestran una gran refringencia. Esto se debe al elevado índice de refracción, resultante de las proteínas deshidratadas y concentradas en el pequeño espacio de la espora. Prácticamente toda la materia seca de la bacteria está en la espora, que posee un volumen igual a la décima parte de la bacteria que la originó.

La espora posee una cubierta fina conocida como exosporio, que cubre la capa de espora. La capa de la espora es impermeable a muchas moléculas tóxicas y puede también contener las enzimas implicadas en la germinación. La corteza se encuentra debajo de la capa de la espora y consiste en peptidoglicano. La pared de la base se encuentra debajo de la corteza y rodea al protoplasto o base de la endospora. Hasta el 15 % de la endóspora consiste en calcio en la base, que se piensa se utiliza para estabilizar el ADN. El ácido dipicolínico podría ser responsable de la resistencia acuática de la espora y el calcio puede ayudar a la resistencia a la sal y a los agentes oxidantes. Estas formaciones son impermeables a la mayoría de colorantes, lo que provoca que se observen como regiones no teñidas dentro de las células. Debido a esto surgió la técnica conocida como Tinción de Möller, que permite que se muestre la endospora en color rojo mientras que el resto de la célula permanece en color azul.

La resistencia a los efectos del calor se atribuye al bajo contenido de agua (aprox. 15%) y a la acumulación de una gran cantidad de iones Ca²⁺ y ácido dipicolínico, que reaccionan y forman dipicolinato cálcico, formando cristales. También se acumula una gran cantidad de pequeñas proteínas ácido solubles (SASP). La resistencia al efecto de los productos químicos debe atribuirse a la impermeabilidad que presenta en esos casos la cubierta de la espora.

Proceso de esporulación y germinación

Cuando una bacteria percibe condiciones ambientales desfavorables, comienza el proceso de esporulación, el cual llega a durar cerca de 10 horas. Se repliega el ADN y la membrana forma un tabique separando un cuarto de esta célula. La membrana plasmática de la célula rodea esta cápsula que se ha formado, dotándola así de una doble membrana alrededor del ADN, y la estructura se convierte ahora en lo que se conoce como preespora. Se forma el córtex en medio de las dos capas de membrana, formado por un tipo de peptidoglicano. A continuación se forma el exosporio alrededor del córtex y, por último, se forma la corteza por debajo del exosporio. La esporulación se habrá completado ahora, y la endospora es lanzada cuando se degrada el resto de la célula vegetativa.

El proceso por el cual las esporas pasan a formar células vegetativas se denomina germinación. Ocurre cuando se las coloca en el medio adecuado y se requiere en muchos casos la disponibilidad, entre otros, de glucosa, aminoácidos y nucleósidos. La reactivación de la endóspora ocurre cuando las condiciones son más favorables e implica la activación y germinación. Aunque una endóspora esté en condiciones favorables, no germinará hasta que ocurra la activación. La activación se acciona con calor. La germinación implica una reactivación del metabolismo que rompe la hibernación.

Resistencia a la cocción y altas temperaturas

La termorresistencia de las endósporas es una de sus principales características. Al exponerse a temperaturas más altas, como la del agua hirviendo, los enlaces internos de la enzima plegada de la bacteria se relajan para formar largas cadenas de moléculas. Estas cadenas se mueven libremente en el bajo contenido de agua de la región central de una endospora. Dado que la forma funcional de la enzima se ha relajado, la maquinaria celular se detiene y se produce el estado de latencia asociado a la endospora. Cuando la temperatura celular se vuelve más favorable, las cadenas proteicas se repliegan adoptando la estructura normal de la enzima.

Bertil Halle, científico principal de un estudio relevante, resume la relación entre la deshidratación parcial, el aumento de temperatura y la latencia en las endosporas bacterianas de Bacillus afirmando:

Hemos descubierto que el agua en la espora es casi tan fluida como en las bacterias comunes, mientras que las enzimas son en gran medida inmóviles. Por lo tanto, creemos que la resistencia al calor de las esporas y su capacidad para desactivar su maquinaria celular se deben a que ciertas enzimas críticas no funcionan con el bajo contenido de agua en el núcleo de la espora. Sin embargo, se necesita mucha más investigación para dilucidar los detalles del mecanismo.

La espora bacteriana, la forma de vida más resistente conocida, puede sobrevivir en un estado de latencia metabólica durante muchos años y soportar altas temperaturas, radiación y sustancias químicas tóxicas. Se desconoce la base molecular de la latencia y la resistencia de las esporas, pero se cree que el estado físico del agua en los diferentes compartimentos de esporas desempeña un papel clave. Por lo tanto, la latencia de las esporas no puede explicarse por una inhibición de la difusión molecular similar a la del vidrio, sino que podría estar relacionada con cambios conformacionales inducidos por la deshidratación en enzimas clave. Los datos demuestran que la mayoría de las proteínas de las esporas están inmovilizadas rotacionalmente, lo que puede contribuir a la resistencia al calor al impedir la agregación irreversible de proteínas desnaturalizadas por el calor. Los resultados cuantitativos aquí reportados sobre la movilidad y el transporte del agua proporcionan pistas importantes sobre el mecanismo de latencia y resistencia de las esporas, con relevancia para la conservación de alimentos, la prevención de enfermedades y la astrobiología.

Tipos de bacterias formadoras de endosporas y su relevancia

Son formadoras de esporas las bacterias bacilares Gram positivas, entre ellas, las pertenecientes al género Bacillus son aeróbicas y las del género Clostridium anaeróbicas. La posición de la endospora en la célula madre antes de ser liberada, así como su ubicación dentro de la célula, diferencia entre especies bacterianas y es útil en la identificación.

Los tipos principales de endosporas dentro de la célula son: terminales, subterminales y centralmente puestas. Las endosporas terminales se encuentran en los polos de la célula, las endosporas centralmente puestas están normalmente en el centro. Los ejemplos de bacterias con endosporas terminales incluyen Clostridium tetani, el patógeno que causa el tétanos. Ejemplos de bacterias con endosporas centrales incluyen Bacillus cereus, mientras que Bacillus subtilis presenta endosporas subterminales.

De forma siniestra, las endosporas de Bacillus anthracis fueron utilizadas en los ataques con ántrax del 2001. El polvo encontrado en las cartas estaba contaminado con endosporas del carbunco.

Endosporas en la industria alimentaria y de la salud

En las industrias alimentaria y sanitaria, las bacterias Clostridia spp. representan microorganismos patógenos importantes. Su presencia en estos entornos puede generar grandes problemas, por lo que es necesario erradicarlas. En la industria de productos farmacéuticos, es más importante realizar pruebas con las Bacillus spp., ya que son más resistentes que las Clostridia.

Es recomendable emplear un desinfectante esporicida para acabar con las endosporas bacterianas de la Bacillus spp. Aunque son más resistentes que las células vegetativas, las esporas fúngicas aguantan menos que las endosporas bacterianas. Existe una gran variedad de bactericidas de amplio espectro capaces de acabar con las esporas fúngicas sin problema.

Un error cometido a menudo en la industria es que se hace un uso más reactivo que preventivo de los esporicidas, es decir, solo se usan cuando se detectan las bacterias que forman esporas, y no durante los procesos de desinfección regulares. Una de las principales razones para hacer esto es el riesgo que supone tanto para la salud y la seguridad de las personas como para las infraestructuras el uso de productos químicos tan agresivos. No obstante, este enfoque reactivo frente a la recuperación de las bacterias que forman las esporas permite que se desarrollen en zonas críticas, lo cual incrementa el riesgo de que acaben entrando en su producto.

Hidratación y esterilización de granos: un desafío para las endosporas

Casi cualquier grano de cereal contiene endosporas en su núcleo, por lo que será necesario esterilizarlo una vez hidratado para acabar con estos microorganismos. Esterilizar, en la práctica, acaba con casi la totalidad de estas endosporas, aunque algunas siempre sobreviven (en un número tan reducido que no habrá que preocuparse por ellas a corto plazo).

Hay dos métodos principales para hidratar convenientemente un sustrato:

1. Mantenerlo en remojo durante varias horas (o días).
2. Cocerlo a una temperatura determinada durante unos minutos.

El primer método es más lento pero mucho más sencillo, ya que no hace falta energía para llevarlo a cabo y los granos se hidratarán hasta casi su punto óptimo, absorbiendo una correcta cantidad de agua. Por lo general, este primer método puede utilizarse por sí solo con casi todos los granos pequeños y blandos (mijo, alpiste, césped…).

Mientras más dura sea la cáscara o corteza (salvado) del grano, más le costará al micelio llegar hasta su núcleo (donde residen los nutrientes más importantes). Por lo tanto, hará falta un tratamiento más eficaz (hidratación/cocción) para ablandar dicha cáscara y permitir que el micelio la traspase, lo que aumentará el tiempo total de colonización del grano.

Granos comúnmente utilizados y su tratamiento

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