CC BY
229
УДК 581.19
Абдуллаева Н.Ф. ©
Доктор философии, кафедра биохимии и биотехнологии, Бакинский государственный университет
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ БАКТЕРИОЦИНОВ
МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ (ОБЗОР)
Аннотация
В представленном обзоре обобщены современные данные о механизмах действия бактериоцинов, продуцируемых молочнокислыми бактериями. Приведены данные последних лет, а также представлена их современная классификация.
Ключевые слова:лактобациллы, бактериоцины, пищевые консерванты.
Keywords:lactobacilli, bacteriocins, food preservatives.
Бактериоцины - это синтезируемые на рибосомах биологически активные вещества белковой природы, обладающие антибактериальной и фунгицидной активностями [10,3 579].В последние годы они находятся в центре внимания многих исследователей, вследствие использования их в качестве натурального пищевого консерванта, а также для приготовления новых антимикробных лекарственных препаратов [7,239].
На сегодняшний день наряду с поиском новых классов низкомолекулярных антибиотиков, значительное внимание исследователей привлекают бактериоцины -антибиотические вещества узкого спектра действия. Для бактериоцинов грамположительных бактерий характерен более широкий спектр действия [3,1375; 4,225; 26,152]. Данные, полученные при их исследовании, имеют не только общебиологическое значение, позволяя глубже понять взаимоотношения отдельных штаммов внутри вида или популяции, но и представляют практический интерес. Бактериоцины применяются для типирования микроорганизмов, диагностики ряда инфекций, биологического контроля заболеваний сельскохозяйственных растений [2,2237; 14,69].Термин «бактериоцин» обобщает большую группу отличающихся друг от друга и синтезируемых на рибосомах антимикробных белков или пептидов, некоторые из которых подвергаются посттрансляционным модификациям [19,196; 11,6806]. Возможность исполь-зования этих антимикробных агентов в решении проблем, связанных с экологической безопасностью пищевых продуктов до сих пор сохраняет их в центре внимания ведущих лабораторий во всем мире [12,5218; 21,179].
Классификация бактериоцинов молочнокислых бактерий
С целью классификации бактериоцинов грамположительных бактерий были использованы различные критерии [1,169; 28,188]. Жак в основу своей классификации брал присутствие дисульфидных и моносульфидных мостиков, а в качестве ориентира - спектр их активности [8,2289; 11,6810].Согласно данной классификации бактериоцины
грамположительных бактерий подразделяются на 4 класса [27,339; 29,161]: 1. бактериоцины, состоящие из необычных,посттрансляционно - модифицированных аминокислот, таких как дегидроаланин, дегидробутирин, лантионин, a-метиллантионин (лантибиотики); 2.
Бактериоцины имеющие, по крайней мере один дисульфидный мостик, необходимый для их активности (цистибиотики); 3. бактериоцины с единственным -SH остатком, который должен быть в редуцированной форме для активности бактериоцина(тиолбиотики); 4. бактериоцины без цистеиновых остатков.
©© Абдуллаева Н.Ф., 2014 г.
Бактериоцины класса1 - лантибиотики (лантионин-содержащие антибиотики) являются маленькими (<5 кДа) пептидами, содержащими необычные аминокислоты: лантионин (Lan), а-метиллантионин (MeLan), дегидроаланин и дегидробутирин. Данный класс, согласно химической структуре и антимикробной активности, подразделяется на лантибиотики типа A и B [22,452; 30,4437]. Представители лантибиотиков типа А - маленькие катионные пептиды, проявляющие активность путём формирования пор в бактериальных мембранах [20,11; 18,3665; 9,87].
Представители типа B - являются маленькими, анионными или нейтральными пептидами глобулярной формы. Антимикробная активность их связана с ингибированием специфических ферментов [6,4931; 23,491; 17,218].
Бактериоцины класса II - термоустойчивые, лантионин-несодержащие пептиды с молекулярной массой менее чем 10 кДа. Представители этого класса относятся к самой большой группе в данной классификации, и подразделяются на 3 подгруппы [15,79; 24,103].
Класс IIa включает педиоцин-подобные пептиды, имеющие N-терминальную согласованную последовательность Tyr-Gly-Asn-Gly-Val-Xaa-Cys (TGAGV). Эта подгруппа представляет большой интерес в связи с их антилистерической активностью [16,257]. Бактериоцины данной группы разрушают целостность мембраны клеток мишени, что приводит к ионному дисбалансу и потере органического фосфата [25,2305]. ПедиоцинРА-1 - первый описанный бактериоцин данной группы [14,69].
Класс IIb состоит из формирующих пор комплексов, требующих для активности наличия двух пептидов [15,79; 27,341]. Эти два пептида могут быть активными каждый в отдельности, но проявляют синергизм при совместном функционировании (энтероцины L50A и L50B) [27,341; 24,103], или же присутствие обоих пептидов может быть необходимым для проявления активности (лактококцины Ga/GP [44], плантарициныЕР и JK) [22,451].
Класс IIc, содержит остальные пептиды класса, включая sec-зависимые секреторные бактериоцины. Сюда относятся 2 типа бактериоцинов: бактериоцины с одним или двумя цистеиновыми остатками (тиолбиотики и цистибиотики, соответственно) и бактериоцины без цистеиновых остатков (лактококцинА и ацидоцин В)[17,215; 20,6].
Бактериоцины класса III на не достаточном уровне изучены и включает в себе группу термолабильных белков, с большой молекулярной массой (> 30 kAa), которые представляют меньший интерес для исследователей [21,169; 22,449].
Бактериоцины класса IV являются смешанными, которым для активности необходим углеводный или липидный компонент. Однако, представители данного класса, не охарактеризованы на биохимическом уровне должным образом и требуют дополнительного описания [5,3407].
Таким образом, несмотря на разнообразие попыток классифицировать бактериоцины на различные классы, прийти к конечному, общепринятому результату пока не удалось. Найдено достаточное количество бактериоцинов, но отнести их в тот или иной класс порою сопровождается трудностями.
Механизм действия бактериоцинов
Учитывая большое разнообразие химического строения бактериоцинов, можно предположить, что они воздействуют на жизненно важные функции чувствительных клеток (транскрипция, трансляция, биосинтез клеточной стенки), но большинство действуют, образуя в мембране поры или каналы, способствующие нарушению мембранного потенциала чувствительных клеток [2,2239; 16,262]. Анионные липиды цито-плазматической 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 бочонкоподобные поры или механизм ковра, посредством которого пептиды располагаются параллельно мембранной поверхности и оказывают влияние на структуру мембран [18,3665].
Наиболее хорошо изучен механизм действия низина. Этот катионный
лантибиотикэлектростатически взаимодействует (в основном при помощи катионной аминокислоты - лизина) с анионными фосфолипидами мембран, что ведёт к последующему взаимодействию гидрофобных участков молекулы бактериоцина с цитоплазматической мембраной. Эти взаимодействия ведут к изменению мембранного потенциала и pH градиента, образованию неспецифических ионныхканалов, пассивному оттоку ионов К+ и Mg2+, аминокислот, АТФ, и как следствие к гибели клетки [6,4933].
Механизм действия бактериоцинов класса IIa схож с механизмом действия низина. Бактериоцины этого класса обладают антилистерической активностью, что связано с наличием TGAGV последовательности в их N-терминальном участке. БактериоциныПа класса индуцируют увеличение проницаемости мембран, образуя ион избирательные поры, что ведёт к потере протонов и внутриклеточного АТФ[30,4435].
Педиоцин-PA-1/AcH, один из первых изученных бактериоцинов класса IIa, индуцирует потерю K+, аминокислот и других, низкомолекулярных соединений в чувствительных клетках. Он также индуцирует потерю внутриклеточного запаса АТФ внутри клеток
Pediococcuspentosaceus и Listeriamonocytogenes [18,3667]. Исследования педиоцина РА-1 и мезентерицина Y105 посредством триптофано-флюорисцентной спектроскопии показали, что они способны проникать в липосомы мембран при помощи С-
терминального,триптофансодержащего участка, но степень проникновения зависит от заряда липосом и расположения остатка триптофана в пептиде [20,8].
БактериоциныШ класса связываются с мембраной чувствительной клетки при помощи определенной рецепторной молекулы. Предполагается, что этот рецептор несёт ответственность за распознавание участка TGAGV [26,151].
Katla с сотрудниками исследовали устойчивость L.monocytogenes к бактериоцинам класса II и установили связь с определённым участком распознавания [30,4435]. Были выделены и изучены восемь мутантов L.monocytogenes устойчивых к бактериоцинам класса Па (педиоцин PA-1 и леукоцин A). Мутация, найденная, во всех устойчивых мутантных штаммах связана, с субъединицей фермента в маннозоспецифической фосфоенолпируватзависимой фосфотрансферазной системе, регулируемой о54 фактором транскрипции. Установлено, что устойчивость L.monocytogenes и других грамположительных бактерий к бактериоцинам, фундаментально связана с субъединицей, расположенной на мембране. Для всех бактериоцинов класса Пс наличие положительно заряженных аминокислот и триптофана в гидрофильном N-терминальном участке облегчает их неспецифическое взаимодействие с анионными фосфолипидами мембран чувствительных клеток [28,199]. Механизм действия бактериоцинов этих двух групп несколько отличается. Лактококцин А (бактериоцин, не содержащий цистеиновые остатки) представляет собой мембранно-активный протеин, механизм действия которого заключается в формировании пор в мембранах чувствительных клеток. Цереин 7/8 действует подобным образом. Для этих бактериоцинов не является необходимым условием наличие мембранного рецептора [4,232].
За последние годы изучен механизм действия большого количества бактериоцинов. Один из них Lacticin 3147 - лантибиотик, состоящий из двух пептидов lac 1 и lac 2; оба компонента необходимы для антибактериальной активности, которая является результатом образования ионспецифических пор в мембране клетки-мишени [28,200; 24,101]. Исследования показали, что вероятно lacticin 3147 требует отдельный модифицирующий фермент для каждого препептидаlac 1 и lac 2 [13,5; 27,342].
Механизм действия бактериоцинов класса IIc
Таким образом, механизм летального действия бактериоцов универсален и обусловлен главным образом, образованием пор в мембране клетки и реже ингибированием синтеза клеточной стенки. Говорить о полных выясненных механизмах влияния бактериоцинов на клетки бактерий и микроскопических грибов, по всей видимости, ещё рано. Для этого предстоит много исследовать и выяснить обобщённые механизмы угнетения роста и развития бактерий антимикробными белками, хотя не исключено, что такие механизмы могут коренным образом отличаться друг от друга.
Литература
1. Abee T., Krockel L., Hill C. - Bacteriocins: modes of action and potentials in food preservation and control of food poisoning // J. Food Microbiology. - 1995. - V. 28, -Р169- 185.
2. Allison G., Fremaux C., Klaenhammer T. - Expansion of the bacteriocin activity and host range upon complementation of two peptides encoded within the lactocin F operon // J. Bacteriology. - 1994.- V. 176,
- P. 2235-2241.
3. Allison G., Worobo R., Stiles M. et al. - Heterologous expression of the lactocin F peptides by Carnobacteriumpiscicola LV17 // J. Applied and Environmental Microbiology.- 1995.- V. 61.- P. 13711377.
4. Berjeaud J., Cenatiempo Y. -Purification of antilisterialbacteriocins // J. Molecular Microbiology.- 2004. -V. 268.- P. 225-233.
5. Bukhtiyarova M., Yang R., Ray B. -Analysis of the pediocinAcH gene cluster from plasmid pSMB74 and its expression in a pediocin-negative Pediococcusacidilactici strain // J. Applied and Environmental Microbiology. - 2009. - V. 60.- P. 3405- 3408.
6. Buttaro B., Antiporta M., Dunny G. -Cell-associated pheromone peptide (cCF10) production and pheromone inhibition in Enterococcus faecalis // J. Bacteriology. - 2003.- V. 182. - № 17.- P. 4926-4933.
7. Cadirci B., Sumru £. -A comparison of two methods used for measuring antagonistic activity of lactic acid bacteria // Pakistan Journal of Nutrition. - 2005. - V. 4. - № 4.- P. 237-241.
8. Casaus P., Nilsen T., Cintas L. et al. -Enterocin B, a new bacteriocin from Enterococcus faecium T136 which can act synergistically withenterocin A // J. Microbiology.- 1997.- V. 143. - P. 2287- 2294.
9. Chen H., Hoover D. -Bacteriocins and their food applications // J. Food Science and Food Safety. - 2003.
- V. 2. - P. 82-100.
10. Chikindas M., Garcia-Garcera M., Driessen A. et al. -Pediocin PA-1, a bacteriocin from Pediococcusacidilactici PAC1.0, forms hydrophilic pores in the cytoplasmic membrane target cells // J. Applied and Environmental Microbiology.- 2012. - V. 59, - № 11.- P. 3577-3584.
11. Cintas L., Pilar C., Herranz C. et al. - Biochemical and genetic evidence that Enterococcus faecium L50 produces enterocins L50A and L50B, the sec-dependent enterocin P, and a novel bacteriocin secreted without an N-terminal extension termed enterocin Q // J. Bacteriology. - 2000.- V. 182. - № 23.- P. 68066814.
12. Claire L., Hyronimus B., Bressollier P. et al. -Biochemical and genetic charac-terization of coagulin, a new antilisterialbacteriocin in the pediocin family of bacteriocins, produced by Bacillus coagulans I4 // J. Applied and Environmental Microbiology.- 2010.- V. 66.- № 12.- P. 5213-5220.
13. Cleveland J, Montville T., Nes I. et al. -Bacteriocins: safe, natural antimicrobials for food preservation // J. Food Microbiology. - 2009. - V. 71. - P. 1-20.
14. Daeschel M. - Applications and interactions of bacteriocins from lactic acid bacteria in food and beverages // J. Applied and Environmental Microbiology.-1999. -Р. 63- 91.
15. Dalmau M., Elke M., Mulet N. et al. - Bacterial membrane injuries introduced by lactacin F and nisin // J. Microbiology. -2002. -V. 5. - P. 73-80.
16. Daly C., Davis R. - The biotechnology of lactic acid bacteria with emphasis on applications in food safety and human health // J. Agri. Food Science in Finland.- 1998. - V. 7. - № 2.- P. 251- 264.
17. De Carvalho A., Rosinera A., Hilarrio C. et al. - Inhibition of Listeria monocytogenes by a lactic acid bacterium isolated from Italian salami // J. Food Microbiology. - 2006. - V. 23. - P. 213-219.
18. DeRuyter P., Kuiper O., De Vos W. - Controlled gene expression systems for Lactococcuslactis with the food-grade inducer nisin // J. Applied and Environmental Microbiology. - 1996. - V. 62. - № 10. - P. 3662-3667.
19. 19. DeVuyst L., Messens W. - Bacteriocins from lactic acid bacteria: production, purification and food applications // J. Molecular Microbiology and Biotechnology. - 2007. - V. 13. - P. 194-199.
20. DeVuyst L. and Vandamme E.J. - Lactic acid bacteria and bacteriocins: their practical importance // Microbiology, Genetics and Application. Chapman & Hall, New York. - 2004. - P. 1-12.
21. Deidre P. - The use and effects of lactic acid bacteria in malting and brewing with their relationships to antifungal activity and mycotoxins and gushing // J. Applied and Environmental Microbiology. - 2004. -V. 110. - № 3. - P. 163-180.
22. Diep D., Skaugen M., Salehian Z. et al. - Common mechanisms of target cell recognition and immunity for class II bacteriocins // J. Applied and Environmental Microbiology. - 2007. - V. - 104. - № 7. - P. 447455.
23. Diep D., Myhre R., Johnsborg O. et al. - Inducible bacteriocin production in Lactobacillus is regulated by differential expression of the pln operons and by two antagonizing response regulators, the activity of which is enhanced upon phosphorylation // J. Molecular Microbiology. - 2003. - V. 47. - № 2.- P. 483494.
24. Ennahar S., T. Sashihara K. et al. - Class IIabacteriocins: biosynthesis, structure and activity // FEMS Microbiol. Lett. - 2000. - V. 24. - № 1. - P. 85-106.
25. Ghalfi H., Thonart P., Benkerroum N. - Inhibitory activity of Lactobacillus curvatus CWBI-B28 against Listeria monocytogenes and ST2-verotoxin producing Escherichia coli O157 // African Journal of Biotechnology. - 2006. - V. 5. - № 22. - P. 2303-2306.
26. Guchte M, Ehrlich SD, Maguin E. - Production of growth-inhibiting factors by Lactobacillus delbrueckii //Journal of Applied Microbiology. - 2010. - 91(1). - P.147-153.
27. Gulahmadov S., Batdorj B., Dalgalarrondo M. et al. - Characterization of bacteriocin-like inhibitory substances (BLIS) from lactic acid bacteria isolated from traditional Azerbaijani dairy products // Europe Food Rec. Techn. SpringerVerlag. - 2006.- № 224.- P. 338-345.
28. Gulahmadov S.G. - Isolation and identification of lactic acid bacteria from same Azerbaijani cheeses // ТрудыИнститутаМикробиологииНАНАзербайджана. Баку: Элм. - 2007. - V. 5. - P. 187-200.
29. Gulahmadov S.G. - Isolation and identification of lactic acid bacteria from some Azerbaijani yogurts // ТрудыИнститутаМикробиологииНАНАзербайджана. Баку: Элм. - 2008. - V.VI. - P. 156-162.
30. Katla T., Naterstad K, Vancanneyt M. et al. - Differences in susceptibility of Listeria monocytogenes strains to sakacin P, sakacin A, pediocin PA-1, and nisin. // J. Applied and Environmental Microbiology. -2003. - V. 69. - № 8. - P. 4431-4437
