BAKTERIOCYNY

NAJNOWSZE DANE

Mechanizmy ułatwiające walkę o utrzymanie się lub dominację bakterii w środowisku bytowania

wytwarzania szereg czynników o działaniu przeciwdrobnoustrojowym:

• antybiotyki

• enzymy bakteriolityczne (lizostafina, fosfolipaza A)

• pośrednie produkty metabolizmu (amoniak, kwasy organiczne, nadtlenek wodoru)

• defektywne bakteriofagi

• bakteriocyny (konserwacja żywności) liza bakterii albo działanie lizogeniczne, czyli takie, że wnika substancja do bakterii i tam powoduje zmiany nie powodując pierwotnie jej zmiany

Definicje bakteriocyn: Jacob 1953 r. definiuje bakteriocyny jako: swoiste substancje białkowe pochodzenia bakteryjnego, które wykazują działanie bakteriobójcze wobec wrażliwych komórek bakterii należących do tego samego gatunku co producent lub gatunków z nim spokrewnionych

Steiner 1986 r.: produkt bakterii, który nawet w niskich stężeniach wykazuje inhibicję wobec drobnoustrojów innych niż producent ale z nim spokrewnionych

Co to są bakteriocyny?

• są to peptydy lub białka

• wydzielane poza komórkę

• rzadko z nią związane

• co najmniej jedną wydziela 99% bakterii

• istnieją setki odmian w obrębie jednego gatunku

Co wiemy o bakteriocynach?

• ułatwiają bakteriom zajmowanie określonych nisz ekologicznych

• wpływają na liczebność populacji bakterii w określonym środowisku

• biorą udział w „komunikowaniu” się - „quorum sensing”

• znaczenie bakteriocynogenezy nie jest w pełni poznane – intensywne badania

Jak wytwarzane są bakteriocyny?

• jest wynikiem ekspresji genów, których lokalizacja jest różna w zależności od gatunku

• geny kodujące znajdują się w plazmidach

• mogą być przekazywane między szczepami bakterii na drodze koniugacji

• nośnikiem informacji o syntezie mogą być geny transpozonowe

Cechy bakteriocyn:

• szczepy bakteriocynogenne są niewrażliwe na działanie własnych bakteriocyn

• niewrażliwość jest determinowana produkcją aktywnego białka warunkującego tę cechę

• geny białek odpornościowych stwierdzono w operonach regulujących syntezę bakteriocynach

• zidentyfikowano geny odpowiedzialne za: transport bakteriocyn z komórki i kodowanie enzymów modyfikacji

Właściwości bakteriocyn:

• różnią się właściwościami biochemicznymi, mechanizmem działania, zakresem aktywności przewcidrobnoustrojowej, różne rodzaje i gatunki bakterii produkują zróżnicowane bakteriocyny o odmiennych cechach i właściwościach

• wspólna cecha bakteriocyn to białkowy charakter

Podział bakteriocydyn pod względem budowy:

1. polipeptydy o niskiej masie cząsteczkowej zbudowane z kilkudziesięciu aminokwasów: niziny rodzaju Corynobacterium

2. kompleksy złożone z kilku białek, - bakteriocyny bakterii G+

3. bakteriocyny zawierające białko i lipidy lub węglowodany

4. duże cząsteczki przypominające bakteriofagi

   - piocyny rodzaju Pseudomonas

   - jersiniocyny rodzaju Yersinia

   - serracyny rodzaju Seriatia

Jak działają bakteriocydyny?

• działanie bakteriostatyczne lub bakteriobójcze

• efekt działania zależy od:

  • dawki i stopnia oczyszczenia bakteriocydyn

  • faza wzrostu komórki baterii wrażliwej

  • obecności w środowisku innych czynników przeciwdrobnoustrojowych

• zakłócają różne procesy życiowe bakterii

Cechą wspólną bakteriocyn jest pierwszy etap interakcji z komórka wrażliwa: adsorpcja na jej powierzchni zachodzący z udziałem lub bez udziału receptorów.

Większość bakteriocydyn działa przez:

1. Tworzenie kanałów w błonie cytoplazmatyczne, co doprowadza do jej destabilizacji i zwiększenia przepuszczalności – śmierć komórki.

2. Wiązanie się z kwasem tejchojowym ściany komórkowej wrażliwej bakterii powodując uwalanie enzymów autolitycznych – śmierć komórki.

3. Wykazują aktywność endonukleazową wobec DNA lub RNA bakterii wrażliwych – śmierć

4. Hamują biosyntezę składników ściany komórkowej – peptydoglikanu lub LPS.

Podział ze względu na specyficzność przeciwdrobnoustrojową bakteriocydyn:

1. Bakteriocyny o wąskim zakresie działania – tylko wobec szczepów tego samego gatunku co producent

2. Bakteriocyny wykazujące zakres działania wobec innych gatunków i rodzajów

   - lakticyna hamująca wzrost szczepów: Bacillus sp., Clostridium sp., Streptococuus, Enterococcus, Lsteria monocytogenes, Staphylococcus aureus

3. Bakteriocyny o szerokim spektrum działania obejmujące bakterie G+ i G-: nizyny, termofiliny oraz grzyby: prorionicyny, pentocyny

4. Bakteriocyny o aktywności przeciwwirusowej

   -enterocyna hamuje replikacje wirusów HSV1 (opryszczka), HSV1 w stężeniach 15 razy niższych niż efekt cytotoksyczny [HSV2 rak szyjki macicy]

5. Bakteriocyny wykazujące działanie na komórki eukariotyczne:

   -piocyny na komórki nowotworowe linii HepG2 Human hepatocellular carcinoma

   -mikrocyny powodujące apoptozę i nekrozę linii nowotworowych (w tym czerniak)

Klasyfikacja bakteriocyn

A. Bakteriocyny bakterii Gram+

1. Klasa I – lantybiotyki wykazujące działanie hamujące specyficzne enzymy w komórce bakterii wrażliwiej

2. Klasa II – pedicynopodobne silna aktywność bakteriobójcza wobec Listeria sp.:

   -bakterocyny dipeptydowe: termofilina – Streptococcus

   -piscicolina – Corynobacterium

   wykorzystanie jako konserwanty żywności

B. Bakteriocyny bakterii Gram-

1. Bakteriocyny pałeczek Enterobacteriaceae: kolicyn (E. Coli) i mikrocyny

2. Bakteriocyny pąłeczek Pseudomonas: picyny R, piocyny F, piocyny S

KOLICYNY

• wydzielane przez E. Coli i bakterii pokrewnych

• wydzielane przez enterobakter cloaceae kloacyna

Działanie kolicyn na komórkę wrażliwą zachodzi w trzech etapach:

1. Połączenie kolicyny z receptorem w błonie zewnętrznej.

2. Aktywny transport przezbłonowy.

3. Depolaryzacja błony cytoplazmatycznej z wytworzeniem kanałów jonowych.

MIKROCYNY

• wydzialne przez E.Coli w późnej fazie wzrostu

• wykazują aktywność bójcza wobec: Escherichia, Citrobacter, Enterobacter, Klebsiella, Salmonella i Shigella

Dzielą się na dwie klasy:

I niszczą struktury wewnątrzkomórkowe

II uszkodzenie błony cytoplazmatyczne

PIOCYNY R pałeczek Pseudomonas

Charakterystyczna budowa: podwójny walec zbudowany z szyjki i rdzenia

Działanie bakteriobójcze w dwóch etapach:

1. Adsorpcja na powierzchni i połączenie ze swoistym receptorem

2. Skurcz części szyjkowe i wniknięcie rdzenia do wnętrza komórki, co powoduje depolaryzacje błony cytoplazmatyczne j i tworzenie porów przez które uciekają substancje wewnątrzkomórkowe i śmierć komórki w ciągu 20 minut

Zakres działania: Pseudomonas, Neisseria

PIOCYNY F I S pałeczek Pseudomonas

• przypominają budową pałeczki

• nie mają zdolności kurczenia się

Efekt działania na komórkę wrażliwą:

1. Adhezja do powierzchni komórki

2. Wniknięcie do komórki i tworzenie kanałów lub

3. Degradacja DNA

   Śmierć komórki w ciągu 20-30 minut

Zastosowanie bakteriocydyn w praktyce:

1. Typowanie bakteriocynowe:

• w dochodzeniu epidemiologicznym jako kryterium różnicowania szczepów bakterii w obrębie gatunku. Szczególnie przydatne w ocenie izolatów w obrębie stada zwierząt czy zakażeń szpitalnych: Enterobacter, Klebsiella, Proteus, Serratia, Proteus, Yersinua

Zalety metody: wysoka powtarzalność, niski koszt

2. Konserwowanie żywności:

• alternatywna dla sztucznych konserwantów

• zdrowa żywność

• najpopularniejsze są nizyny, które otrzymały status GRAS (generally regarded as safe)

• stosowane w 50 krajach jako dodatek do żywności puszkowanej, serów, majonezu, lodu służącego do przechowywania ryb i innych

• nie są toksyczne dla człowieka

• wrażliwe na enzymy trawienne

• odporne na ogrzewanie

• stabilne przy dłuższym przetrzymywaniu

• nie wpływają na cechy organoleptyczne

3. Profilaktyka i leczenie zakażeń bakteryjnych

• zastępują chemioterapeutyki i antybiotyki

• wąski zakres działania - na określony patogennych

• niskie ryzyko pojawienie oporności

• nie zaburzają składu flory saprofitycznej p.p.

• Wysoce aktywne wobec szczepów wielolekooopronych

• leczenie zakażeń fizjologicznych niejałowych tzw. leczenie zastępcze „replacement therapy”

LECZENIE ZASTĘPCZE

Zasada to modyfikacja flory fizjologicznej przez wprowadzanie w miejsce docelowe szczepu hamującego wzrost drobnoustrojów patogennych.

Warunki jakie musi spełnić szczep efektorowy:

• hamowanie wzrostu bakterii patogennych

• brak wpływu na florę saprofityczną

• niska patogenność

• wrażliwość na antybiotyki

• zdolność do trwalej kolonizacji

Wykorzystanie leczenia zastępczego w zakażeniach:

• układu moczo-płciowego

• zapalenie ucha środkowego

• paciorkowcowe zapalenie gardła

• zapalenie przewodu pokarmowego

BAKTERIOFAGI – WIRUSY BAKTERYJNE

Podział bakteriofagów:

-DNA jedno i dwuniciowe

-RNA jedno i dwuniciowe

-Minifagi – fagi ułomne, satelity

Poznano ponad 1100 fagów, podzielono na 8 rodzin.

Zakażenie komórki bakteriofagiem:

• Adsorpcja faga do receptora na powierzchni komórki

• wprowadzenie dna bakteriofaga do wnętrza komórki

Nastąpienie istnieją dwie możliwości:

1. Śmierć lityczna – fag namnaża się w komórce doprowadzają do śmierci komórki.

2. Lizogenia – fagowy DNA włącza się do bakteryjnego chromosomu i koduje w genomie faga toksyny bakteryjne – jest nośnikiem kodującym toksyny.

Toksyny kodowane przez fagi

• Jad kiełbasiany – toksyna botulinowa

• Błonica – toksyna błonicza

• Cholera – toksyna cholery

• Krwawa biegunka i niewydolność nerek – toksyna E. Coli HT

Namnażające się komórki bakteryjne przekazują potomnym komórkom informacje dotyczące kodowanych toksyn.

Cechy bakteriofagów

• wysoka swoistość – niszczą tylko określone gatunki a nawet szczep bakterii

• ograniczają ilość bakterii w przewodzie pokarmowym czy moczowo-płciowym

• łagodzą rozwój i przebieg schorzeniach

• powodują duże szkody w przetwórstwie: ograniczają procesy fermentacyjne, ograniczają dojrzewanie serów, jogurtów, zmieniają ich smak i wygląd

Mogą całkowicie wyeliminować florę bakteryjną u człowieka!

Wykorzystanie

1. Diagnostyka epidemiologiczna: precyzyjna identyfikacja szczepów w obrębie gatunków: Salmonella typhi, S. paratyphi - typhimurium

2. Stosowanie w profilaktyce i terapii infekcji bakteryjnych: szczególnie na wielolekooporne bakterie

Zagrożenia:

• Obecność fagów w szczepionkach atenuowanych przeciwbakteryjnych

• Obecność fagów w szczepionkach żywych przeciwwirusowych – źródłem surowica do hodowli komórek, w których namnażają się wirusy

• Doprowadza to do różnych niebezpieczeństw:

• powodować konwersję lizogeniczną bakterii w organizmie szczepionego osobnika

• przekazywać geny do komórek ludzki i powodować procesy nowotworowe lub zwyrodnieniowe