biotechnologia


 
 

Bakterie z rodzaju Lactobacillus

Autor: Marcelina Olszak


Rodzaj Lactobacillus to najliczniejsza grupa spośród bakterii kwasu mlekowego. Obecnie obejmuje on 145 gatunków oraz 27 podgatunków. Bakterie Lactobacillus są bardzo powszechne w środowisku, często w pożyteczny sposób działają na organizm człowieka i zwierząt. Charakteryzuje je prosty metabolizm, większość jest zdolna do zamiany prostych cukrów w kwas mlekowy. Mają duże wymagania pokarmowe co do czynników wzrostowych. Najczęściej występują one w miejscach bogatych w aminokwasy, węglowodany oraz pochodne nukleotydów. Z drugiej strony mikroorganizmy te są w stanie przystosować się do trudnych warunków, co zwiększa zakres ich występowania w środowisku. Naturalnymi siedliskami bakterii Lactobacillus są zdrowe i gnijące rośliny, mleko i jego produkty, oraz układ moczowo-płciowy i przewód pokarmowy ludzi i zwierząt [5].


Morfologia Lactobacillus

Rodzaj Lactobacillus wykazuje duży stopień zróżnicowania morfologicznego. W zależności od składu pożywki hodowlanej oraz wieku hodowli bakterie te mogą tworzyć długie, wąskie i proste laseczki, jak również formy wygięte, a nawet krótkie i grube. Ich wymiary charakteryzuje przedział: 0,5-1,2×1-10m. Na podłożu stałym rosną w postaci gładkich, matowych lub śliskich kolonii o zabarwieniu kremowym lub bezbarwnym. Wielkość kolonii waha się od 2 do 5 mm. Mikroorganizmy te nie wytwarzają spor ani rzęsek. Ze względu na posiadanie wielowarstwowych pokładów peptydoglikanu oraz brak zewnętrznej błony zaliczone zostały do grupy bakterii Gram-dodatnich [3].


Metabolizm Lactobacillus

Do rodzaju Lactobacillus należą gatunki o różnorodnym metabolizmie glukozy: obligatoryjnie homofermentatywne, fakultatywnie heterofermentatywne oraz obligatoryjnie heterofermentatywne. Głównym produktem metabolizmu jest kwas mlekowy, a może wystąpić również kwas mrówkowy, octowy, etanol oraz dwutlenek węgla [3]. Mikroorganizmy należące do rodzaju Lactobacillus to areotoleranty lub beztlenowce, acidofile, ale są również gatunki dobrze tolerujące środowiska kwaśne. Do optymalnego wzrostu wymagają podłóż bogatych w peptydy, węglowodany, aminokwasy, estry, a także składowe kwasów nukleinowych, kwasy tłuszczowe i witaminy [10]. W warunkach laboratoryjnych najlepszym podłożem hodowlanym jest MRS-agar (de Man, Rogosa, Sharpe). Optymalna temperatura wzrostu to 30-40C, pH: 5,5-6,2. Charakteryzuje je brak katalazy - enzymu, który przyspiesza rozkład nadtlenku wodoru. Zamiast niego posiadają dysmutazę nadtlenkową odpowiedzialną za usuwanie reaktywnych form tlenu. Bakterie te są zdolne by wytwarzać rozpuszczalny azot w małych ilościach. Niektóre są w stanie produkować pozakomórkowo hetero- i homopolisacharydy, a także bakteriocyny [3].


1. Fermentacja cukrów
Bakterie z rodzaju Lactobacillus energię potrzebną do życia pozyskują z utleniania związków chemicznych - są chemotrofami. Niektóre z nich fermentują cukry proste na drodze homofermentacji – głównym produktem jest kwas mlekowy, a inne na drodze heterofermentacji - wydzielają także kwas mrówkowy i octowy, dwutlenek węgla, oraz etanol[7].
Homofermentacja opiera się na degradacji glukozy szlakiem Embdena-Meyerhofa-Parnasa (EMP). W wyniku tego procesu z jednego mola glukozy powstają dwa mole kwasu pirogronowego, który utleniając NADH (dinukleotydnikotynoamidoadeninowy) sam redukuje się do kwasu mlekowego. Najważniejszym enzymem w powstawaniu produktu głównego jest dehydrogenaza mleczanowa. Na skutek dekarboksylacji pirogronianu powstają również produkty uboczne, takie jak: dwutlenek węgla, octan i etanol, a ich ilość zależy od dostępu tlenu.
W procesie heterofermentacji rozkład glukozy przebiega zgodnie ze szlakiem pentozofosforanowym. W wyniku reakcji z jednego mola heksozy wytwarzany jest mol kwasu mlekowego, mol dwutlenku węgla oraz mol etanolu. Zdolność do heterofermentacji u bakterii mlekowych wynika z braku niektórych enzymów szlaku EMP, izomerazy trifosforanowej i aldolazy.
W obrębie rodzaju Lactobacillus występują gatunki, które potrafią uzyskać mieszaninę racemiczną izomerów kwasu, posiadają one dwie dehydrogenazy mleczanowe. Bakterie z jednym enzymem wytwarzają jeden z izomerów [8].

2. Metabolizm azotu
Bakterie mlekowe do wzrostu potrzebują egzogennych peptydów i aminokwasów powstałych z proteolizy białek materiałów w środowisku. W razie niedoboru tych związków niektóre aminokwasy syntetyzowane są z nieorganicznych form azotu [4].
Lactobacillus pozyskując aminokwasy wykorzystują swój system proteolityczny. Poprzez degradację białek i peptydów, np. albumin, globulin, kazeiny, bakterie otrzymują niezbędne do wzrostu substancje [1]. Zdolności do proteolizy białek wykorzystuje się w przemyśle, przy produkcji żywności. Rozkład białek nadaje zapach, teksturę i smak np. serom typu Cheddar [5].
Bakterie mlekowe są w stanie uzyskiwać energię w ubogim podłożu dzięki zdolności do katabolizmu aminokwasów. Przykładem takiego związku jest arginina. Jej rozkład odbywa się za pomocą ścieżki deaminazy argininy. W wyniku procesu otrzymywany jest mol ATP. Lactobacillus heterofermentatywne są zdolne do degradacji argininy, homofermentatywne nie są w stanie czerpać w ten sposób energii [4].

3. Produkcja bakteriocyn
Bakteriocyny - związki niskocząsteczkowe złożone z peptydów bądź kompleksów polipeptydowych. Ich masa molekularna jest niewielka i zazwyczaj nie przekracza 10kDa. Substancje te syntetyzowane są na rybosomach jako pre-propeptydy, głównie w początkowej fazie wzrostu. Ulegają obróbce metabolicznej, a potem bakteria wydziela je do otoczenia. Związki te wykazują właściwości przeciwbakteryjne, głównie w stosunku do mikroorganizmów najbardziej spokrewnionych z producentem. Przykładem są bakteriocyny wytwarzane przez większość szczepów z gatunku Lactobacillus acidophilus, hamujące rozwój L. lactis, L. Helvetius, L. fermentum oraz innych szczepów z gatunku L. acidophilus. Aktywność bakteriocyn wydzielanych przez bakterie fermentacji mlekowej opiera się na formowaniu porów w obrębie dwuwarstwy lipidowej oraz znoszeniu siły protonomotorycznej. Ciekawym zjawiskiem jest to, że szczep producent jest oporny na wytwarzaną bakteriocynę, ponieważ koduje białka, które blokują jej aktywność wewnątrz komórki [9].

4. Produkcja polisacharydów
Bakterie kwasu mlekowego w tym rodzaj Lactobacillus zdolne są także do produkcji pozakomórkowych związków - egzopolisacharydów (EPS). Są to wielkocząsteczkowe związki, zbudowane z biopolimerów, ich łańcuchy zawierają powtarzające się wiązania alfa- i beta-glikozydowe. Dla mikroorganizmów stanowią one naturalną otoczkę bądź wydzielane są w formie śluzu. W naturalnych warunkach chronią komórki przed stresem osmotycznym, odwodnieniem, atakiem innych mikroorganizmów (np. fagi, pierwotniaki), a także występującymi w otoczeniu związkami toksycznymi i antybiotykami [12].
W obrębie EPS syntetyzowanych przez bakterie mlekowe ze względu na budowę rozróżniane są homopolisacharydy oraz heteropolisacharydy. Pierwsze z nich zbudowane są z powtarzającej się jednostki monosacharydu D-glukopiranozy lub D-fruktofuranozy. Druga grupa składa się z różnych monosacharydów o strukturze liniowej lub rozgałęzionej na łańcuchy boczne. Bakterie z rodzaju Lactobacillus wytwarzają głównie heteropolisacharydy o zróżnicowanej budowie chemicznej. Przykładami gatunków wytwarzających EPS są L. rhamnosus, L. Helvetius, L. acidophilus [6].


Genetyka Lactobacillus

Wielkość chromosomów bakterii mlekowych mieści się w przedziale od 1.269.484 pz (L. iners DSM 13335) do 3.308.274 pz (L. plantarum WSFS1). Są to stosunkowo niewielkie genomy, średnio u Lactobacillales rozmiar ten wynosi ok. 2mln pz. Kodowane są w nich przede wszystkim białka strukturalne oraz funkcjonalne. Charakterystyczną cechą dla bakterii mlekowych jest mała ilość par guanina-cytozyna (GC), która najczęściej wynosi mniej niż 53%. Mały genom wskazuje na przystosowanie tych mikroorganizmów do środowiska bogatego w substancje odżywcze. Świadczy o tym duża ilość genów transporterów wykorzystywanych do pobierania węgla i azotu oraz niewielka ilość genów biosyntezy. Ponadto w genomach jest kilka szlaków uniwersalnych (np. glikoliza). Jednak mimo dużego podobieństwa poszczególne gatunki zasiedlają różnorodne nisze ekologiczne, co świadczy o genetycznych adaptacjach tych mikroorganizmów w czasie ewolucji [7]. Znaczna ilość genów odpowiedzialnych za metabolizm bakterii fermentacji mlekowej zlokalizowanych jest na plazmidach. Definiuje się je jako ruchome elementy genetyczne występujące pozachromosomowo. Występują one w komórce w różnych ilościach zależnych od szczepu bakterii i konkretnego plazmidu. Charakteryzuje je autonomiczna replikacja oraz stabilność w komórce gospodarza. Rola plazmidu w komórce bakteryjnej zależy przede wszystkim od genów jakie w nim występują. Geny plazmidowe nie niosą informacji o metabolizmie podstawowym, odpowiadają natomiast za fermentację cytrynianu i laktozy, biosyntezę i aktywację peptydaz oraz proteaz, wytwarzanie bakteriocyn, egzopolisacharydów, diacetylu, a także oporność na bakteriofagi i jony niektórych metali [11].
Pierwsze plazmidy odkryte u bakterii Lactobacillus znaleziono u L. casei. Większość pałeczek z tego rodzaju ma co najmniej jeden plazmid, ale ich liczba może sięgać nawet dziesięciu. Badania potwierdzają, że w przeważającej ilości pałeczek Lactobacillus obecne są małe plazmidy o wielkości poniżej 10000pz. Duże plazmidy znalezione zostały u L. plantarum, L. acidophilus oraz L. Gasperi CNRZ222. Wśród rodzaju Lactobacillus dominują elementy krytyczne, zawierające geny kodujące białka potrzebne jedynie do ich powielania. W mniejszej ilości występują również plazmidy kodujące geny odpowiedzialne za specyficzne właściwości tych mikroorganizmów, np.: metabolizm węglowodanów, oporność na antybiotyki, produkcję śluzu oraz wytwarzanie bakteriocyn [9].


Literatura:
1. Altermann E., Russell W.M., Azcarate-Peril M.A., Barrangou R., Buck B.L., McAuli.e O., Souther N., Dobson A., Duong T., Callanan M., Lick S., Hamrick A., Cano R., Klaenhammer T.R.: Complete genome sequence of the probiotic lactic acid bacterium Lactobacillus acidophilus NCFM. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 3906−3912, 2005.
2. Bemardeau M., Vernoux J.P., Dubemet S.H., Gueguen M.: Safety assessment of dairy microorganisms: the Lactobacillus genus. Int. J. Food Microbiol. 126, 278–285, 2008.
3. Buda B., Dylus E., Górska-Frączek S., Brzozowska E., Gamian A.: Właściwości biologiczne białek powierzchniowych bakterii z rodzaju Lactobacillus, PostepyHigMedDosw (online); 67: 229-237 e-ISSN 1732-2693, 2013.
4. de Nadra M.: Nitrogen metabolism in lactic acid bacteria from fruits: a review. Commun. Curr. Res. Educ. Topics Trends Applied Microbiol. 1, 500–510, 2007.
5. Gajewska J., Błaszczyk M.K.: Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej LAB,Post. mikrobiol., 51, 1, 55–65, 2012.
6. Górska S., Grycko P., Rybka J., Gamian A.: Egzopolisacharydy bakterii kwasu mlekowego – biosynteza i struktura, PostepyHigMedDosw. (online); 61: 805-818 e-ISSN 1732-2693, 2007.
7. Makarova K., Mills D., i wsp.: Comparative genomics of the lactic acid bacteria. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 103, 15611−15616, 2006.
8. Schlegel H.: Mikrobiologia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2005.
9. Słońska A., Klimuszko D.: Bakteriocyny probiotycznych pałeczek z rodzaju Lactobacillus. Postępy mikrobiologii, 40, 2, 87-96, 2010.
10. Tannock G.W.: A special fondness for Lactobacilli. Appl. Environ. Microbiol. 70, 3189–3194, 2004.
11. Walczak P.:Plazmidy bakterii mlekowych , Biotechnologia 3 (70) 118–143, 2005.
12. Yadav V., Prappulla S.G., Jha A., Poonia A.: A novel exopolysaccharide from probiotic Lactobacillus fermentum CFR 2195: Production, purification and characterization, Research Article, Biotechnol. Bioinf. Bioeng., 1(4):415-421 ˆ 2011 Society for Applied Biotechnology. Printed in India; ISSN 2249-9075, 2011.

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

86 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u