Синтез бактериоцинов

БАКТЕРИОЦИНЫ ПРОБИОТИКОВ

Бактериоцины как альтернатива антибиотикам

БАКТЕРИОЦИНЫ - КАК АЛЬТЕРНАТИВА АНТИБИОТИКАМ

Пим. ред.: В разделе: Антимикробные свойства пробиотиков, уже давалась краткая информация о бактериоцинах, как о веществах, оказывающих бактерицидное и бактериостатическое действие на грамположительные и грамотрицательные патогенные бактерии, путем нарушения синтеза бактериальной мембраны и порообразующего действия. Также было отмечено, что антибиотической активностью выделяются и другие метаболиты пробиотических микроорганизмов, в частности, котороктоцепочечные жирные кислоты, перекись водорода (H2O2) и т.д. В этой связи, например, представляют большой интерес бактериоцины пропионовокислых бактерий, которые подавляют рост и выживаемость Listeria monocytogenes (возбудителя листериоза) и Yersinia enterocolitica (возбудителя иерсиниоза), а также подавляют рост грам-отрицательных (!) бактерий, дрожжей и плесневых грибов. Как видим, потенциал бактериоцинов огромен и требует дальнейшего изучения, особенно в свете проблемы антибиотиков.

О проблеме антибиотиков

Считается, что нерациональное использование антибиотиков в сочетании с самолечением привело к развитию бактерий, устойчивых к наиболее распространенным препаратам. В последние годы люди стали уделять большее внимание данной проблеме [1].

Ученые пытаются разрабатывать новые виды антибиотиков для борьбы с болезнями бактериального происхождения. Однако из всех синтезируемых молекул лишь 0,01% имеют антимикробную активность. И зачастую эти новые соединения имеют высокую себестоимость или оказывают высокотоксичное действие на человека [2].

Возможные пути решения

Одним из перспективных альтернативных методов борьбы с патогенными бактериями долгое время считали фаготерапию — лечение больных бактериальными инфекциями введением в организм бактериофагов. Бактериофаги — это вирусы, способные уничтожать бактерий. В поисках бактериофагов, которые будут бороться с патогенными бактериями, достигли определенных успехов, но при всех преимуществах данного способа нашли и ряд минусов. Самый главный — это то, что бактериофаги являются очень специфичными к определенному штамму бактерий. Получается, что даже если будет подобран бактериофаг для лечения какой-то болезни, не факт, что он сможет справиться со всем разнообразием бактерий, ее вызывающих [4]. Однако бактериофаги применяют уже несколько лет в стоматологии, причем довольно успешно, и это дает шанс фаготерапии найти более широкое применение [5].

Другим популярным способом в попытках заменить антибиотики является использование бактериоцинов:

БАКТЕРИОЦИНЫ

Краткое описание действия бактериоцинов:

Бактериоцины — большое семейство секретируемых бактериями пептидов, обладающих антимикробной активностью и действующих против других штаммов того же вида или близкородственных видов [6]. Бактериоцины синтезируют почти все известные бактерии.

Известно, что бактерии бывают грамположительные и грамотрицательные. И те, и другие подавляют близкородственные виды и тем самым прекращают их рост согласно механизмам, описанным на рисунке 1.

Механизм действия бактериоцинов грамположительных и грамотрицательных бактерий

Рисунок 1. Механизмы действия бактериоцинов. а — Механизм действия бактериоцинов грамположительных бактерий: низин и некоторые другие бактериоцины класса I ингибируют синтез пептидогликана, связываясь с липидом II, и образуют поры; бактериоцины класса II, такие как лактококцин А, связываются с порообразующей рецепторной маннозо-фосфотрансферазной системой (Man-PTS). б — Механизм действия бактериоцинов грамотрицательных бактерий: микроцин B17 (MccB17) ингибирует ДНК-гиразу, MccJ25 ингибирует РНК-полимеразу, а MccC7-C51 ингибирует аспартил-тРНК-синтетазу (*для увеличения рисунка нажмите на изображение)


Рисунок можно объяснить и более простым образом. В левой части изображено действие бактериоцинов грамположительных бактерий: по сути, они приводят к образованию дырок в мембране, и клетка просто погибает. В правой — показан механизм действия бактериоцинов, продуцируемых грамотрицательными бактериями: они блокируют синтез каких-либо важных ферментов, что также приводит к гибели клетки.

Альтернативное использование

Бактериоцины обладают рядом преимуществ, позволяющим заявить — они являются жизнеспособной альтернативой антибиотикам [7]:

  • антимикробная активность (как определено in vitro и in vivo);
  • низкая токсичность;
  • широкий и узкий спектр действия разных пептидов;
  • возможность производства in situ (с лат. — «на месте») пробиотиками;
  • возможность создания на их основе биоинженерных конструкций.

Можно сказать о том, что, вероятно, в скором будущем появятся новые способы борьбы с инфекционными бактериальными заболеваниями в случае успешного изучения особенностей функционирования бактериоцинов, что станет достойной альтернативой антибиотикам.

В последнее время также появляется много информации на тему возможности использования бактериоцинов в борьбе с раком. Что может сделать их почти панацеей нашего времени в случае успешного внедрения в медицинскую практику [11].

СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ

Подробнее о механизме действия бактериоцинов:

Бактериоцин субтилозин

Синтез бактериоцинов - наследственная особенность микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый штамм способен образовывать один или несколько определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ.

Антибиотические свойства полезных бактерий исследуется давно. Так, например, антимикробный эффект тех же молочнокислых бактерий издавна использовался для продления срока годности пищевых продуктов [12]. Классические работы Л. Пастера открыли первые страницы в изучении этой группы микроорганизмов [13]. По мнению ряда исследователей, образование органических кислот из углеводов приводит к снижению рН среды и предотвращает развитие других микроорганизмов [14]. Кроме того, бактерицидным действием на специфические группы микроорганизмов, включая патогенные формы, развивающиеся в продуктах питания в процессе хранения и выделяющие энтеротоксины, обладают белковые вещества, выделяемые некоторыми видами бактерий - бактериоцинов [15].

Бактериоцины представляют собой комплекс пептидов с молекулярной массой от 2 до 35 кДа, существенно отличающихся друг от друга по физико-химическим характеристикам и биологическим эффектам [17, 18]. Выявлено, что на проявление антагонистической активности бактериоцинов, влияют температура, электрическое поле, рН, состав, консистенция среды, присутствие Ca2+ и Mg2+ и другие факторы [18, 19, 20].

К числу общих свойств бактериоцинов относится их чувствительность к температуре, хотя это свойство также может варьировать в широких пределах. Некоторые разрушаются при температуре 48-50°С, другие кратковременно выдерживают температуру 60-70°С, а отдельные сохраняют активность даже при 100°С.  Низин выдерживает кипячение до 120°С без потери активности.

Бактериоцины чувствительны к воздействию протеаз и имеют различный молекулярный вес (30000-100000 Да). Белок бактериоцина связан с липополисахаридом клеточной оболочки, но только белковая часть молекулы обладает антибактериальной активностью [22, 23].

На основании физико-химических свойств, аминокислотного состава, способов выведения, а также антимикробного спектра действия бактериоцины различные исследователи разделяют на три основных класса: I, II, III [19, 24, 25].

Бактериоцины I класса

К первому классу бактериоцинов относятся лантибиотики (небольшие пептиды <5 кДа), низкомолекулярные катионные, гидрофобные, устойчивые к нагреванию пептиды, в состав которых входят такие редкие тиоэфирные аминокислоты, как лантионин и β-метиллантионин, дегидроаланин, дегидро-бутирин, и несколько тиоэфирных мостиков, которые замещают дисульфидные связи и придают этим белковым соединениям некоторую полициклическую структуру [17]. К этой группе относятся низины, образуемые Lactococcus (Streptococcus) lactis, эпидермин, галлидермин, продуцентом которого является St. gallinarum, а также субтилин (B. subtilis).

Бактериоцины II класса

Большинство бактериоцинов относится ко II классу. Представляют собой низкомолеку-лярные катионные термостабильные пептиды (не содержащие лантионин), сохраняющие свою активность при широком диапазоне рН (3–9), слабо иммуногенные и нетоксичные для человека и животных [17, 31, 32]. Они вызывают повреждение цитоплазматической мембраны грамположительных бактерий, а по современным данным и грамотрицательных бактерий [21, 32, 33, 34]. Бактериоцины II класса чаще всего синтезируются как препептиды, а затем без модификации их аминокислотных остатков, в процессе секреции из клетки продуцентов утрачивают свои лидирующие компоненты. Гены, необходимые для продукции бактериоцинов II класса (регуляторные, гены, кодирующие препептид (или пептид), обеспечивающие транспорт через мембрану и устойчивость бактерий к собственному антимикробному пептиду), располагаются в плазмидах или в хромосоме.

Бактериоцины III класса

Бактериоцины этого класса представляют собой антимикробные термочувствительные белки с молекулярной массой более 30 кДа, способные расщеплять муреин клеточной стенки. К их числу относится энтеролизин А.

Механизм действия бактериоцинов

Учитывая большое разнообразие химического строения бактериоцинов, можно предположить, что они воздействуют на жизненно важные функции чувствительных клеток, но большинство действуют, образуя в мембране поры или каналы, способствующие нарушению мембранного потенциала чувствительных клеток [35, 36].

Анионные липиды цитоплазматической мембраны являются основными рецепторами бактериоцинов молочнокислых бактерий для стимуляции порообразования. Бактериоцины I класса могут вызывать формирование пор по типу клиноподобной модели, в то время как бактериоцины II класса способны функционировать, создавая поры, посредством которых пептиды располагаются параллельно мембранной поверхности и оказывают влияние на структуру мембран [37].

Наиболее хорошо изучен механизм действия бактериоцинов на примере низина (см. рис.2).

При изучении действия низина стало ясно, что часть C-конца молекулы деполяризует цитоплазматическую мембрану, что ведет к мгновенной остановке синтеза компонентов клеточной стенки и всех биосинтетических процессов в клетке. Основной характер действия низина - это взаимодействие с отрицательно заряженными мембранами (билипидный слой), предпочтительно с мембранами, содержащими анионные липиды. Грамположительные бактерии имеют более высокие концентрации анионного липида в их цитоплазматической мембране по сравнению с грамотрицательными. Бактериоцин сначала связывает его C-конец с анионными липидами, после чего N-конец опускается в липид мембраны и пептид принимает параллельное положение на мембранной поверхности. И, в конечном счете, целый пептид имеет возможность переместиться по всей длине поры [35].

Механизм действия бактериоцинов

Рисунок 2. Механизм действия бактериоцинов

Низин ингибирует синтез муреина клеточной стенки. В результате действия антибиотика происходит накопление промежуточного липида, с которым низин образует прочный комплекс, что и приводит к остановке дальнейшего синтеза пептидогликана бактериальной стенки. Низин может вызывать лизис клеток вследствие необратимой деструкции клеточной мембраны, которая регулирует осмотическое давление клетки. Он изменяет поверхностное натяжение цитоплазматической мембраны, что приводит к нарушению клеточной   проницаемости и, как следствие этого, к бактериальному лизису (от греч. lýsis - разложение, распад).

Перспективы применения бактериоцинов

Считается, что бактериоцины можно использовать в качестве естественных консервантов продуктов питания. Один из них, а именно низин, выделяют из бактерии Streptococcus lactis [10] и уже используют в коммерческих целях. Его можно встретить в составе на этикетках под именем E234.

Потребительский спрос на минимально обработанные пищевые продукты или «свежую еду» без химических консервантов стимулировал исследователей на поиск натуральных  антимикробных средств [37]. Кроме того, бактериоцины, в отличие от антибиотиков,  полностью расщепляются в организме, и вероятность возникновения осложнений от бактериоцинов минимальна, а применение антибиотиков имеет для человека отрицательные последствия. Однако сферы применения известных форм бактериоцинов, как уже отмечалось, ограничены из-за низкой активности при нейтральных или щелочных значениях pH. Поэтому поиск бактериоцинов с улучшенными физико-химическими свойствами и широким антимикробным спектром представляет большой интерес не только для пищевой промышленности, но и для фармацевтической - при создании альтернативных антибиотиков, что является одной из самых актуальных проблем в области микробиологии и биотехнологии.

К разделу:

АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА ПРОБИОТИКОВ

По теме см. также:

КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ


Литература:

  1. Kai Li, Lici A. Schurig-Briccio, Xinxin Feng, Ashutosh Upadhyay, Venugopal Pujari, et. al.. (2014). Multitarget Drug Discovery for Tuberculosis and Other Infectious Diseases. J. Med. Chem.. 57, 3126-3139;
  2. Ville Ojala, Jarkko Laitalainen, Matti Jalasvuori. (2013). Fight evolution with evolution: plasmid-dependent phages with a wide host range prevent the spread of antibiotic resistance. Evol Appl. 6, 925-932;
  3. Cesar A. Arias, Barbara E. Murray. (2012). The rise of the Enterococcus: beyond vancomycin resistance. Nat Rev Micro. 10, 266-278;
  4. Alessandra C. Rios, Carla G. Moutinho, Flávio C. Pinto, Fernando S. Del Fiol, Angela Jozala, et. al.. (2016). Alternatives to overcoming bacterial resistances: State-of-the-art. Microbiological Research. 191, 51-80;
  5. Mor Shlezinger, Leron Khalifa, Yael Houri-Haddad, Shunit Coppenhagen-Glazer, Grégory Resch, et. al.. (2017). Phage Therapy: A New Horizon in the Antibacterial Treatment of Oral Pathogens. CTMC. 17, 1199-1211;
  6. Luc De Vuyst, Frédéric Leroy. (2007). Bacteriocins from Lactic Acid Bacteria: Production, Purification, and Food Applications. J Mol Microbiol Biotechnol. 13, 194-199;
  7. Paul D. Cotter, R. Paul Ross, Colin Hill. (2012). Bacteriocins — a viable alternative to antibiotics?. Nat Rev Micro. 11, 95-105;
  8. Sathiah Thennarasu, Dong-Kuk Lee, Alan Poon, Karen E. Kawulka, John C. Vederas, Ayyalusamy Ramamoorthy. (2005). Membrane permeabilization, orientation, and antimicrobial mechanism of subtilosin A. Chemistry and Physics of Lipids. 137, 38-51;
  9. Nalisa Khochamit, Surasak Siripornadulsil, Peerapol Sukon, Wilailak Siripornadulsil. (2015). Antibacterial activity and genotypic–phenotypic characteristics of bacteriocin-producing Bacillus subtilis KKU213: Potential as a probiotic strain. Microbiological Research. 170, 36-50;
  10. Ana Andréa Teixeira Barbosa, Hilário Cuquetto Mantovani, Sona Jain. (2017). Bacteriocins from lactic acid bacteria and their potential in the preservation of fruit products. Critical Reviews in Biotechnology. 37, 852-864;
  11. Sumanpreet Kaur, Sukhraj Kaur. (2015). Bacteriocins as Potential Anticancer Agents. Front. Pharmacol.. 6
  12. Нурушев М.Ж., Стоянова Л.Г., Бекеева С.А. и др. О проекте создания природного консерванта пищевых продуктов на основе бактериоцинов молочнокислых бактерий в Казахстане // Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы. - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева. - 2011. - № 4.
  13. Тюрин М.В., Шендеров Б.А., Рахимова Н.Г. и др. К механизму антагонистической активности лактобацилл // Журн. микробиол., эпидемиол. и иммунобиол. - 1989. - № 2. - С. 3–8.
  14. Шлегель Г. Общая микробиология. - М.: Мир, 1987. - 567 с.
  15. Блинкова Л.П., Альтшуллер М Л., Дорофеева Е С. и др. Молекулярные основы продукции и действия бактериоцинов // Журн. микробиол. - 2007. - № 2. - С. 97–104.
  16. Ускова М.А. Изучение свойств пробиотических молочнокислых бактерий как биологически активных компонентов пищи: автореф. ... канд. биол. наук. – М., 2010. - 28 с.
  17. Minah C.J., Morero R.D. Inhibition of enterocin CRL35 antibiotic activity by mono- and divalent ions // Lett. Appl. Microbiol. - 2003. - Vol. 37, N 5. - P. 374–379.
  18. Van den Berghe E., de Winter T., de Vuyst L. Enterocin A production by Enterococcus faecium FAIR-E 406 is characterised by a temperature and pH-dependent switch-off mechanism when growth is lim-ited due to nutrient depletion // Int. J. Food Microbiol. - 2006. - Vol. 107, Is. 2. - P. 159–165.
  19. Moreno M. R. F., Sarantinopoulos P., Tsakalidou, De Vuyst L. The role of appplication of enterococci in food and health // Int. J. Food Microbiol. - 2006. - Vol. 106. - P. 1–24.
  20. De Vuyst L., Leroy F. Bacteriocins from Lactic Acid Bacteria: Production, Purification, and Food Applications // Mol. Microbiol. Biotechnol. - 2007. -Vol. 13. - P. 194–199.
  21. Kraus A., Peschel D. Molecular Mechanisms of Bacterial Resistance to Antimicrobial Peptides. - Berlin; Heidelberg, 2006. - P. 231–250.
  22. Oscariz J.C., Pissabarro A.G. Classification and mode of action of membrane-active bacteriocins produced by gram-positive bacteria // Int. Microbiol. - 2011. - N 18. - P. 13–19.
  23. Segarra R.A., Gilmore M. S., Booth M C. Genetic structure of the Enterococcus faecalis plasmid pAD1-encoded cytolytic toxin system and its relationship to lantibiotic determinants // J. Bacteriol. - 2004. - Vol. 176. - P. 734–735.
  24. Bittencourt E., Suzart S. Occurrence of virulence-associated genes in clinical Enterococcus fae-calis strains isolated in Londrina, Brazil // J. Med. Microbiol. - 2004. - Vol. 53. - P. 1069–1073.
  25. Drider D., Fimland G., Héchard Y. The Continuing Story of Class IIa Bacteriocins // Microbiol. Mol. Biol. Rev. - 2006. - Vol. 70, N 2. - Р. 564–582.
  26. Klaenhammer T.R. Genetics of bacteriocins produced by lactic acid bacteria // FEMS Microbiol. Rev. - 2008. - N 22. - P. 39–86.
  27. Diep D.B., Havarstein L.S., Nes I.F. A family of bacteriocin ABC transporters carry out proteolytic processing of their substrates concomitant with export // Mol. Microbiol. - 2008. - N 26. - P. 230–261.
  28. Ennahar S., Descamps N. Anti-Listerial effect of enterocin A, produced by cheese-isolated  Enterococcus faecium EFMO1, relative to other bacteriocins from lactic acid bacteria // J. Appl. Microbiol. - 2010. - Vol. 76, Is. 3. - P. 449–457.
  29. Brasseui R. Bennik M. H. J., Berlinda V. A novel bacteriocin from vegetable associated Enterococcus mundtii: full characterization and interaction with target organisms // Biochim. Biophys. Acta: Biomembr. - 2008. - Vol. 1679, Is. 1. - P. 47–58.
  30. Zendo T., Eungruttanagorn N., Fujoka S. Identification and production of a bacteriocin from En-terococcus mundtii QU2 isolated from soybean // J. Appl. Microbiol. - 2005. - Vol. 99, Is. 5. - P. 1181–1516.
  31. Farias R. N., Farias M. E., Holgado R. Letters in Purification and N-terminal acid sequence of enterocin CRL35, a pediocin-like bacteriocin produced by Enterococcus faecium CRL35 // Appl. Microbiol. - 2005. - Vol. 56. - P. 417–419.
  32. Dicks L. M. T., Balla E., Toit M. Characterization and Cloning of the Genes Encoding Enterocin 1071A and Enterocin 1071B, Two Antimicrobial Peptides Produced by Enterococcus faecalis BFE 1071 // Appl. Environ. Microbiol. - 2013. - Vol. 93, N 4. - P. 1298–1304.
  33. Criado R., Dzung B., Diep A. et al. Complete Sequence of the Enterocin Q-Encoding Plasmid pCIZ2 from the Multiple Bacteriocin Producer Enterococcus faecium L50 and Genetic Characterization of Enterocin Q Production and Immunity // Ibid. - 2006. - Vol. 72, N 10. - P. 6653–6666.
  34. Глушанова Н.А., Шендеров Б.А. Взаимоотношения пробиотических и индигенных лактобацилл хозяина в условиях совместного культивирования in vitro // Журнал микробиол. - 2005. - № 2. – С. 56-61.
  35. Surugau L.N. Peptide separation by capillary electrophoresis with ultraviolet detection: some simple approaches to enhance detection sensitivity and resolution // The Malaysian Journal of Analytical Sciences. - 2011. - Vol. 15 (2). - P. 273-287.
  36. Сультимова Т.Д. Выделение активных бактериоцинобразующих лактококков и их  практическое использование: автореф. … канд. биол. наук. – М., 2006. - 30 с.
  37. Ермоленко Е.И. Бактериоцины энтерококков: проблемы и перспективы использования // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 11. - 2009. - Вып. 3.

Будьте здоровы!

 

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

  1. ПРОБИОТИКИ
  2. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
  3. БИФИКАРДИО
  4. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
  5. ПРОПИОНИКС
  6. ЙОДПРОПИОНИКС
  7. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
  8. БИФИДОБАКТЕРИИ
  9. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
  10. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
  11. СИНБИОТИКИ
  12. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
  13. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
  14. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
  15. МИКРОФЛОРА КИШЕЧНОГО ТРАКТА
  16. МИКРОФЛОРА И ФУНКЦИИ МОЗГА
  17. ПРОБИОТИКИ И ХОЛЕСТЕРИН
  18. ПРОБИОТИКИ ПРОТИВ ОЖИРЕНИЯ
  19. МИКРОФЛОРА И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
  20. ПРОБИОТИКИ и ИММУНИТЕТ
  21. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
  22. ДИСБАКТЕРИОЗ
  23. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
  24. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
  25. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
  26. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
  27. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
  28. СИНТЕЗ ЛЕТУЧИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
  29. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
  30. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
  31. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
  32. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
  33. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
  34. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
  35. НОВОСТИ