A bakteriocinok funkciói és új alkalmazásai

Michael L. Chikindas

1 Egészségfejlesztést segítő Naturals laboratórium, Környezettudományi és Biológiai Tudományok Iskolája, Rutgers Állami Egyetem, 65 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA

2 Emésztési Egészségügyi Központ, New Jersey Élelmiszer-, Táplálkozási és Egészségügyi Intézet, 61 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA

Richard Weeks

1 Egészségfejlesztő Naturals laboratórium, Környezet- és Biológiai Tudományok Iskola, Rutgers Állami Egyetem, 65 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA

Djamel Drider

3 Univ. Artois, INRA, Univ. Lille, Univ. Littoral Cote d'Opale, EA 7394 - ICV - Institut Charles Viollette, F-59000 Lille, Franciaország

Vlagyimir A. Csisztjakov

4 D. I. Ivanovsky Biológiai és Biotechnológiai Akadémia, Déli Szövetségi Egyetem, Rostov-on-Don 344090, Prospekt Stachki 194/1, Oroszország

Leon M.T. Dicks

5 Mikrobiológiai Tanszék, Stellenbosch Egyetem, 7600 Stellenbosch, Dél-Afrika

Absztrakt

A ribosomálisan szintetizált antimikrobiális peptidekként definiált bakteriocinokat hagyományosan élelmiszer-tartósítószerként használták, akár starter kultúrák hozzáadásával, akár fermentációval előállítva. Néhány kiválasztott bakteriocin mélyreható vizsgálata új kutatási területeket nyitott meg, és kibővítette ezen antimikrobiális peptidek alkalmazását. A bakteriocinok új generációs antibiotikumokká való fejlesztésének lehetősége, a genetika és a nanotechnológia gyors fejlődésével párosulva megnyílik az út még lenyűgözőbb alkalmazások felé, mint például az új hordozómolekulák (szállító rendszerek) és a rák kezelése. Néhány bakteriocinról kiderül, hogy szabályozza a kvórumérzékelést, ami újszerű alkalmazásokat javasol ennek az anyagcsoportnak. Míg van néhány érdekes transzlációs kutatás a gramnegatív baktériumok bakteriocinjairól, az alkalmazásorientált vizsgálatok többsége a Grampositive mikroorganizmusokból származó bakteriocinokra összpontosít, főleg tejsavbaktériumokra. A bakteriocinok alkalmazási területe az élelmiszerektől az emberi egészségig terjed.

Bevezetés

Minden élő szervezet antimikrobiális fehérjéket (AMP) termel, amelyek közül viszonylag kis méretük miatt sokukat antimikrobiális peptidnek nevezik. Az eukarióta immunrendszeren belül úgy gondolják, hogy az AMP-k szolgálják az első védelmi vonalat a gazdaszervezet védelmében az ellenséges behatolókkal szemben [1]. A baktériumok kétféle AMP-t termelnek: azokat, amelyeket riboszómás úton szintetizálnak (más néven bakteriocinek), és nem riboszómásan szintetizált AMP-ket, ezeknek az AMP-knek kódolatlan strukturális gének nélkül, pl. ε-poli-L-lizin [2].

Definíciók: a jelenlegi osztályozások zavaróak lehetnek

Egyes kutatók az „igazi” bakteriocinokat, például a kolicineket, amelyeket Gratia először fedezte fel 1925-ben [3], és a kolicin-szerű bakteriocinokat előnyben részesítik az úgynevezett bakteriocin-szerű gátló anyagoktól (BLIS) [4]. Folyamatos az érdeklődés a tejsavbaktériumok (LAB) bakteriocinjai iránt, és egyes szerzők önálló osztályozást javasolnak ezekhez az AMP-khez [5 •]. Ezenkívül a bakteriocinek sokfélesége, eredete, termelési komplexitása és hatásmechanizmusa igazolja a bakteriocinok számos más csoportjának önálló osztályozásának szükségességét. Helyénvaló arra a következtetésre jutni, hogy a bakteriocinokat általában riboszómás úton előállított, fehérjeszerű, többfunkciós anyagként kell meghatározni, bizonyos koncentrációkban kifejezett antimikrobiális aktivitással. Ezen túlmenően nem szükséges meghatározni a bakteriocinokat nettó pozitív töltésű és amfipatikus természetűeknek, mivel vannak olyan anionos bakteriocinok, mint például a szubtilozin A az irodalomban [6].

Bakteriocinok: Az alkalmazásokat a függvények határozzák meg

„Elsődleges” és „másodlagos” funkciók: egy ökológiai fülke jelzése és védelme

A termelés természetes szintje: elég az öléshez, vagy csak taszításhoz?

A bakteriocinek termelésére és koncentrációjára vonatkozó adatok a gyártó szokásos ökológiai környezetében kevések. Ennek ellenére a természetes környezetet utánzó tanulmányok fényt derítenek a bakteriocinok elsődleges funkciójára vonatkozó feltételezéseinkre. A mikrobiális inaktivációs görbék elemzésével, mint a környezeti stressz-nizinnel szembeni baktériumválasz tükröződése szub-MIC koncentrációknál, az élelmiszer által szállított Listeria monocytogenes kórokozó lépésszerű válaszát figyelték meg [16]. Míg ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy értékelje a kórokozó túlélését az élelmiszer-környezetben fokozatosan csökkenő nizin-koncentrációk mellett, ez a természetes állapot extrapolációjának is tekinthető, amikor a behatoló sejtek viszonylag alacsony, a környezetben diffundált bakteriocin-koncentrációval néznek szembe . A rendelkezésre álló szakirodalom alapján feltételezzük, hogy a bakteriocinok elsődleges funkciói inkább a jelzés és a taszítás, mint a megölés. Minőségileg eltérő viselkedés figyelhető meg olyan koncentrációknál, amelyek jóval meghaladják a mikrobiális „szabad tartású” életét.

A bakteriocinok funkciói kibővültek: az emberi egészség alkalmazásai

Egyes bakteriocinokról, mint például a Bacillus subtilis-ből származó szubtilozin A vírusellenes [23] és spermicid [24] aktivitással bír. A szubtilozin antivirális aktivitása valószínűleg a vírusreplikáció késői stádiumainak interferenciája miatt következik be. Az emberi spermiumokat immobilizáló és deaktiváló szubtilozin A koncentrációk inaktívak az emberi gyomor-bél traktusból izolált laktobacillusokkal szemben. Ezzel szemben a nizin spermicid koncentrációi kimutatták, hogy gátolják a tejsavbaktériumokat [25]. Ezenkívül számos kísérlet történt a bakteriocinok szerkezetének rendszerezésére, és egyes szisztémás megközelítésekről számos bakteriocin működésének javítását jelentették [26 •]. Ezt és más kritikai áttekintéseket széles körben szemlélve, a jelenleg rendelkezésre álló információk alapján feltérképezhettük a „bakteriocinok ökológiáját” (1. ábra).

Bakteriocinek: jelzés és megölés.

Élelmiszer alkalmazások: tartósítás és azon túl

Asztal 1

Példák a kereskedelemben kapható bakteriocint termelő élelmiszeripari mikroorganizmusokra [37,38].

Termék neve MikroorganizmusBacteriocinGyártóAlkalmazás

BioSafe ™	Lactococcus lactis subsp. lactis BS-10	Nisin A	Chr. Hansen	Túrós, feta és érlelt sajtok, a clostridia okozta késői fújás és mellékízek megelőzése
HOLDBAC ™ (korábban Valio „Bio Profit”, azonos fajokkal, de különböző törzsekkel)	Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii DSM 706 és Lactobacillus rhamnosus DSM 7061	Meghatározatlan bakteriocinek - lásd az US20150150298 A1 számú dokumentumot, közzététel dátuma: 2015. június 4	Dupont Nutrition Biosciences Aps	A penész és a pszichrotrófok gátlása a túróban
Bactoferm ™ F-LC	Pediococcus acidilactici, Lactobacillus curvatus és Staphylococcus xylos	Az L. curvatus szakacin A-t, a P. acidicactici pedig valószínűleg a PA-1/AcH pediocint termeli.	Chr. Hansen	A Listeria monocytogenes ellenőrzése és húsindító szerként
ALCMix1	Lactobacillus plantarum és Staphylococcus carnosus	Termeljen plantaricint, illetve karnocin bakteriocint	Danisco DuPont	Listeriszellenes kultúrák erjesztett kolbászokhoz és főtt sonkához
Bactoferm ™ B-SF-43	Leuconostoc carnosum	Leucocin	Chr. Hansen	A listeriák ellenőrzése vákuumban és módosított atmoszférában tárolt húskészítmények
Bactoferm ™ B-2	Lactobacillus sakei	Sakacin	Chr. Hansen	A listeriák ellenőrzése vákuumban és módosított atmoszférában tárolt húskészítmények
Bactoferm ™ B-FM	Staphylococcus xylosus és L. sakei	Sakacin	Chr. Hansen	A listeriák ellenőrzése vákuumban és módosított atmoszférában friss húskészítmények

A bakteriocinek antimikrobiális aktivitásának szekvencia-manipulációval történő javítása mellett az élelmiszer-környezetben való hatékonyságuk intelligensen irányított szállítással javítható. A nizinnel és a Micrococcus luteusszal, az egyik legérzékenyebb referencia-mikroorganizmussal végzett modellvizsgálat során kimutatták, hogy a leghatékonyabb gátlás akkor következik be, amikor a gyors felszabadulás kezdeti szakaszát kisebb mennyiségben lassan felszabaduló szakasz követi, éppen elegendő a kontrollhoz a fennmaradó népesség [45]. Noha a megfelelő élelmiszeripari szállítórendszereket még vizsgálják, számos gyógyszerészeti alkalmazásra rendelkezésre állnak [46].

A bakteriocinok egyik új és kialakulóban lévő potenciális szerepe valószínűleg funkcionális élelmiszerekre irányul, ahol a bakteriocin-termelőket vagy az étellel, vagy egészséget elősegítő vény nélkül kapható készítményként fogyasztják a gyomor-bélrendszer (GI) pozitív modulációjának céljával. ) mikrobiota [47 ••]. Az első beszámolt kísérletek során a bakteriocint termelő Lactobacillus salivarius UCC118 képes volt módosítani a diéta által kiváltott elhízott egerek GI mikrobiotáját, míg bakteriocinmentes származéka nem okozta a leírt változásokat [48].

Következtetés

A bakteriocinek egyike a sok természetes védekező mechanizmusnak, amelyeket a baktériumok a mikroorganizmusokkal szembeni versenyben alkalmaznak ugyanabban a környezetben. A nizin első felfedezése óta számos egyedi szerkezetű és különböző aktivitási móddal rendelkező bakteriocint írtak le, és beszámoltak a legtöbbek termelését, szekrécióját és immunitását kódoló génekről. Az elmúlt évtizedben sok kutató az élelmiszerek tartósítására szolgáló bakteriocinokra helyezte a hangsúlyt a fertőzések és az antibiotikumokkal szemben rezisztens betegségeket okozó baktériumok kezelésére. A bakteriocin-kutatás ezen izgalmas új korszaka kétségtelenül új találmányokhoz és új alkalmazásokhoz vezet. A genomszekvenciák elérhetővé válásának gyors ütemével a genombányászat könnyebbé válik, és a génszintézis és a fehérje expresszió legújabb technikáinak alkalmazásával új bakteriocinokat várhatunk nagyon elkötelezett alkalmazásokkal.

Bakteriocinok: az egyszerű felhasználástól a kifinomult célzott alkalmazásokig.

1 - tej vagy más élelmiszeripari bakteriocintartalmú fermentátum; 2 - bakteriocint termelő védő mikrobiális tenyészet; 3 - részben tisztított élelmiszeripari bakteriocin; 4 - bakteriocint termelő aktív probiotikus tenyészet (esetleg spóraképző); 5 - bakteriocin szinergetikusan ható természetes eredetű antimikrobiális szerekkel; 6 - ellenőrzött bejuttatási rendszerek megvalósítása a bakteriocinok stabilitásának és hatékonyságának javítása érdekében.

Fénypontok

A bakteriocinek szerves, sokoldalú szerepet játszanak a mikrobiológiai ökológiában

A célzott és ellenőrzött szállításnak javítania kell a bakteriocinok hatékonyságát

A bakteriocinok sokrétű funkciói inspirálják többdimenziós alkalmazásaikat

Köszönetnyilvánítás

Az MLC-t és az RW-t az Országos Egészségügyi Intézet [R21 AI126053 támogatásszám] támogatta; VAC az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériumától [projektszámok 19.6015.2017/8.9 és 6.5449.2017/6.7]; és DD: ANR Sincolistin, ANR-CE-oo15 és CPER-FEDER Albiotech. A szerzők hálásak Dimitri Kashtanovnak az ábrák grafikai tervezéséért.

Lábjegyzetek

Kiadói nyilatkozat: Ez egy szerkesztetlen kézirat PDF-fájlja, amelyet kiadásra elfogadtak. Ügyfeleink számára nyújtott szolgáltatásként a kéziratnak ezt a korai változatát biztosítjuk. A kézirat átmásolásán, szedésén és a kapott bizonyíték felülvizsgálatán átesik, mielőtt a végső hivatkozható formában közzétennék. Felhívjuk figyelmét, hogy a gyártási folyamat során olyan hibákat fedezhetnek fel, amelyek befolyásolhatják a tartalmat, és a naplóra vonatkozó minden jogi felelősségvállalás vonatkozik.