Антимикробные метаболиты молочнокислых бактерий: их разнообразие и свойства

ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.678

Антимикробные метаболиты молочнокислых бактерий: их разнообразие и свойства

Стоянова Л. Г., Устюгова Е. А., Нетрусов А. И.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

Биологический факультет, Москва 119992, Ленинские горы 1/12

e-mail: stoyanovamsu@mail

В обзоре обобщены литературные данные по антимикробным метаболитам, образуемым молочнокислыми бактериями (МКБ), которые издавна используются людьми для приготовления молочнокислых продуктов. Представлены сведения по низкомолекулярным антимикробным веществам, как правило, являющимися основными либо побочными продуктами молочнокислого брожения. В отдельных главах рассмотрено многообразие фунгицидных веществ МКБ и бактериоцинов в связи с их потенциальным использованием в качестве биоконсервантов пищевых продуктов. Более подробно дана характеристика, классификация бактериоцинов. Их синтез и механизм действия рассмотрены на примере низина А, относящегося к I классу лантибиотиков и синтезируемого бактериями Lactococcus lactis subsp. lactis. Механизм действия бактериоцинов II класса рассмотрен на примере лактицина. В заключении приведены основные перспективные направления по использованию антимикробных метаболитов МКБ в промышленности и медицине.

Antimicrobial metabolites of lactic acid bacteria: their diversity and properties

Общие свойства молочнокислых бактерий

МКБ - это грамположительные, не образующие спор (за исключением членов рода Sporolactobacillus), каталазо-отрицательные бактерии, лишенные цитохромов, аэро- и кислото-толерантные, образующие молочную кислоту в качестве конечного метаболита. В природе молочнокислые бактерии приурочены к местообитаниям, богатым питательными веществами: молоко, мясо, овощи, некоторые виды обитают на растениях, другие составляют нормальную микробиоту пищеварительного тракта человека и животных [3]. Исторически бактерии, относящиеся к родам Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus, Leuconostoc и Lactobacillus, формируют ядро этой группы [4].

Источником энергии для молочнокислых бактерий служит молочнокислое брожение. Известны два основных пути превращения сахаров, используемых МКБ: гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) и 6-фосфоглюконат-фосфокетолазный путь (путь Варбурга-Хорекера) [5].

В результате гликолиза образуется до 98% молочной кислоты: С₆Н₁₂О₆®2СН₃СНОHСООН+Е.Бактерии, входящие в эту группу, называются гомоферментативными. К представителям гомоферментативного молочнокислого брожения относятся следующие МКБ: Lactococcus lactis subsp. lactis, L. lactis subsp. cremoris, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii bv. bulgaricus, L. acidophilus, L. helveticus, L. casei, L. plantarum.

Во втором, 6-фосфоглюконат-фосфокетолазном пути, в процессе молочнокислого брожения кроме молочной кислоты образуются еще и значительные количества уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа и иных побочных нейтральных продуктов (диацетила, ацетоина), на что идет до 50% сбраживаемых гексоз. Этот тип брожения называется гетероферментативным:

С₆Н₁₂О₆ ® СН₃СНОHСООН + СН₃СН₂ОН (или СН₃СOОН) + СО₂ + Е. Процесс гетероферментативного молочнокислого брожения более сложный по сравнению с гомоферментативным типом. Представителями гетероферментативных молочнокислых бактерий являются некоторые палочковидные лактобациллы, (L. brevis, L. fermentum), их подрод Streptobacterium, из кокковых — Streptococcus acetoinicus, все виды рода Leuconostoc [5].

Лантибиотики

Лантибиотики (лантионин-содержащие пептиды) – полициклические молекулы, образующиеся в результате посттрансляционных модификаций белков-предшественников и содержащие модифицированные аминокислоты [42]. В их молекулах имеются сульфгидрильные кольца и ненасыщенные аминокислоты. Как показано в таблице 3, лантибиотики, продуцируемые разными молочнокислыми бактериями, отличаются по количеству тиоэфирных связей в молекуле, уровень их молекулярной массы находится в интервале от 2764 до 4635 Dа [43].

Низин - наиболее изученный лантибиотик. Он эффективен против многих штаммов грамположительных бактерий, включая стафилококки, стрептококки, бациллы, клостридии и в меньшей степени микобактерии [44]. Низин при концентрации 0.3 мг/мл способен инактивировать прорастание спор бактерий, относящихся к родам Bacillus и Clostridium, в той же степени, что и термическая обработка [8]. Установлено, что низин взаимодействует с сульфгидрильными группами в мембране споры, тем самым препятствуя ее прорастанию [45, 46].

Дипептидные лантибиотики не выделены в отдельный класс бактериоцинов. Из них наиболее изучены плантарицин W, синтезируемый Lactobacillus plantarum, и лактицин 3147, продуцируемый Lactococcus lactis. Двухкомпонентный лантибиотик лактицин 3147 обладает относительно широким спектром действия. Он активен против метициллинустойчивых штаммов Staphylococcus aureus, устойчивых к ванкомицину штаммов Enterococcus faecalis, устойчивых к пенициллину Pneumococcus, а также Propionibacterium acnes, Streptococcus mutans и пищевых патогенов: Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus и Bacillus cereus [36]. Лактицин 3147 при концентрации 20000 МЕ/мл полностью подавлял популяцию патогенов численностью более 10⁴ клеток за 2 часа [47]. Оба пептида лактицина 3147, как и плантарицина W, обладают бактерицидной активностью. Но наибольшая активность наблюдается при совместном действии этих пептидов в отношении 1:1. Плантарицин W содержит немодифицированные остатки аминокислот цистеина и серина, что является единственным примером среди лантибиотиков. Некоторые авторы предлагают выделить эти два бактериоцина в отдельное семейство [48]. Способность синтезировать двухкомпонентные бактериоцины, например, саливарицин Р, имеется у многих генетически различных штаммов Lactobacillus salivarius, выделенных из кишечника человека. Лактобациллы L. salivarius включается в состав пробиотических препаратов, так как саливарицин Р способствует снижению количества патогенов семейства Enterobacteriaceae, не оказывая эффекта на общую численность лактобациллв кишечнике [ 49].

Заключение

В настоящее время резко возрос интерес исследователей к МКБ, которые вследствие своей безопасности, высокой ферментативной и антимикробной активности являются объектом фундаментальных исследований по созданию новых активных пробиотиков и разнообразных антимикробных препаратов с консервирующим эффектом.

МКБ являются продуцентами широкого круга антимикробных метаболитов, относящихся к разным классам химических веществ. Наиболее хорошо изучена группа бактериоцинов, так как бактериоцины вследствие их нетоксичности наиболее перспективны в качестве кандидатов для развития нового поколения антибиотических препаратов с пробиотическими свойствами [27, 117, 118]. В связи с тем, что МКБ имеют «GRAS» статус, их бактериоцины востребованы промышленностью как безопасные и специфичные биоконсерванты [ 119, 120]. Многие бактериоцины этой группы бактерий успешно зарекомендовали себя в качестве биоконсервантов для мясных продуктов, рыбы, кисломолочных продуктов, овощей и фруктов [121, 122]. Основные направления более эффективного использования бактериоцинов с целью увеличения сроков годности пищевых продуктов заключаются в использовании их смесей, включения бактериоцинов в упаковочные материалы, сочетание их с другими консервантами. Эффективность бактериоцинов определяется активностью их продуцентов. Для этого проводят скрининг природных высокопродуктивных штаммов из различных субстратов, используют различные генетические методы, включая методы клеточной инженерии [18, 20, 123-127].

С другой стороны, возможно применение бактериоцинов в медицине в качестве альтернативных антибиотиков [128, 129].

Между разными классами бактериоцинов имеются существенные отличия в строении молекулы, а, следовательно, и в их стабильности, механизме и спектре антимикробного действия. В частности, лантибиотики характеризуются сложным процессом посттрансляционных превращений, которые приводят к формированию лантиониновых мостиков в молекуле, что и обусловливает стабильность пептида во внешней среде и более широкий спектр действия.

Особую научную и практическую ценность представляют фунгицидные соединения, образуемые МКБ. Это разнородная группа веществ на данный момент изучена недостаточно. Многие авторы отмечают возможность использования штаммов МКБ для продления сроков хранения фруктов и овощей, наиболее подверженных порче микроскопическими грибами [12, 13, 23]. Учитывая, что потребность пищевой промышленности, медицины и сельского хозяйства в фунгицидных препаратах растет с каждым годом, а используемые в настоящее время фунгициды (химические препараты) обладают токсичностью для человека и животных, к тому же они накапливаются в почве и воде, поиск новых фунгицидных веществ среди непатогенных форм микроорганизмов является актуальной проблемой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Табл. 1.

Дикетопиперазины, образуемые молочнокислыми бактериями [11]

Дикетопиперазин	Продуцент	Структурная формула
Цико(L-Phe-L-Pro)	Lactobacillus plantarum MiLAB 393 L. coryniformis Si3
Цикло (L-Phe- trans -4-OH-L-Pro)	Lactobacillus plantarum MiLAB 393 L. coryniformis Si3
Цикло(L-Phe- cis -4-OH-D-Pro)	Pediococcus pentosaceus MiLAB 170 L. plantarum MiLAB 14

 

Табл. 2.

Табл.3.

Характеристики некоторых лантибиотиков, продуцируемых молочнокислыми бактериями [43 ]

Лантибиотик	Молекулярная масса, Dа	Число тиоэфиров	Продуцент
Низин А			Lactococcus lactis
Низин Z			Lactococcus lactis
Лактицин 481			Lactococcus lactis
Лактоцин S			Lactobacillus sake
Карноцин И149		2 - 3	Lactobacillus pisicola

 

Табл.4.

ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.678

Антимикробные метаболиты молочнокислых бактерий: их разнообразие и свойства