البكتريوسينات وآلية عملها في البكتريا

البكتريوسينات وآلية عملها في البكتريا

n   المقدمة :-

n   بدأت دراسة البكتريوسينات عام 1925 باكتشاف بلازميد يحمل جينات تشفر لبروتين تنتجه  Esherichia coli هذا البروتين يعمل على قتل الخلايا البكتيرية المعوية الأخرى قريبة الصلة بالبكتريا المنتجة له .(Rily and chavan,2007) وأطلق (Gratia and fredricqe 1946) اسم (Colicin) على البروتين الذي تنتجه بعض سلالات E.coli والـ (Colicin) يعد مركب معقد من مركبات السكريات المتعددة الدهنية (Lipopoly saccharde) .

n   لم يقتصر إنتاج البكتريوسينات على أفراد العائلة المعوية لذلك أطلق
(Tagg et al ., 1976) مصطلح البكتريوسين Bacteriocin الشامل على البكتريا المنتجة له سواء كانت سالبة أم موجبة لصبغة كرام.

n   تعرّف البكتريوسينات :- أنها مركبات حيوية ناتجة من البكتريا وهي مواد بروتينية قد تكون متحدة مع الدهون أو الكاربوهيدرات وهي قاتلة لسلالات نفس النوع أو أنواع مقاربة وان فعلها القاتل يعزى لارتباطها مع مستلمات الخلية الحساسة له . (بهجت , 1983) ، تنتج 90% من البكتريا ومنها البكتريا الموجبة والسالبة لصبغة كرام مواد مضادة لنمو البكتريا وهي ببتيدات لها خصائص مضادة للجراثيم ولا تتبع من الناحية التقسيمية المضادات الحيوية حيث تختلف عنها في كونها ضيقة الطيف في القتل وسامة للبكتريا القريبة جدا من السلالة أو النوع المنتج للبكتريوسين .          (Jack et al.,1995)

n    ثم إنتاج العديد من البروتينات المضادة للبكتريا بوساطة عدد من البكتريا الموجبة لصبغة كرام حيث استخدمت بكتريا حامض اللاكتيك Lactic Acid Bacteria (LAB)  كمواد حافظة طبيعية للأغذية حيث تعتبر مواد آمنة صحيا تتحلل بواسطة الأنزيمات المحللة للبروتينات الموجودة في إفرازات المعدة , لهذا لا تعتبر البكتريوسينات مواد ضارة للإنسان والحيوان حيث يتم إضافتها لزيادة فترة حفظ الأغذية (Konings et al,2000) إن ميكانيكية عمل البكتريوسينات تتمثل إما بإحداث ثقوب بالغشاء السايتوبلازمي او تثبيط بناء الجدار الخلوي للخلية الهدف أو تثبيط العمليات الايضية مثل إيقاف بناء الأحماض النووية او البروتين.                                 (الجبوري , والنقار ، 2003)

n   الهدف من البحث :

n   للتعريف بالبكتريوسين وأنواعه وصفاته والية عمله والعوامل المؤثرة على إنتاجه وإمكانية استخدامه في الأغذية وطرق الكشف عن إنتاجه وتنقيته.

n   تسمية البكتريوسينات :-

n   اعتمدت تسمية البكتريوسينات على الاشتقاق من اسم البكتريا المنتجة لها بإضافة المقطع (cin) مثلا Pyocin مشتق من اسم البكتريا Pseudomonas pyocyaneae  (القس,2002( أو قد تعتمد التسمية على الطيف التثبيطي للبكتريا المنتجة له حيث تم التمييز بين (17) نوع من Colicin اعتمادا على اختبارات المقاومة للمادة المثبطة ، باستخدام عدد من السلالات الحساسة لها ، و بعد سنوات عديدة ثم التصديق على تسمية البكتريوسين اعتمادا على اسم نوع أو جنس البكتريا المنتجة أو اعتمادا على جينات السلالة المنتجة أو اعتمادا على الخلايا المستقبلة للبكتريوسين .

n   الطيف التثبيطي  البكتريوسينات :

n   يقصد بالطيف التثبيطي قابلية البكتريوسينات على تثبيط البكتريا التي لها صلة بالبكتريا المنتجة بشكل تام كبعض الأنواع من أجناس Lactobacillus له طيف تثبيطي تجاه البكتريا الموجبة لصبغة كرام والتي لها صلة اقل مثل
Clostridium botulinum , Staphylococcus aureus  يعد النيسينين Nisin من البكتريوسينات التي لها مدى تثبيطي واسع تجاه عدد كبير من البكتريا الموجبة لصبغة كرام كما يمنع نمو سبورات C.botulinum , Bacillus cereus كما يثبط البكتريا المرضية المسببة لتلف الأغذية
(Rasch and knochel,1998).

n   أنواع البكتريوسين :

n   البكتريوسين المنتج من البكتريا السالبة لصبغة كرام Gr- :

n       تنتج البكتريا السالبة لصبغة كرام العديد من البكتريوسينات التي تم تسميتها بشكل خاص اعتماداً على الأجناس أو الأنواع مثل colcin من النوع E.coli أما البكتريوسينات المنتجة من جنس Pseudomonas فيشار إليها بصورة عامة   Pyocin
( Riley and chavan,2007). إن معظم البكتريوسينات التي تنتجها البكتريا السالبة لصبغة كرام فعالة ضد الأنواع القريبة جداً فقط .

n   البكتريوسين المنتج من البكتريا الموجبة لصبغة كرام Gr+:-

n       إن البكتريوسين المنتج من البكتريا الموجبة لصبغة كرام والتابعة لبكتريا حامض اللاكتيك  Lactic acid Bacteria (LAB) عبارة عن مضادات حيوية بروتينية والتابعة للنوع Lactococcus Lactis والمسمى بالنيسين Nisin وثبت ألان استخدامه غذاءً إضافياً في 50 دولة حيث إن مادة Nisin هي الرائدة في مجال البكتريوسين لمدى وتنوع تطبيقاتها العملية في مجال الصناعة الغذائية وحفظ الأغذية

n   بعض الصفات الكيميائية والفيزيائية للبكتريوسين :-

n   درست الطبيعة الكيمياوية لبعض أنواع البكتريوسينات حيث تبين أنها مركبات بروتينية بسيطة إلى مقترنة مع دهون وكربوهيدرات إلا أن الجزء الفعال الذي يعزى إليه التأثير القاتل للبكتريا ذات طبيعة بروتينية ويتحطم بالانزيمات المحللة للبروتين. ( الشبيب ، 1982)

n   تمتلك مدى فعالية ضيق ومركز على الأنواع القريبة وان فعلها القاتل يعزى لوجود مستلمات خاصة
على الخلية الحساسة ( بهجت ، 1983)

n   وجود المادة الوراثية المسؤولة عن إنتاج البكتريوسين والمقاومة ضده على البلازميد فالسلالات التي تمتلكه تكون مقاومة للبكتريوسين أو بمنأى عن التأثير القاتل للبكتريوسين.                                                            ( العبدلي ، 2005)

n   التغاير في الألفة للماء amphipathic بما يسهل عملية التفاعل مع غشاء الخلايا الحساسة.                                                    (clarke et al ,. 1975)

n   تعد البكتريوسينات ايونات موجبة الشحنة لا تتأثر بالمطهرات ذات الشحنة السالبة أو غير الأيونية وتعمل هذه المواد الحيوية على تخلخل في غشاء سايتوبلازم الخلايا الحساسة لتأثير البكتريوسين .

n   نظرا لاعتبار البكتريوسين مادة بروتينية فان بعض البكتريوسينات ذات الأوزان الجزئية العالية يمكن إن تستعمل مستضدات ممتازة.                 (Tagg et al ., 1973)

n   الثبوتية تجاه الحرارة والأس الهيدروجيني للبكتريوسينات ذات الوزن الجزيئي الواطىء ويعد النياسين Nisin من البكتريوسينات التي تتميز بفاعلية عالية في مديات واسعة من الأس الهيدروجيني وثبوتيتها تجاه درجة الحرارة العالية.          (Hurst,1978)

n   جينات إنتاج البكتريوسين:

n   إن المسؤول عن إنتاج البكتريوسينات هو جينات البلازميد او الكروموسوم أو كلاهما والجينات المتخصصة بإنتاج البكتريوسينات تكون متجمعة بشكل عناقيد (Clustered) تتوقف على ألجين التركيبي وقريبة من جينات المناعة .

n   إن عناقيد جينات البكتريوسينات تتألف من ثلاثة جينات مرتبطة بقوة غالبا ما توجد على البلازميد وهي :-

n   جين الذيفان Toxin gene

n    الجين المناعي Immunity gene

n   جين التحلل Lysis gene

n   جين الذيفان هو المسؤول عن إنتاج البكتريوسين وله فاعلية لقتل خلايا الهدف والجين المناعي يشفر لبروتين يحمي الخلية من فعل القتل ببروتين البكتريوسين والبروتين الانحلالي الناتج عن جين التحلل يعمل على تدمير الخلية الهدف.              (Chavan et al.,2005)

n   العوامل المؤثرة في إنتاج البكتريوسين :

n   درجة الحرارة : تعتبر درجة الحرارة من أهم العوامل التي تؤثر في إنتاج البكتريوسين بصورة عامة فدرجة الحرارة المثلى لنمو الأحياء المجهرية المنتجة البكتريوسينات تزيد من إنتاج البكتريوسين وقد أوضح بعض الباحثين إن درجة الحرارة المرتفعة توقف عملية الإنتاج نهائيا وأحياناً قد تفقد البكتريا المنتجة صفة الإنتاج (Tagg et al.,1976) .

n   الأس الهيدروجيني : وجد العالم (Biswas et al., 1991) هذا العامل قد يؤثر في عملية الإنتاج كما ان بعض انواع البكتريا تنتج بكتريوسينات بكمية عالية اعتماداً على قيمة الأس الهيدروجيني الأولي عند النمو ويزداد إنتاجها عند تركيز الأس الهيدروجيني القريب من التعادل (Tagg et al.,1973).

n   التهوية : إن تهوية المزرعة البكتيرية تؤدي إلى زيادة كمية البكتريوسين المنتجة خاصة في حالة البكتريوسين المنتج من المكورات العنقودية بينما اغلب بكتريا حامض اللاكتيك تنمو في ظروف لا هوائية وبوجود كمية من CO2 (Tagg et al . , 1976).

n   فترة التحضين : إن تحديد الفترة الزمنية الكافية للحصول على أفضل كمية من البكتريوسين يجب أن يتم تجريبياً حسب نوع البكتريا والطريقة المتبعة وظروف التجربة حيث أشارت الدراسات إلى فقدان الفعالية عند التحضين لفترات طويلة أعزيت هذه الظاهرة إما لظهور مواد مثبطة لفعالية البكتريوسين او نتيجة لفعل أنزيم ما أو استرجاع امتصاص البكتريوسين من قبل الخلية المنتجة (Dajani and Wannamalker,1969).

n   نوعية البيئة ومكونات الوسط : تعد البكتريوسينات من مركبات الايض الثانوية . وتخلق خلال طور النمو الثابت , غير إن أفضل ناتج في المزرعة ممكن يحدث عند بعض أطوار النمو مثلا في طور النمو اللوغاريتمي ويصل أعلاه بعد 24 أو 48 ساعة من التحضين إن اغلب البكتريوسينات تنتج في بيئات معقدة وأشار الباحث (Hardy,1975) إلى أن وجود المصدر الكربوني والمصدر النتروجيني إضافة للفيتامينات والأحماض الامينية ضمن مكونات الوسط تلعب دور في زيادة إنتاج البكتريوسين .

n   بعض الانزيمات المحللة للبروتينات تؤثر نسبياً في ثبوتية البكتريوسسينات مثل التربسين والببسين من خلال تحليل الأواصر الببتيدية وإحداث تغيير في سلسلة الأحماض الأمينية مما يفقدها قدرتها على القيام بفعاليتها الحيوية .

n   ( Tagg et al ., 1976)

n   آلية عمل البكتريوسينات :

n   تعتمد آلية عمل البكتريوسينات بشكل كبير على التركيب الكيمياوي للبكتريوسين وعلى الخلايا المستقبلة لهذه المواد الكيمياحيوية.

n   وتختلف البكتريوسينات في آلية التأثير على الخلية الهدف ومن هذه الآليات :-

n   تأثير البكتريوسينات على الغشاء السايتوبلازمي :-

n   يعتبر الغشاء السايتوبلازمي للبكتريا الموجبة لصبغة كرام هو الهدف الأولي لعمل البكتريوسينات (Ray and Daeschel , 1992) يكون التاثير من خلال عمل فتحات او ثقوب في الغشاء السايتوبلازمي تتسبب في تلفه .

n   تأثير البكتريوسينات على الجدار الخلوي : العديد من البكتريوسينات يظهر تأثيرها على الجدار الخلوي باستهداف المواد الوسطية التي تدخل في بناء الجدار الخلوي أو عن طريق تحليل الجسور الداخلية . Pentaglycine الرابطة للميورين في الجدار الخلوي . (Wiedemann et al., 2004)

n   تأثير البكتريوسينات على الصنع الحياتي للأحماض النووية , حيث تؤثر بعض أنواع البكتريوسينات مثل Colicin على الصنع الحياتي للأحماض النووية . (الشبيب،1982)

n   يؤثر البكتريوسين على النوع البكتيري Bacillus cereus الذي تسبب تسمم الأغذية حيث يقلل عدد الخلايا ويثبط قدرتها على إنتاج السموم الداخلية ويزيد من حساسية الجراثيم للحرارة في عينات الأغذية المعاملة بالحرارة ( الحيالي ، 2012)

n   التطبيقات الغذائية :-

n   بكتريا حامض اللاكتيك :

n   إن إنتاج مجموعة من البروتينات المضادة للبكتريا بوساطة العديد من البكتريا الموجبة لصبغة كرام جذبت الانتباه من حيث قدرتها التضادية واستخدامها في حفظ الأغذية و للحد من تلوث الأغذية بالبكتريا الممرضة الموجبة لصبغة كرام , حيث يتميز الكائن المنتج لها بدرجة من الحماية الذاتية ضد المادة المضادة المنتجة ، إن استخدام المواد الكيمياوية التجارية في حفظ الأطعمة يسبب طراوة المنتجات الطازجة أما الحفظ الحيوي باستخدام الكائن نفسه أو منتجاته ينتج عنه إطالة فترة بقاء المواد الغذائية ودعم الصفات العضوية للأغذية , جذبت بكتريا حامض اللاكتيك الاهتمام لقدرتها على إنتاج بكتريوسينات عديدة آمنة صحيا حيث تتحلل بوساطة الأنزيمات التي تحلل البروتينات الموجودة في إفرازات المعدة لذا لا تعتبر البكتريوسينات مواد ضارة للإنسان والحيوان يعتبر النيسين Nisin من أكثر البكتريوسينات التي تثبط نمو بعض أنواع البكتريا التي تسبب فساد الأغذية والبكتريا الممرضة التي تتكاثر في الأغذية مثل Clostridium,Bacillus استخدمت البكتريوسينات كمادة حافظة لمنتجات الجبن – المشروبات – الخضراوات المعلبة , كما استخدم النيسين Nisin في علاج القرحة الهضمية وفي السيطرة على التهاب الثدي في الماشية كما تم تحضير بكتريوسين على شكل بودرة أضيف بنجاح
 في غذاء الأطفال .  ( الحيالي ، 2012)

n    الكشف عن انتاج البكتريوسينات :

n   هناك عدد من التقنيات المستخدمة للكشف عن البكتريوسينات الناتجة من السلالات المنتجة الا ان اكثرها استعمالا
هي طريقة التخطيط (Streak method) .

n   طريقة التخطيط Streak method  وهي طريقة سهلة وسريعة وتتلخص بتلقيح العزلة المراد دراسة قدرتها على انتاج البكتريوسين بشكل خط مستقيم وسط الطبق وبعد التحضين وظهور النمو بشكل جيد ترزع البكتريا المراد اختبار حساسيتها للبكتريوسين المنتج بشكل خطوط متعامدة على خط التلقيح الاولي وسط الطبق وبعد التحضين يتم الكشف عن انتاج البكتريوسين من خلال ملاحظة مناطق شفافة
( منطقة تثبيط النمو ) .

n   تنقية البكتريوسين:

n   يقصد بفصل وتنقية البكتريوسين هو إزالة المواد والمركبات الأخرى الموجودة مع المادة البروتينية والحصول عليها بدرجة عالية من النقاوة وذلك لدراسة خواصها المميزة وتحسين قابليتها على الحفظ عند استخدامها في الأغذية ، هناك طرق عديدة مستخدمة في التنقية ومتباينة من بكتريا لأخرى لكن هناك خطوات أساسية تتبع تشمل:

n   تركيز الراشح :

n   تركيز البكتريوسين في أقل حجم وذلك من خلال فصل المواد الصلبة بالطرد
المركزي والترشيح .

n   الترسيب باستخدام كبريتات الامونيوم مع ضرورة تعديل الأس الهيدروجيني :

n    هذه المنتجات الحيوية هي مركبات حساسة تكون فعالة فقط تحت ظروف معينة من الاس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لهذا يجب العناية في اختيار واستخدام الطرائق العلمية اللازمة لفصل المنتوج بكفاءة عالية .( الشبيب ، 2009 )

n   التوصيات

n   1- عزل وتنقية البكتريوسينات لاستخدامها مواد حيوية حافظة في المواد الغذائية بديلاً عن المضادات الكيميائية غير الصحية واستخدام البكتيروسينات في مجال صناعة الأغذية وبديل عن المضادات الحيوية .

n   2- اجراء التحسينات الوراثية على البكتريا المنتجة لزيادة انتاجها من البكتريوسينات للتقليل من كلفة الانتاج والحصول على بكتريوسنيات ذات فعالية تثبيطية أعلى .

n   3- استخدام التقانات المختلفة لزيادة فعالية البكتريوسينات في حفظ المواد الغذائية كاستخدام درجات حرارة واوقات مختلفة في البسترة والتعقيم .

n   4- امكانية انتاج البكتريوسينات على نطاق تجاري باستخدام المواد الاولية الرخيصة والمتوفرة من مخلفات المصانع .

شكراً لإصغائكم  ومتابعتكم