Майкъл Л. Чикиндас

1 Лаборатория за насърчаване на здравето, Naturals School, School of Environmental and Biological Sciences, Rutgers State University, 65 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA

2 Център за здравето на храносмилателната система, Ню Джърси институт за храна, хранене и здраве, 61 Dudley Road, Ню Брънзуик, NJ 08901, САЩ

Ричард Уикс

1 Лаборатория за насърчаване на здравето, Naturals School, School of Environmental and Biological Sciences, Rutgers State University, 65 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA

Джамел Драйдър

3 Унив. Артоа, INRA, Унив. Лил, Унив. Littoral Cote d’Opale, EA 7394 - ICV - Институт Шарл Виолет, F-59000 Лил, Франция

Владимир А. Чистяков

4 Академия по биология и биотехнологии на Д. И. Ивановски, Южен федерален университет, Ростов на Дон 344090, проспект Стачки 194/1, Русия

Леон М.Т. Дикове

5 Катедра по микробиология, Университет Стеленбош, 7600 Стеленбош, Южна Африка

Резюме

Бактериоцините, определени като рибозомно синтезирани антимикробни пептиди, традиционно се използват като хранителни консерванти, добавени или произведени от начални култури по време на ферментацията. Задълбочените проучвания на няколко избрани бактериоцини отвориха нови изследователски полета и разшириха приложението на тези антимикробни пептиди. Възможността за развитие на бактериоцини в антибиотици от следващо поколение, придружени с бързото развитие в генетиката и нанотехнологиите, проправя пътя към още по-завладяващи приложения като нови молекули носители (системи за доставка) и лечение на рак. Също така е установено, че някои бактериоцини регулират чувствителността на кворума, което предполага нови приложения за тази група вещества. Въпреки че има някои интересни транслационни изследвания върху бактериоцини от грамнегативни бактерии, повечето проучвания, ориентирани към приложението, са фокусирани върху бактериоцини от грампозитивни микроорганизми, най-вече млечнокисели бактерии. Приложенията на бактериоцините се разширяват от храната към човешкото здраве.

Въведение

Всички живи организми произвеждат антимикробни протеини (AMP), много от които се наричат ​​антимикробни пептиди поради относително малкия им размер. В рамките на еукариотната имунна система се смята, че AMP служат като първа защитна линия за защита на гостоприемника срещу враждебни натрапници [1]. Бактериите произвеждат два вида AMP: тези, които са рибозомно синтезирани (известни също като бактериоцини) и не-рибозомно синтезирани AMP, без структурни гени, кодиращи тези AMP, напр. ε-поли-L-лизин [2].

Определения: настоящите класификации могат да объркат

Някои изследователи предпочитат да разделят „истински” бактериоцини като колицини, открити за първи път от Gratia през 1925 г. [3], и колициноподобни бактериоцини от така наречените бактериоциноподобни инхибиторни вещества (BLIS) [4]. Съществува продължителен интерес към бактериоцини от млечнокисели бактерии (LAB) и някои автори предлагат самостоятелна класификация на тези AMP [5 •]. Освен това голямото разнообразие от бактериоцини, техният произход, сложността на производството и механизмите на действие, оправдават необходимостта от самостоятелни класификации за няколко други групи бактериоцини. Подходящо е да се заключи, че бактериоцините като цяло трябва да се определят като произведени от рибозома многофункционални вещества с протеиново естество, с изразена антимикробна активност при определени концентрации. В допълнение, не е необходимо да се определят бактериоцини с нетен положителен заряд и амфипатичен характер, тъй като има анионни бактериоцини като субтилозин А, докладвани в литературата [6].

Бактериоцини: Приложенията се определят от функциите

„Основни“ и „вторични“ функции: сигнализиране и защита на екологична ниша

Естествени нива на производство: достатъчно за убиване или просто за отблъскване?

Данните за производството и концентрацията на бактериоцини в обичайната екологична среда на производителя са оскъдни. Независимо от това, проучвания, имитиращи естествената среда, ще хвърлят светлина върху нашите предположения за основната функция на бактериоцините. Когато се анализират кривите на инактивация на микроби като отражение на бактериалния отговор на стресора на околната среда низин при суб-MIC концентрации, се наблюдава стъпаловиден отговор от хранителния патоген Listeria monocytogenes [16]. Докато целта на това проучване беше да оцени оцеляването на патогена в хранителната среда с постепенно намаляващи концентрации на низин, това може да се разглежда и като екстраполация на естественото състояние, при което нарушителите са изправени пред сравнително ниски концентрации на бактериоцин, дифузиран в околната среда . Въз основа на наличната литература предполагаме, че основните функции на бактериоцините са сигнализиране и отблъскване, а не убиване. Качествено различно поведение се наблюдава при концентрации, далеч надвишаващи тези в микробния живот на „свободно отглеждане“.

Разширените функции на бактериоцините: приложения за човешкото здраве

Съобщава се, че някои бактериоцини, като субтилозин А от Bacillus subtilis, имат антивирусна [23] и спермицидна [24] активност. Антивирусната активност на Subtilosin вероятно се дължи на намеса в късните етапи на репликация на вируса. Концентрациите на субтилозин А, които обездвижват и деактивират човешките сперматозоиди, са неактивни срещу лактобацили, изолирани от стомашно-чревния тракт на човека. За разлика от това е показано, че спермицидните концентрации на низин инхибират млечнокиселите бактерии [25]. Освен това са предприети няколко опита за систематизиране на функцията на бактериоцините във връзка с тяхната структура и са докладвани някои системни подходи за подобряване на функционирането на редица бактериоцини [26 •]. Като разгледахме широко този и други критични прегледи, успяхме да очертаем „екология на бактериоцините“ въз основа на наличната в момента информация (Фиг. 1).

функции

Бактериоцини: сигнализиране и убиване.

Приложения за храни: консервиране и след това

маса 1

Примери за предлагани в търговската мрежа микроорганизми, произвеждащи бактериоцин [37,38].

Име на продукта Микроорганизъм Бактериоцин Производител Приложение
BioSafe ™Lactococcus lactis subsp. lactis BS-10Нисин АChr. ХансенВила, фета и узрели сирена, предотвратяване на късно издухване и неприятни вкусове поради клостридии
HOLDBAC ™ (по-рано „Bio Profit“ от Valio, със същия вид, но различни щамове)Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii DSM 706 и Lactobacillus rhamnosus DSM 7061Недефинирани бактериоцини - вижте US20150150298 A1, дата на публикуване: 4 юни 2015 г.Dupont Nutrition Biosciences ApsИнхибиране на мухъл и психротропи в изварата
Bactoferm ™ F-LCPediococcus acidilactici, Lactobacillus curvatus и Staphylococcus xylosL. curvatus произвежда сакацин А, а P. acidicactici е вероятно да произвежда педиоцин PA-1/AcHChr. ХансенКонтрол на Listeria monocytogenes и като предястие за месо
ALCMix1Lactobacillus plantarum и Staphylococcus carnosusПроизвеждат плантарицин и карноцин бактериоцини, съответноDanisco DuPontАнтилистериални култури за ферментирали колбаси и варена шунка
Bactoferm ™ B-SF-43Leuconostoc carnosumЛевкоцинChr. ХансенКонтрол на листерия във вакуум и модифицирана атмосфера, съхранявани месни продукти
Bactoferm ™ B-2Lactobacillus sakeiСакацинChr. ХансенКонтрол на листерия във вакуум и модифицирана атмосфера, съхранявани месни продукти
Bactoferm ™ B-FMStaphylococcus xylosus и L. sakeiСакацинChr. ХансенКонтрол на листерия във вакуум и модифицирани атмосферни пресни месни продукти

В допълнение към подобряването на антимикробната активност на бактериоцините чрез манипулация на последователността, тяхната ефективност в хранителната среда може да бъде подобрена чрез интелигентно контролирано доставяне. В моделно проучване с низин и Micrococcus luteus, един от най-чувствителните референтни микроорганизми, беше показано, че най-ефективното инхибиране възниква, когато начална фаза на бързо освобождаване е последвана от фаза на бавно освобождаване в по-малки количества, достатъчно, за да се контролира останалото население [45]. Въпреки че подходящите системи за доставка на хранителни продукти все още се разследват, те са на разположение за различни фармацевтични приложения [46].

Една нова и нововъзникваща потенциална роля на бактериоцините вероятно ще бъде насочена към функционални храни, при които производителите на бактериоцин ще бъдат консумирани или с храната, или като лекарствена рецепта без рецепта с цел положителна модулация на стомашно-чревния тракт (GI) ) микробиота [47 ••]. В първите съобщени експерименти, продуциращи бактериоцин Lactobacillus salivarius UCC118 успява да модифицира GI микробиотата при индуцирани от диета затлъстели мишки, докато неговото производно без бактериоцин не причинява описаните промени [48].

Заключение

Бактериоцините са един от многото естествени защитни механизми, които бактериите използват, за да се конкурират с микроорганизмите в една и съща среда. От първото откритие на низин са описани много бактериоцини с уникални структури и различни начини на активност и са докладвани гените, кодиращи производството, секрецията и имунитета на повечето. През последното десетилетие много изследователи насочиха вниманието си към бактериоцините за съхранение на храна към лечението на инфекции и устойчиви на антибиотици болестотворни бактерии. Тази вълнуваща нова ера на бактериоциновите изследвания несъмнено ще доведе до нови изобретения и нови приложения. С бързата скорост, с която геномните последователности стават достъпни, извличането на геноми става по-лесно и с най-новите техники в генния синтез и експресията на протеини можем да очакваме нови бактериоцини с много специализирани приложения.

Бактериоцини: от проста употреба до сложни целеви приложения.

1 - мляко или друг хранителен бактериоцин-съдържащ ферментат; 2 - бактериоцин-продуцираща защитна микробна култура; 3 - частично пречистен хранителен бактериоцин; 4 - активна пробиотична култура, произвеждаща бактериоцин (евентуално спорообразувател); 5 - бактериоцин със синергично действащи природни антимикробни средства; 6 - внедряване на системи за контролирано доставяне за подобрена стабилност и ефективност на бактериоцините.

Акценти

Бактериоцините играят неразделна, многостранна роля в микробната екология

Целевата и контролирана доставка трябва да подобри ефикасността на бактериоцините

Разнообразните функции на бактериоцините вдъхновяват многомерните им приложения

Благодарности

MLC и RW бяха подкрепени от Националните здравни институти [номер на безвъзмездна помощ R21 AI126053]; VAC от Министерството на образованието и науката на Руската федерация [номера на проекти 19.6015.2017/8.9 и 6.5449.2017/6.7]; и DD от ANR Sincolistin, ANR-CE-oo15 и CPER-FEDER Albiotech. Авторите са благодарни на Димитрий Кащанов за графичния дизайн на фигурите.

Бележки под линия

Отказ от отговорност на издателя: Това е PDF файл на нередактиран ръкопис, който е приет за публикуване. Като услуга за нашите клиенти ние предоставяме тази ранна версия на ръкописа. Ръкописът ще бъде подложен на редактиране, набиране и преглед на полученото доказателство, преди да бъде публикуван в окончателния си вид. Моля, обърнете внимание, че по време на производствения процес могат да бъдат открити грешки, които биха могли да повлияят на съдържанието, и всички правни откази от отговорност, които се отнасят до списанието, се отнасят до.