Las bacterias adheridas a superficies causan graves problemas en la salud y billonarios gastos en la industria. Son muy difíciles de erradicar porque forman tejidos de cooperación de múltiples células con un metabolismo reducido que les confiere alta resistencia a los antibióticos y están recubiertas con una matriz coloidal muy fuerte. La formación y crecimiento de estos biofilms requiere la cooperación entre células y la adaptación coordinada de cada una de ellas como parte de un tejido. Entre los sensores que utilizan las bacterias para estas acciones coordinadas, están los apéndices externos llamados pili y fimbrias, los cuales perciben el contacto físico con superficies sólidas y fuerzas en el fluido que están inmersas. Aprovechando estos sensores mecánicos, proponemos utilizar ultrasonido como una manera de interferir con el sistema de señales que les permite establecerse en estas colonias de cooperación sedentaria. El ultrasonido de baja energía tiene la capacidad de transmitirse eficazmente en grandes superficies sólidas. De tener éxito, el prototipo aquí propuesto representaría una solución económica, durable, no tóxica y amigable con el ambiente para la protección de superficies metálicas, como los ductos de gas y petróleo, o de agua potable, que son normalmente atacadas por biofilms que las corroen, contaminan su contenido y causan derrames. Asimismo, podría aplicarse en instrumentos médicos que frecuentemente se contaminan con biofilms patogénicos resistentes a antibióticos, los que son importante fuente de infecciones intrahospitalarias a menudo mortales.

La mayor parte de la masa de bacterias que existe se encuentra en forma de biofilm, un tejido multicelular formado por bacterias y matriz coloidal que ellas mismas producen. Los biofilms son difíciles de erradicar debido a que su matriz les provee una barrera física y están fisiológicamente adaptados a subsistir ante condiciones extremas de inanición y toxicidad. En implantes, instrumentos médicos, ambientes hospitalarios y el servicio general de agua potable, los biofilms frecuentemente crecen y son causantes de enfermedades. En escenarios industriales, por otro lado, causan perjuicios debido a la biocorrosión, o corrosión inducida por microorganismos (MIC, por sus siglas en inglés), conocido como el asesino silencioso de la infraestructura. MIC es uno de los grandes problemas en la industria del petróleo y gas, y en las redes de tuberías de todo tipo. El costo anual de la corrosión en la industria se eleva a trillones de dólares, o más del 3% del producto bruto global, y se estima que al menos el 20% de estas pérdidas se deben al MIC. También se estima que los grandes barcos aumentan en más del 10% su consumo de combustible debido a que el biofilm sobre sus corazas aumenta su coeficiente de arrastre con el agua. A las pérdidas directas se suma el alto costo de mantenimiento de piezas y superficies que se corroen o deben ser tratadas periódicamente para prevenir el crecimiento de biofilm, por ejemplo, con biocidas que, además, son de uso riesgoso para la salud y el ambiente.

La corrosión puede tener muchas causas y el rol del MIC se ha tenido poco en cuenta hasta recientemente. La complejidad del fenómeno proviene de la diversidad de entornos en que ocurre, de materiales a los que ataca, y de especies de microorganismos involucrados. Por estas razones, y también por la lejanía disciplinar entre la ingeniería de materiales y la biología, los mecanismos involucrados en el MIC son aún poco claros. En consecuencia, las formas de diagnosticar y prevenir el MIC son aún incipientes y se asocian recién a modernas investigaciones, por ejemplo, en metagenómica para identificar los organismos que se encuentran en el crudo y poder prevenir la biocorrosión de los ductos. Al respecto, la biocorrosión puede ser tratada con métodos físicos como limpiadores (pigs) al interior de tuberías, radiación ultravioleta, y ultrasonido de alta energía; así como también con métodos químicos como los biocidas oxidantes, electrófilos, protonóforos y líticos. El método electroquímico de la protección catódica puede mitigar el crecimiento de una sucesión ecológica basada en el intercambio rédox de la respiración bacteriana con el metal. Algunos revestimientos costosos (brea, aluminio, zinc particulado, plomo, algunos plásticos especiales, resina epóxida) también pueden dificultar la adherencia de bacterias y con ello retrasar el crecimiento de biofilms.

Las bacterias del género Pseudomonas son reductoras de hierro y son capaces de corroer superficies de acero inoxidable. Se las encuentra en instrumentos médicos, así como en tuberías de agua potable, gas, petróleo y en cubiertas externas de barcos. Los biofilms de Pseudomonas spp. pueden asociarse a otros microorganismos y formar biofilms complejos con diversas actividades contaminantes, corrosivas y autoprotectivas. Por otro lado, Pesudomonas aeruginosa es una bacteria que tiene facilidad para adoptar dos formas de vida en laboratorio: una móvil, natatoria, con un activo flagelo y rápida reproducción, llamada forma planctónica; y otra, a modo de biofilm, adherida a una superficie, sin movilidad, segregando polímeros complejos, con una reproducción lenta y muy alta tolerancia a estrés físico y tóxico. Se la considera una infección oportunista y causa morbilidad en personas inmunosuprimidas, internos hospitalarios y personas que sufren de fibrosis quística. De esta forma, por su ubicuidad ambiental, en ambientes marinos y de agua potable, por su importancia médica y facilidad de cultivo, P. aeruginosa es el organismo modelo para el estudio de biofilm.

Esperamos aportar con las bases para el desarrollo de una nueva tecnología, capaz de prevenir la formación de biofilms de manera económica y amigable con el ambiente. Esta nueva tecnología podrá tener repercusión en la elaboración de implantes e instrumentos médicos como los catéteres endovenosos y urinarios, que son los grandes causantes de infecciones intrahospitalarias. También, esperamos demostrar la aplicabilidad del prototipo en la industria de construcción y mantenimiento de ductos de agua potable, saneamiento, gas y petróleo. Además, podría tener un impacto muy positivo en la marina civil, donde se estima que los biofilms causan un incremento de 10% en el uso de combustible de grandes embarcaciones, debido al mayor arrastre que causan contra el agua.

El ultrasonido como tratamiento contra biofilms es, habitualmente, concebido como un agente biocida y limpiador. Es así para el caso de utilizar ondas de alta energía con capacidad de producir a través del ultrasonido microexplosiones que fracturan violentamente la matriz extracelular y rompen la pared celular de las bacterias. La eficacia de esta técnica es variable. Lo que aquí se propone es aprovechar la sensibilidad que las bacterias poseen por estímulos mecánicos. Para convertirse de forma planctónica a biofilm, la bacteria necesita una serie de estímulos. Hay evidencias de señales intracelulares originadas por estímulos mecánicos en la pared celular, que podrían influenciar el compromiso de la célula al cambio de forma planctónica a biofilm. Encontramos publicaciones que apoyan esta hipótesis, con un modelo de catéter sobre placas de cultivo y con un demostrado cambio transcriptómico, en las que el uso de ultrasonido de baja energía tiene efectos sobre la formación de biofilm o sobre biofilm ya establecido; sin embargo, no está claro si los cambios reportados se deben a un sensor mecánico estimulado por el sonido o a cambios que el sonido indujo en el ambiente. Esperamos que con la experiencia y observaciones específicas que realizaremos se pueda determinar cuál es la influencia directa que el sonido causa en las células y así poder optimizarla como técnica de prevención de formación de biofilm.

La ejecución de esta propuesta establecerá en nuestro laboratorio un modelo para el estudio de biofilms con capacidad de entregar información detallada sobre su adherencia, expresión genética, estructura y procesos de maduración. De manera sinérgica, el sistema experimental aquí diseñado podrá investigarse más profundamente mediante microscopía confocal, de manera que la expresión de genes reporteros de P. aeruginosa puedan ubicarse en la estructura 3D del biofilm. También podrá estudiarse mediante transcriptómica, utilizando secuenciador NextSeq 550 (Laboratorios de Investigación y Desarrollo de la Facultad de Ciencias de la UPCH), y mediante microscopía de barrido utilizando el AFM-RAMAN (Universidad Nacional de Ingeniería), recientemente adjudicados por el fondo de equipamiento 2018, convenio CONCYTEC-Banco Mundial. Por lo tanto, con el sistema aquí presentado, y en asociación con otras dependencias, este proyecto permitirá -independiente del grado de éxito que la estimulación acústica produzca- la investigación de avanzada en un sistema de altísima importancia industrial y médica.

Modalidad de proyecto: Proyecto de investigación avanzado

Los proyectos deben ser presentados de manera asociativa (con una o más entidades asociadas).

La conformación mínima es la siguiente:

• Un investigador principal
• Un coinvestigador
• Un tesista de posgrado
• Un gestor tecnológico
• Un coordinador administrativo

• Tipo de proyecto: Desarrollo tecnológico

  Subsector: Manufactura avanzada

  Sector: Estratégico

  Lugar de ejecución del proyecto: LIMA

  Fecha de inicio:  01/01/2019

  Fecha de cierre:  01/01/2022

  Plazo de ejecución (meses): 36

  Objetivo principal

  El objetivo principal de esta propuesta es ofrecer alternativas para la prevención o mitigación de la formación de biofilms bacterianos causantes de corrosión en materiales valiosos para la industria y de infecciones intrahospitalarias. Se ha reportado que el ultrasonido aplicado sobre bacterias formadoras de biofilm es capaz de inducir en ellas una mayor susceptibilidad al tratamiento antibiótico al cual normalmente son resistentes. Aunque el mecanismo no es bien comprendido, se ha demostrado que este cambio implica alteraciones en la expresión de múltiples genes reguladores de la actividad de la bacteria. Esto podría explicarse por la existencia de sensores mecánicos en apéndices externos de las bacterias (fimbrias, pili) que normalmente censan la superficie e intervienen en la señalización celular que dirige el cambio de estilo de vida planctónico (móvil, natatorio, alto metabolismo, susceptible a antibióticos) a biofilm (sésil, productor de matriz, bajo metabolismo, tolerante a antibióticos). Hipotetizamos que la estimulación acústica en una superficie puede ‘engañar’ a estos sensores mecánicos y funcionar como un repelente para evitar la adherencia de bacterias y su maduración como biofilm. De tener éxito, resultaría en una medida durable, no tóxica y amigable con el ambiente para mitigar o prevenir los problemas de corrosión inducidos por microorganismos que causan grandes pérdidas en infraestructura, maquinaria y combustible; y la formación de peligrosos biofilms infecciosos en dispositivos médicos. Para producir un prototipo de estimulador acústico basado en este principio, requerimos desarrollar un sistema de ensayos en biofilms. Por esta razón, además del prototipo aquí presentado, este proyecto inicia una línea de investigación y desarrollo que permitirá integrar múltiples aproximaciones para enfrentar el complejo problema de los biofilm corrosivos e infecciosos.

  Objetivo específico 1

  Desarrollar un sistema propio de cultivo y medición de biofilms

  Objetivo específico 2

  Medir la expresión de genes involucrados en la formación de biofilm

  Objetivo específico 3

  Determinar la estimulación acústica que influencia la expresión de genes involucrados en la formación de biofilm

  Objetivo específico 4

  Desarrollar un prototipo de estimulador acústico capaz de actuar sobre acero y modelos de aplicación real

Institución responsable del proyecto

Universidad Peruana Cayetano Heredia

RUC: 20110768151

Tipo de entidad: Universidades que se encuentren licenciadas o en proceso de licenciamiento por la SUNEDU

Régimen: Privado

Tipo de organización: Sin fines de lucro

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: San Martin de Porres

Dependencias: Laboratorio de Moléculas Individuales

Institución asociada

Materials Research & Technologies SAC

RUC: 20550344191

Tipo de entidad: Empresas

Régimen: Privado

País: Perú

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Pachacamac

Investigador principal

Nombres: Daniel

Apellido paterno: Guerra

Apellido materno: Giraldez

Grado académico: Doctorado

Nombres del grado académico: –

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Dependencia: Laboratorio de Moléculas Individuales

Coinvestigador

Nombres: Ruth Liliana

Apellido paterno: Cristóbal

Apellido materno: Delgado

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Coinvestigador

Nombres: Raúl Mariano

Apellido paterno: León

Apellido materno: Rodríguez

Grado académico: Magister

Entidad: Materials Research & Technologies SAC

Dependencia: I&D

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 1

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Licenciatura

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 2

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Maestría

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 3

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Licenciatura

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Gestor tecnológico

Nombres: Gestor tecnológico no identificado 1

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Entidad: Materials Research & Technologies SAC

Coordinador administrativo

Nombres: Vanessa Clivia

Apellido paterno: Barros

Apellido materno: Cruz

Entidad: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Técnico

Nombres: Pierre Guillermo

Apellidos: Padilla Huamantico

Entidad:: Universidad Peruana Cayetano Heredia

Rubros financiables

• Recursos humanos (hasta 50% del monto financiado)

1. Incentivo monetario para el investigador principal y coinvestigadores: no debe sobrepasar el máximo de S/ 2,000 mensuales por investigador.
2. Pago a los tesistas: no debe sobrepasar el máximo de S/ 1,500 mensuales por tesista.
3. Pago al personal técnico o asistente de investigación: no debe sobrepasar el máximo de S/ 1,000 mensuales por técnico.
4. Honorarios o incentivos para un gestor tecnológico: no debe de sobrepasar el máximo de S/. 1,500 mensuales.

• Equipos y bienes duraderos (hasta 20% del monto financiado)

Corresponde a la adquisición de equipos menores para el proyecto de investigación.

• Materiales e insumos

1. Materiales, insumos, reactivos, accesorios, componentes electrónicos o mecánicos, bienes no inventariables.
2. Material bibliográfico, tales como manuales, bases de datos, libros especializados, otros, y/o suscripciones a redes de información (en físico o electrónico).
3. Software especializado para el desarrollo de los proyectos de investigación.

• Viajes

Corresponde a los gastos de viajes relacionados a actividades propias del proyecto de investigación.

Los gastos que aplican para este rubro son los siguientes:

1. Pasajes: terrestres, aéreos, nacionales e internacionales, en clase económica.
2. Viáticos: comprenden los gastos por concepto de alimentación, hospedaje y movilidad (hacia y desde el lugar de embarque), así como el desplazamiento en el lugar donde se realizan las actividades. El concepto de viáticos es aplicable para estancias cuya duración sea menor a los quince (15) días calendario, considerando los topes máximos diarios detallados en el Anexo 2.
3. Manutención: comprenden los gastos de alojamiento, alimentación y movilidad local durante su permanencia en el lugar sede del objeto del beneficio otorgado, o desplazamientos relacionados con el mismo. El concepto de manutención es aplicable siempre que se trate de una estancia cuya duración sea mayor o igual a quince (15) días calendario, considerando los topes máximos diarios detallados en la convocatoria.
4. Seguro de viaje: el seguro es de carácter obligatorio y su valor debe estar de acuerdo al precio de mercado. La cobertura típicamente incluye gastos médicos de emergencia, muerte accidental, invalidez e imprevistos logísticos durante el viaje (retraso de vuelos, demora o pérdida de equipaje, robos, etc.). El precio del seguro puede variar en función a la edad, duración del viaje y el destino. Se puede financiar hasta un máximo de S/ 2,000.

• Servicios de no consultoría.

Corresponde a los gastos de contratación de personas naturales o jurídicas para la ejecución de actividades de índole técnica especializada, consideradas como críticas para lograr el buen resultado del proyecto de investigación: servicios de laboratorio, colección de datos, procesamiento de muestras, análisis y diseño.

• Otros servicios

Corresponde a los gastos de contratación de personas naturales o jurídicas para la ejecución de actividades complementarias del proyecto de investigación, tales como:

1. Actividades de difusión:

1. Gastos de organización de taller de cierre del proyecto.
2. Costo de publicación de artículos en revistas indizadas.

• Costo de inscripción para participar en eventos o para discutir los resultados con personal interesado o calificado.

1. Actividades complementarias de la investigación:

1. Gastos de importación y desaduanaje de materiales, insumos o equipos relacionados al proyecto de investigación que se adquieran en el extranjero.
2. Gastos relacionados a la obtención del título o grado.

• Gastos relacionados a la solicitud de patentes.

1. Gastos de mantenimiento correctivo para los equipos adquiridos u otro equipo de laboratorio que deba usarse en el proyecto.

• Gastos de gestión (hasta 10% del monto financiado)

Corresponde al incentivo monetario para el coordinador administrativo, útiles de oficina y servicios de imprenta.