Enterococci and its enterocins as an alternative to antibiotics in poultry affected by necrotic enteritis
- Autores: Sara García Vela
- Directores de la Tesis: Carmen Torres Manrique (dir. tes.), Ismail Fliss (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de La Rioja ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Número de páginas: 187
- Títulos paralelos:
- Enterococos y sus enterocinas como alternativa a los antibióticos en aves de corral afectadas por enteritis necrótica
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernanda Ruiz Larrea (presid.), Antonio Gálvez del Postigo Ruiz (secret.), Julie Jean (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dialnet
- Resumen
- español
Los antibióticos se han utilizado ampliamente en terapéutica, profilaxis y como promotores del crecimiento en producción aviar. Dada la necesidad urgente de prevenir la propagación de bacterias multirresistentes, muchos gobiernos han prohibido su uso como promotores del crecimiento en producción animal, y urgen en la necesidad de reducir de forma general el uso de antibióticos en este sector, requiriendo alternativas para preservar la salud humana y animal. Las infecciones por Clostridium perfringens asociadas con enteritis necrótica (EN) ha aumentado en los últimos años en el sector avicola y supone un gran problema, que exige una vigilancia estrecha. La resistencia a antibióticos esta aumentando en C. perfringens, pero como este microorganismo no está sujeto a programas de vigilancia, se necesita más información para conocer a fondo su perfil de resistencia. Todo esto resalta la necesidad de investigar en el control de la EN asociada a C. perfringens, aplicando nuevos enfoques para rducir el uso de antibióticos en producción aviar. Las bacterias productoras de bacteriocinas (BAC+), capaces de inhibir el crecimiento de C. perfringens, permiten un buen enfoque. Los enterococos destacan por la producción de bacteriocinas (enterocinas) y, por tanto, pueden utilizarse con este fin. Sin embargo, con frecuencia los enterococos contienen factores de virulencia y mecanismos de resistencia a los antibióticos. De ahí que, debido a su dualidad como comensales y patógenos oportunistas, sea necesario caracterizarlos exhaustivamente. Así pues, el uso de sus enterocinas podría ser un enfoque aún mejor y más realista. Esta tesis intenta abordar esta problemática mediante el desarrollo de tres objetivos principales.
El primer objetivo fue caracterizar a nivel genómico una colección de aislados de C. perfringens procedentes de aves de corral afectadas por NE. Para ello, se caracterizaron veinte cepas mediante secuenciación del genoma completo (WGS) y se analizaron datos sobre su resistoma, viruloma, plasmidoma, genes de toxinas y tipificación molecular. Los resultados mostraron que los genes tet (asociados a la resistencia a la tetraciclina) eran los más frecuentes y fue de interés la detección de dos aislados que portaban el gen erm(T), asociado a la resistencia a la eritromicina, que sólo se ha descrito en otras bacterias Gram-positivas. Doce de los aislados fueron toxinotipados como tipo A y siete como tipo G. También se detectaron con frecuencia otros factores de virulencia que codifican hialuronasas y sialidasas, así como plásmidos. El tipado molecular reveló una gran variabilidad de los aislados, hallándose incluso nuevas combinaciones alélicas. Entre los aislados, C. perfringens MLG 7307 mostró características únicas, careciendo del gen “housekeeping” colA, lo que sugiere que podría pertenecer a una nueva especie/variedad. En su conjunto, los resultados obtenidos permiten conocer mejor las características genómicas de C. perfringens y profundizar en el estudio de este patógeno.
El segundo objetivo fue caracterizar los enterococos de origen aviar con actividad antimicrobiana frente a C. perfringens para garantizar su seguridad. Para ello, se examinó la actividad antimicrobiana de una colección de 251 enterococos de origen aviar frente a la colección de C. perfringens y se seleccionaron cepas BAC+ para realizar análisis de secuenciación masiva (WGS) para determinar su resistoma, viruloma y plasmidoma y realizar la tipificación molecular. Posteriormente, se analizó la supervivencia digestiva en condiciones aviares de los enterococos potencialmente inocuos seleccionados. De entre todos los enterococos, E. faecium X2893 y X2906 fueron los candidatos más prometedores para futuros estudios como cultivos protectores. Ambas cepas pertenecen al linaje ST722, son portadoras de los genes codificantes de la enterocina A y la enterocina B, no tienen genes de resistencia a antibióticos adquiridos, no portan plásmidos, poseen el gen acm implicado en la colonización del hospedador y mostraron elevadas tasas de supervivencia in vitro bajo condiciones digestivas aviares. Por lo tanto, son buenos candidatos para ser utilizados como cultivos protectores en estudios posteriores.
El último objetivo fue producir y purificar enterocinas con actividad antimicrobiana contra la colección de C. perfringens y otros patógenos relevantes. Las enterocinas A, B, P, SEK4 y L50 se obtuvieron mediante síntesis peptídica en fase sólida asistida por microondas y se evaluó su actividad antimicrobiana frente a la colección de C. perfringens y otros patógenos. Se evaluaron diferentes combinaciones de estas enterocinas, seleccionadas según sus mecanismos de acción, para lograr sinergias. Los resultados mostraron que los dos péptidos de la enterocina L50 eran los más activos contra C. perfringens, siendo L50A el más activo. Estos péptidos también mostraron el espectro más amplio, siendo activos incluso frente a las bacterias Gram-negativas Campylobacter coli ATCC 33559 y Pseudomonas aeruginosa ATCC 27855. Todas las combinaciones estudiadas mostraron sinergia o sinergia parcial. Este estudio consolida la idea de emplear enterocinas solas y en combinaciones sinérgicas para inhibir el crecimiento de C. perfringens y otros patógenos como alternativa prometedora a los antibióticos en el sector avícola.
En conclusión, el uso de enterococos BAC+, y especialmente de sus enterocinas, representa una alternativa muy atractiva a los antibióticos en el sector avícola. Entre las perspectivas futuras sobre este tema podrían figurar la optimización de la producción de enterocinas y estudios más detallados (toxicidad, degradación enzimática, etc.), para garantizar que su uso sea seguro. Asimismo, los próximos pasos pueden incluir modelos de infección in vivo para evaluar su eficacia en la prevención de la infección por C. perfringens.
- English
Antibiotics have been widely used in therapeutic, prophylaxis and growth promotion in poultry farming. Due to the urgency of preventing the spread of multi-drug resistant bacteria, many governments have banned the use of antibiotics for growth promotion and urge for a general reduction of these agents in food production, requiring alternatives to preserve human and animal health. Clostridium perfringens infections associated with necrotic enteritis (NE) are one of the major threats of the poultry sector, that requires a close surveillance. Antibiotic resistance in C. perfringens is emerging, but as this microorganism is not subject to surveillance programmes, more information is needed to fully understand its antibiotic resistance profile. All this underlines the need to deepen in the control of NE associated to C. perfringens in the poultry sector reducing the use of antibiotics. Bacteriocin-producing (BAC+) bacteria, capable of inhibiting the growth of C. perfringens provide a good approach. Enterococci are characterized by the production of bacteriocins (enterocins) and can therefore be used for this purpose. However, these genera often contain virulence factors and antibiotic resistance mechanisms. Hence, due to their duality as commensal and opportunistic pathogen, a deep characterisation of these BAC+ enterococci is required. For this reason, the use of their enterocins instead could be an even better and more realistic approach. This thesis attempts to address this issue through the development of three main objectives.
The first objective was to characterise at the genomic level a collection of C. perfringens isolates from poultry affected by NE. To this end, twenty isolates were characterised by whole genome sequencing (WGS) and data on their resistome, virulome, plasmidome, toxin genes and multilocus sequence typing were analysed. The results showed that the tet genes (associated with tetracycline resistance) were the most common resistance genes detected and, interestingly, two isolates carried the erm(T) gene associated with erythromycin resistance, which has only been reported in other Gram-positive bacteria. Twelve of the isolates were toxinotyped as type A and seven as type G. Other virulence factors encoding hyaluronases and sialidases and plasmids, were frequently detected. Identified sequence types revealed a high variability of the isolates and new allelic combinations were found. Among the isolates, C. perfringens MLG7307 showed unique characteristics, even lacking the housekeeping gene colA, suggesting that this isolate could belong to a new species/variant. Overall, the results obtained provide insights into the genomic characteristics of C. perfringens and a better understanding of this pathogen.
The second objective was to screen and characterise for safety enterococcal strains of poultry origin with antimicrobial activity against C. perfringens. To this end, a collection of 251 enterococci from poultry was screened for antimicrobial activity against the C. perfringens collection and BAC+ strains were selected to perform WGS analysis in terms of the resistome, virulence, plasmidome and multilocus sequence typing. According to the results obtained, potentially harmless selected enterococci were also tested for digestive survival under poultry conditions. Among all enterococci, E. faecium X2893 and X2906 were the most promising candidates for further studies as protective cultures for poultry farming. Both strains belong to sequence type ST722, carry the genes encoding enterocin A and enterocin B, have no acquired resistance genes, do not carry plasmids, contain the acm gene involved in host colonisation and showed high survival rates under in vitro poultry digestive conditions. They are therefore good candidates for use as protective cultures in future studies.
The last objective was to produce and purify enterocins with activity against the C. perfringens collection and other relevant bacterial poultry pathogens. Enterocins A, B, P, SEK4 and L50 were obtained by microwave-assisted solid-phase peptide synthesis and their antimicrobial activity was evaluated against the C. perfringens collection and other relevant bacteria. Combinations of these enterocins, according to their mechanisms of action, were evaluated to achieve synergy. The results showed that the two peptides from L50 were the most active against C. perfringens, with L50A being more active. These peptides also showed the broadest spectrum, being active even against Gram-negative Campylobacter coli ATCC 33559 and Pseudomonas aeruginosa ATCC 27855. All combinations tested showed synergy or partial synergy. This study strengthens the idea of using enterocins alone and in synergistic combinations to inhibit the growth of C. perfringens and other pathogens as a promising alternative to antibiotics in the poultry sector.
In conclusion, the use of BAC+ enterococci, and especially their enterocins, represents a very attractive alternative to antibiotics in the poultry sector. Further perspectives on this topic could include the optimisation of enterocin production and more detailed studied (toxicity, enzymatic degradation, etc), to ensure that their use is safe. Also, next steps can include in vivo infection models to assess their efficacy in preventing C. perfringens infection in poultry production.
- español
