Бактериоцины. Образование, свойства, применение

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

АНТИБИОТИКИ И ХИМИОТЕРАПИЯ, 1999-N6, стр. 33-40.

В начало...

Некоторые особенности бактериоцинов

Предполагают, что механизм биологического действия ряда бактериоцинов связан с нарушением проницаемости цитоплазматических мембран. Бактериоцины неоднородны по механизму действия. Ряд авторов считает, что механизм действия бактериоцинов из лактококков - это образование пор в цитоплазматической мембране чувствительных клеток. Laсtococcus lactis образует два класса бактериоцинов: лантибиотики (низин и др.), пептиды, содержащие необычные аминокислоты (лантионин и др.), и класс термоустойчивых коротких полипептидов, не содержащие лантионина. Разница в механизме действия этих двух классов лактококковых бактериоцинов заключается в том, что механизм действия низина не предполагает рецептора, низин встраивается во внутреннюю мембрану, образуя ионные каналы или поры. Нелантибиотические бактериоцины - диплококцин, лактострепцин и лактококцины - образуют поры, взаимодействующие со специфическим рецептором [36].

Механизм действия лактококцина G, выделенного из L.lactis, связан с тем, что этот бактериоцин также нарушает проницаемость бактериальных цитоплазматических мембран. Авторы работы отмечают, что эти пептиды являются порообразующими токсинами, которые создают каналы в цитоплазматической мембране [37].

Плантарицин А из L.plantarum очищен до гомогенного состояния; он состоит из двух пептидовa иb, для проявления активности требовалось действие обоих пептидов. Изучена их структура, определена молекулярная масса. Исходя из структуры пептиды данного бактериоцина отнесены к пороформирующим пептидам, которые создают каналы в клеточной мембране [38].

Serratia marcescens 28b, представитель семейства энтеробактерий, продуцирует бактериоцин 28b, ингибирующий E.coli. Проведена работа по идентификации поверхностных компонентов E.coli, участвующих в связывании и транслокации бактериоцина. Работа проведена с мутантами E.coli, чувствительными и нечувствительными к данному бактериоцину. Выяснили, что "сердцевинный" полисахарид и белки внешней мембраны (изучено пять белков) участвуют в летальном действии бактериоцина; установлено, что одни белки участвуют в связывании вещества, а другие в транслокации его через мембраны [32].

Способность бактерий продуцировать бактериоцины определяется наличием в клетке бактериоциногенных факторов, определенных генетических детерминант. Еще в 70-х годах высказывалось мнение, что способность продуцировать, например, колицины определяется наличием у бактерий-продуцентов специфических генетических детерминант, т.н. колициногенных факторов, которыми, очевидно, являются эписомы. Способность продуцировать бактериоцин и устойчивость к гомологичному бактериоцину (иммунитет) - это основные признаки, отличающие бактериоциногенные микроорганизмы от небактериоциногенных.

До недавнего времени ничего не было известно об иммунных системах защиты собственных продуцентов от бактериоцинов. Как отмечается Saris et al., образование бактериоцинов является типичной двойной экспрессией иммунных белков, защищающих штаммы продуцентов от летального действия собственных продуктов. По данным названных авторов, у E.coli ингибирующее действие колицинов E₂ и E₃ подавляется стехиометрическим комплексом, образуемым с иммунными белками в цитоплазматической мембране [39].

Несколько иммунных белков идентифицированы у продуцентов некоторых лантибиотиков (низин, субтилин, эпидермин) [39].

В настоящее время с применением методов генной инженерии проводятся исследования, направленные на получение штаммов-продуцентов бактериоцинов с заданными свойствами.

В качестве примера получения бактериоцина генноинженерным способом можно указать на работу по выделению и идентификации гена, кодирующего биосинтез бактериоцинов в культуре Pediococcus acidilactici. Указанный ген клонирован в составе векторной плазмиды PSPQ11 и трансформирован в полученную рекомбинантную плазмиду E.coli. Полученный бактериоцин предполагают использовать для подавления роста бактерий рода Listeria в пищевых продуктах [40].

Описаны новые биологически активные гибридные бактериоцины, сконструированные путем объединения областей из различных педиоцино-подобных бактериоцинов. Известно, что бактериоцины, продуцируемые молочнокислыми бактериями и относящиеся к семейству педиоцинов, состоят из двух модулей: гидрофильного консервативного N-концевого и более вариабельного гидрофобного С-концевого. Применение методов генной инженерии позволило сконструировать четыре новых гибридных бактериоцина, обладающих биологической активностью и специфичностью в отношении различных штаммов бактерий, сходной со специфичностью родительского бактериоцина, от которого взят С-концевой фрагмент. Сделан вывод, что у педиоциноподобных бактериоцинов специфичность к клетке-мишени определяется С-концевым фрагментом [41].

Разработана новая методика скрининга продуцентов бактериоцинов. Методика успешно применена для скрининга 98 штаммов Lactobаcillus acidophilus [42].

При рассмотрении экологической роли бактериоцинов отмечают, что бактериоцины играют большую роль в природных бактериальных сообществах. Синтез этих веществ имеет значение для конкуренции внутри популяции и между ними. Обсуждаются вопросы эволюции бактериоцинов - разнообразие структур этих веществ, как эволюционная дивергенция, связанная с разнообразием конкурирующих между собой видов [43].

В естественных условиях бактериоциногения может быть одним из факторов, влияющих на формирование микробного ценоза. Поэтому большой интерес представляет выяснение значения этого явления для развития популяции. У бактериоциногенных популяций суммарная защитная активность проявляется в подавлении развития других бактерий, обладающих сходными пищевыми потребностями (родственные виды микроорганизмов). Это подавление обеспечивается бактериоцином, который продуцируют отдельные клетки этой популяции. Эти клетки погибают, но остальные клетки популяции не чувствительны к бактериоцину, который вытесняет другие микроорганизмы, чувствительные к данному веществу. Таким образом, бактериоциногенные бактерии обладают важным селективным преимуществом в условиях микробных ассоциаций, естественно складывающихся в процессе эволюции.

Необходимо отметить значение микробного ценоза в инфекционной патологии. Способность ряда бактерий синтезировать бактериоцины или другие антимикробные вещества дает этим штаммам селективное преимущество при развитии. Обладая таким преимуществом, патогенные бактерии, например, Yersinia pestis и Vibrio сholerae могут подавлять нормальную микрофлору и распространяться в кишечнике человека и животных. Возможно эти бактерии могут выделять токсические бактериоцины.

Уже рассматривались вопросы использования бактериоциногении в пищевых производствах для проведения нормальных ферментаций, а также для консервации пищи. Нужно отметить, что в пищевой и консервной промышленности применяются в основном микроорганизмы из семейства молочнокислых бактерий или образуемые ими бактериоцины, и что дальнейшие исследования в этой области очень перспективны.

В литературе обсуждался и другой вопрос практического использования бактериоциногении - в медицине. Использование этого феномена может быть полезным при анализе условий, способствующих возникновению бактериальных инфекций, при изучении динамики микрофлоры у здоровых и больных людей, при разработке некоторых вопросов патогенеза кишечных и других инфекций, а также для целей эпидемиологического анализа. Большое теоретическое и практическое значение имеет изучение бактериоциногении при различных патологиях у человека и животных для нормализации микробного ценоза.

АНТИБИОТИКИ И ХИМИОТЕРАПИЯ, 1999-N6, стр. 33-40.

ЛИТЕРАТУРА

2. Блинкова Л.П. Перспективы использования бактериоцинов для профилактики и терапии инфекций. Микробиол эпидемиол, иммунол 1984; 5: 10-15.

3. Marugg J.D. Bacteriocins, their role in developing natural products. Food biotechnol 1991; 3: 305-312.

4. Yang R., Ray B. Factors influencing production of bacteriocins by lactic acid bacteria. Ibid 1994; 4: 281-291.

5. Gonsales B., Arca P., May O.B. Detection, purification and partial characterization of plantaricin C, а bacteriocin produced by a Lactobacillus plantarum strain of dairy origin. Appl. Environ Microbiol 1994; 60: 6: 2158-2163.

6. Pammelsberg M., Muller E., Radler F. Caseicin 80: purification and characterization of a new bacteriocin from Lactobacillus casei. Arch Microbiol 1990; 154: 3: 249-252.

7. Ali D., Lacroix C., Thuault D. et al. Characterization of diacetin B, a bacteriocin from Lactococcus lactis subsp. lactis bv diacetilactis UL 720. Can J Microbiol 1995; 41: 9: 832-841.

8. Parrot M., Caufield P.W., Lavoie M.C. Preliminary characterization of four bacteriocins from Streptococcus mutans. Can J Microbiol 1990; 36: 2: 123-130.

9. De Vuyst L., Callewaert P., Crabbe K. Primary metabolitе kinetics of bacteriocin biosynthesis by Lactabacillus amylovorus and evidence for stimulation of bacteriocin production under unfavourable growth conditions. Microbiology 1996; 142: 4: 817-827.

10. Rawis R.Y. Identification and characterization of bacteriocins produced by lactic acid bacteria. Chem Eng New 1997; 75: 22: 35-39.

11. Nemeth A., Gasparik-Reichardt J., Farkas J. et al. Identification and characterization of bacteriocins produced by lactic acid bacteria. Fleischwirtschaft 1996; 70: 10: 1042-1044.

12. Aumerich T., Holo H., Hoavarstein L.S. et al. Biochemical and genetic characterization of enterocin A from Enterococcus faecalis, a new antilisterial bacteriocin in the pediocin family of bacteriocins. Appl Environ Microbiol 1996; 62: 5: 1676-1682.

13. Joosten H., Nunes M., Devreese B. et al. Purification and characterization of enterocin 4, a bacteriocin produced by Enterococcus faecalis INIA 4. Appl Environ Microbiol 1996; 6: 6: 11: 4220-4223.

14. Laka L., Calves I., Martines-Bueno A. et al. Purification, characterization and biological effects of a second bacterium from Enterococcus faecalis subsp. liquefaciens S-48 and its mutant strain B-48-28. Can J Microbiol 1941; 37: 10: 769-774.

15. Joosten N., Nunes M. Prevention of histamine formation in cheese by bacteriocin-producing lactic acid bacteria. Appl Environ Microbiol 1996; 62: 4: 1178-1181.

16. Giraffa G. Enterococcal bacteriocins: their patential as antilisteria factors in dairy technology. Food Microbiol 1995; 12: 4: 291-299.

17. Vogel R.F. Pohle B.S., Tichaczek P.S. et al. The competitive advantage of Lactobacillus curvatus LTH 1174 in sausage fermentation is caused by formation of curvacin A. Syst Appl Microbiol 1993; 16: 3: 457-462.

18. Giraffa G., Gatti M., Beltzame A. Antimicrobial activity of lactic acid bacteria isolated from fermented meat products. Ann Microbiol Enzimol 1994; 44: 1: 29-34.

19. Ruiz-Barba J.L., Cathcart D.P., Warner P. Use of Lactobaccillus plantarum LPCO10, a bcteriocin producer, as a starter culture in Spanish-Style green olive fermentation. Appl Environ Microbiol 1994; 60: 6: 2054-2064.

20. Sasaki M., Ishii S., Yamauchi Y. et al. Lactic acid bacteria, antibacterial substance, produced by the bacteria, fermented milk starter containing the bacteria and process for producing fermented milk by using the starter . Пат 5338682 США, МКИ5, с 12p/04 c 12P, 7/56 от 1994 г.

21. Vedamuthu E.R. Method of producing a yogurt product containing bacteriocin PA-1. Пат 5445835 США, МКИ6; A23С9/12 от 29.8.1995 г. НКИ 429/9.

22. Davidson P.M. Antimicrobial substance. Microbiol Ecol Health Dis 1992; 5: 6: 3-4.

23. Carneiro M.A., Cook G.V.A., Miles R.J. et al. Nisin stimulates oxygen consumption by S.aureus and E.coli. Appl Environ Microbiol 1966; 62: 5: 1831-1834.

24. Hooven H.W., Lagerwerf F.M., Herma W. et al. The structure of the lantibiotic lacticin 481 produced by Lactococcus lactis: location of the thioether bridges. Febs Lett 1996; 391; 3: 317-322.

25. Ryan M.P., Rea M.C., Hill C. et al. An application in cheddar cheese manufacture for a strain of Lactococcus lactis producing a novel broad-spectrum bacteriocin, lacticin 3147. Appl Environ Microbiol 1996; 62: 612-619.

26. Ishizaki A., Matuzaci H., Uryu K., Inui T. Biochemical properties of a new lantibiotic produced by Lactococcus lactis 10-1. РЖ Биотехнология 1993; 4Р1193: 22.

27. Sahl H.G. Staphylococcin 1580 is identical to the lantibiotic epidermin: implications for nature of bacteriocins from gram-positive bacteria. Appl Environ Microbiol 1994; 60: 2: 752-755.

28. Horner T., Ungermann V., Zahner H. et al. Comparative studies on the fermentative production of lantibiotics by staphylococci. Appl Microbiol Biotechnol 1990; 32: 5: 511-517.

29. Valdes-Stauber N., Scherer S. Nucleotide sequence and taxonomical distribution of the bacteriocin gene lin cloned from Brevibacterium linens M18. Appl Environ Microbiol 1996; 62: 4: 1283-1286.

30. Meghrous J., Euloge R., Junelles A. et al. Screening of Bifidobacterium strains for bacteriocin production. Biotechnol Lett 1990; 12: 8: 575- 580.

31. Guasch J.F., Enfedaque J., Fetter S. et al. Bacteriocin 286, a chromosomally encoded bacteriocin produced by most Serratia marcescens biotypes. Res Microbiol 1995; 146: 6: 477-483.

32. Enfedaque J., Ferrer S., Francesc Q. et al. Identification of E.coli surface components involved in bacteriocin binding and translocation. Can J Microbiol 1996; 42: 1: 19-26.

33. Шарга Б.М., Туряица А.И. Исследование антимикробного спектра действия бактериоцинов и бактериофагов некоторых штаммов Klebsiella. Микробиол журн 1993; 55: 5: 59-68.

34. Rodelas B., Gonsales-Lopes J., Salmeron V. et al. Bacteriocin produced by a strain of Rhizobium leguminosarum bv viceae. PЖ Биология 1996; 5: 04Б3: 143: 22.

35. Torreblanca M., Mesequer I., Rodrigues-Valera F. Halocin H-6, a bacteriocin from Haloferax gibbonsii. J Gen Microbiol 1989; 135: 10: 2655-2661.

36. Venema K., Venema G., Kok J. Lactococcal bacteriocins: mode of action and immunity. Trends Microbiol 1995; 3: 8: 299-303.

37. Nissen-Meyer J., Holo H., Havarstein L.S. et al. A novel lactococcal bacteriocin whose activity depends on the complemetary action of two peptides. J Bacteriol 1992; 174: 17: 5686-5692.

38. Nissen-Meyer J., Larsen A., Sletten K. et al. Purification and chracterization of plantaricin A, a Lactobacillus plantarum bacteriocin whose activity depends on the action of two peptides. J Gen Microbiol 1993; 139: 9: 1973-1978.

39. Saris P.E.Y., Immonen T., Reis M., Sahl H.G. Immunity of lantibiotics. Intern. J Gen Mol Microbiol 1996; 69: 2: 151-159.

40. Marugg J.D., Ledeboer A.M., Vandenbergh P.A. et al. Cloned gene encoding for bacteriocin from Pediococcus acidilactici. Пат США 52602/2, МКИ5, с12N, 15/31, с 12N 15/63.

41. Fimland G., Blingsmo O.B., Sletten K. et al. New biological activity hybrid bacteriocins constructed by combining regions from various pediocin-like bacteriocins: The C-terminal region is important for determining specificity. Appl Environ Microbiol 1996; 62: 9: 331- 338.

42. Kowai Y., Saito T., Uemura J. et al. Rapid detection method for bacteriocin and distribution of bacteriocin-producing strains in Lactobacillus acidophilus group lactic acid bacteria isolated from human feces. Biosci Biotechnol Biochem 1997; 6: 1: 179-182.

43. Dykes G.A. Bacteriocins: ecological and evolutionary significanse. Trends Ecol Evol 1995; 10: 5: 186-189.