باکتریوسین‌ها پپتیدهای کوچکی هستند که برای کشتن سلول‌های حساس و کاهش رقابت غذایی توسط باکتری‌های شکارچی ترشح می‌شوند. تعداد بسیار کمی از باکتریوسین‌ها علاوه بر خواص ضد باکتریایی، خواص ضد ویروسی و ضد قارچی نیز دارند. از این مواد در صنایع مختلف، به خصوص غذایی برای محافظت در برابر میکروب‌ها استفاده می‌شود.
این آنتی‌بیوتیک‌های طبیعی معمولاً به وسیله باکتری‌های گرم مثبت، گرم منفی و باکتری‌های باستانی (archaea bacteria) تولید می‌شود. باکتریوسین‌هایی که از باکتری‌های لاکتیک اسید بدست می‌آید، به خاطر امنیت زیستی و کاربردهای فراوان در صنعت به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
نیسین تنها باکتریوسین مجوزدار
نیسین تنها باکتریوسینی است که از سوی سازمان غذا و داروی امریکا (FDA) به عنوان نگهدارنده غذایی تأیید شده است. ساختار بلوری این ماده نشان می‌دهد که خواص ضد میکروبی آن از قابلیت پیوند آمین انتهایی با مولکول لیپید II ناشی می‌شود. این پیوند از تشکیل پپتیدوگلیکان جلوگیری و در دیواره سلولی حفره ایجاد می‌کند و در نتیجه، لیز سلولی اتفاق می‌افتد. سویه جهش یافته لاکتوکوکوس لاکتیس می‌تواند در کشت 50 تنی، نیسین با فعالیت بالا تولید کند (9960IU/ml). نیسین در 50 کشور به عنوان نگهدارنده غذایی کاربرد دارد. با این وجود، در حال حاضر در صنایع غذایی از باکتریوسین‌ها استفاده چندانی نمی‌شود؛ اما در صنایع خوراک دام، کودهای کشاورزی و محصولات مراقبت شخصی پتانسیل بالقوه‌ای برای این مواد وجود دارد. آینده این مواد ضد میکروبی طبیعی به مجوز FDA برای دیگر محصولات مشابه نیسین وابسته است.
نیسین از 34 آمینو اسید تشکیل شده و به دو نوع A و Z تقسیم‌بندی می‌شود. تفاوت این دو نوع نیسین به خاطر آمینو اسید جایگاه 27 (هیستیدین در نوع A و آسپارژین در نوع Z) است. بازار باکتریوسین‌ها در سال 2007 به 24 میلیارد دلار رسید.
از جمله شرکت‌های برتر جهانی در زمینه تولید نیسین می‌توان شرکت‌های Danisco A/S از دانمارک، DMS و Sivelee B.V. از هلند، Galactic از بلژیک و همچنین شرکت‌های Shandong Freda Biotechnology Co., Ltd. و Zhejiang Silver-Elephant Bio-engineering Co. Ltd. و Chihon Biotechnology Co., Ltd. را از چین نام برد.
ساختار کریستالی تنها باکتریوسین مجوزدار؛ نیسین
برخلاف انبوه داده‌ها برای انواع باکتریوسین‌ها، اطلاعات کافی در مورد ساختار بلوری آن‌ها وجود ندارد. ساختار بلوری نحوه عملکرد این مواد را روی سلول‌های حساس توضیح می‌دهد. به عنوان مثال، نیسین می‌تواند روی دیواره‌های سلولی حفراتی ایجاد کند. مطالعه ساختار بلوری کمپلکس نیسین و لیپید II نشان می‌دهد که با پیوند این باکتریوسین و مولکول لیپید II که پیش ماده سنتز دیواره سلولی است، نفوذپذیری دیواره افزایش یافته و باعث لیز سلولی می‌شود. آمین انتهایی نیسین با پیوند به مولکول لیپید II و انسداد بخش پیروفسفات آن، یک دنباله نامناسب ایجاد کرده و انعطاف‌پذیری این مولکول را برای تشکیل دیواره سلولی کاهش می‌دهد.
در هر صورت لازم است مطالعات بیشتری روی ساختار بلوری باکتریوسین‌های مختلف انجام شود. به این ترتیب می‌توان با شناسایی نحوه عملکرد باکتریوسین‌های متفاوت و مهندسی منطقی سویه‌ها، نمونه‌های دلخواه را با خواص ضد میکروبی بالاتر و پایدارتر تولید کرد. علاوه بر این، مطالعه ساختار بلوری اطلاعات مفیدی درباره ویرایش‌های پساترجمه‌ای و مسیر سنتزی باکتریوسین‌ها ارئه می‌دهد. با این اطلاعات می‌توان چالش‌های مربوط به بهره‌وری پایین در زمان تولید این مواد را تا حدودی برطرف کرد.
روش‌های جداسازی میکروارگانیسم‌های تولید کننده باکتریوسین
غربالگری میکروب‌های تولیدکننده باکتریوسین از طبیعت، رایج‌ترین روش برای یافتن میکروارگانیسم‌های جدید برای تولید این ماده است. این میکروارگانیسم‌ها معمولاً از شیر، شکمبه حیوانات شیرخوار خانگی، نمونه‌های خاک و غذا جداسازی می‌شوند. بر اساس منابع میکروبی روش‌های متفاوتی برای غربالگری استفاده می‌شود.
برای جداسازی میکروارگانیسم‌های تولیدکننده باکتریوسین، ابتدا قابلیت تولید آن بررسی می‌شود. برای بررسی امکان تولید باکتریوسین از منابع مختلف میکروبی، روش‌های مختلفی مثل روش پلیت‌های چند چاهکی، کشت آگار دو لایه، روش‌های مبتنی بر PCR و روش‌های دیگر به کار می‌رود.
تولید صنعتی باکتریوسین‌ها
تولید نیسین، تنها باکتریوسین که از FDA مجوز استفاه در صنایع غذایی دارد، در مقیاس صنعتی با کشت لاکتوکوکوس لاکتیس صورت می‌گیرد. مطالعات کشت نشان می‌دهد این باکتریوسین در دوره رشد تولید شده و با ورود باکتری به دوره رشد سکون، تولید متوقف می‌شود.
آب پنیر (و ترکیبات لبنی) یکی از اجزا تشکیل‌دهنده محیط کشت صنعتی تولید باکتریوسین است. انتخاب محیط کشت مناسب برای تولید باکتریوسین‌ها یکی از عوامل مهم برای تولید اقتصادی محسوب می‌شود. چرا که محیط کشت تقریباً 30 درصد هزینه تولید را تشکیل می‌دهد؛ علاوه بر این، حضور پروتئین‌های با وزن مولکولی نزدیک به باکتریوسین هدف، جداسازی و خالص‌سازی محصول را در فرایندهای پایین‌دستی با مشکل مواجه می‌کند.
برای بهینه‌سازی تولید باکتریوسین‌ها، علاوه بر بهینه‌سازی محیط و استفاده از روش‌های مختلف کشت (مثل کشت پیوسته، منقطع، تثبیت سلول و …)، لازم است میکروارگانیسم تولیدکننده نیز با مهندسی بهبود داده شود. مهندسی سویه را می‌توان از طریق تکامل تطبیقی، بیان ژن در سلول‌های میزبان و دیگر ابزارها و روش‌های مهندسی ژنتیک انجام داد.
بیان ناهمگن باکتریوسین‌ها
باکتری‌ها و مخمر‌ها میزبان‌های مناسبی برای بیان و تولید باکتریوسین‌های نوترکیب هستند. گزارش‌های زیادی در مورد بیان موفقیت‌آمیز باکتریوسین‌های مختلف در باکتری و مخمرهای غیر تولیدکننده این ماده وجود دارد. با این حال، تولید باکتریوسین‌های نوترکیب با استفاده از بیان ناهمگن تقریباً پایین بوده و در بعضی موارد، محصول تولید شده فعالیت ضد میکروبی پایینی از خود نشان می‌دهد.
به خاطر بازدهی پایین تولید باکتریوسین‌ها در کشت میکروبی و هزینه‌های لازم برای خالص‌سازی، به نظر می‌رسد سنتز شیمیایی راه‌حل مناسبی برای تولید این پپتید‌ها باشد. پیشرفت‌های حوزه شیمی برای کاتالیز ویرایش‌های پساترجمه‌ای، کاهش هزینه مواد استفاده شده و همچنین امکان تولید محصول با خلوص بالا این روش را به یک گزینه مناسب برای تولید باکتریوسین‌های با کاربرد پزشکی تبدیل می‌کند. از جمله باکتریوسین‌های سنتز شده به روش شیمیایی، می‌توان به پدیوسین PA-1 اشاره کرد. البته بازدهی پایین چالشی است که استفاده از روش سنتز شیمیایی پپتید را محدود می‌کند.
جهش‌زایی باکتریوسین‌ها
طراحی منطقی باکتریوسین‌ها با استفاده از جهش‌زایی مستقیم روش مناسبی برای تولید محصول با خواص ضدمیکروبی دلخواه است. به عنوان مثال، در مورد نیسین با جایگزین کردن آمینو اسید‌های مناسب در موقعیت 20، 21 و 22 از این پپتید، فعالیت ضد میکروبی آن افزایش چشم‌گیری پیدا می‌کند.
سالیواریسینP باکتریوسینی است که نقش حفاظتی برای دستگاه گوارش در برابر عفونت میکروبی ایجاد می‌کند. پروتئاز تریپسین که در معده ترشح می‌شود، می‌تواند این ماده را تخریب و از فعالیت آن جلوگیری می‌کند. بنابراین، تجویز خوراکی این باکتریوسین با مشکل مواجه می‌شود. با اصلاح جایگاه اتصال باکتریوسین و تریپسین، می‌توان فعالیت ضد میکروبی سالیواریسینP را در برابر پروتئاز معده حفظ کرد.
خالص‌سازی باکتریوسین‌ها
در تولید مقیاس صنعتی باکتریوسین‌ها، خالص‌سازی نقش مؤثری در خلوص، کاربرد و قیمت محصول ایفا می‌کند. مراحل اولیه خالص‌سازی، جداسازی سلول (سانتریفیوژ یا فیلتر)، رسوب‌گیری (با نمک) و تغلیظ (با روش‌های ایزوالکتریک یا کروماتوگرافی) را شامل می‌شود. دیگر روش‌های مرسوم برای جداسازی، مثل جداسازی دوفازی، اولترافیلتراسیون و استخراج با نمک نیز برای خالص‌سازی باکتریوسین‌ها کاربرد دارد.
جداسازی اقتصادی باکتریوسین‌ها گلوگاه اصلی در کاربرد صنعتی این مواد محسوب می‌شود. اندازه کوچک محصول و حضور ناخالصی‌های پروتئینی در کشت هزینه‌ها و مراحل جداسازی را افزایش می‌دهد. برای غلبه بر این چالش، یک نیاز فوری برای بهبود روش‌های پیشرفته مثل غشاهای اختصاصی و انتخاب‌پذیر برای جداسازی باکتریوسین‌ها وجود دارد.
باکتریوسین‌های ضد قارچ و ضد ویروس
در کنار خواص ضد باکتریایی، برخی از باکتریوسین‌ها برای تکثیر ویروس‌ها و رشد هاگ‌های قارچی خواص بازدارندگی دارند. برای نمونه، باکتریوسین تولیدشده توسط انتروکوکوس مانتی (Enterococcus mundtii ST4V) می‌تواند ویروس‌های هرپس سیمپلکس 1 و 2، فلج اطفال و سرخک را غیر فعال کند.
باکتریوسین‌های تولید شده از منابع میکروبی خواص ضد قارچی هم دارند. برخی از باکتری‌های جنس بورخولدریا می‌توانند باکترویسین‌هایی تولید کنند که روی آسپرژیلوس، ریزوپوس، موکور و پنی‌سیلیوم خواص بازدارندگی از خود نشان می‌دهد. باکتری‌هایی که به صورت طبیعی در برخی نوشیدنی‌های لبنی (مثل دوغ) وجود دارد، باکتریوسین‌هایی تولید می‌کنند که خواص ضد باکتریایی (هم برای باکتری‌های گرم مثبت و هم گرم منفی) و ضد قارچی (آسپرژیلوس، فوزاریوم، پنی‌سیلیوم و مخمرهای رودوترولا و کاندیدا) دارد.
تعداد زیادی از انواع باکتریوسین‌ها خواص ضد ویروسی و قارچی از خود نشان می‌دهند. با این وجود، برای کاربردهای غذایی و تولید داروهای ضد ویروسی از این مواد تقریباً هیچ تلاشی انجام نگرفته است.
کاربردهای صنعتی باکتریوسین‌ها
باکتریوسین‌ها بیشتر در صنایع غذایی کاربرد دارند. با کشف نمونه‌های جدید از این مواد، کاربردهای آن می‌تواند به صنایع دیگر مثل باغبانی علمی، پزشکی و محصولات مراقبت شخصی گسترش یابد. به جز استفاده به عنوان نگهدارنده مواد غذایی، برخی از باکتریوسین‌ها را می‌توان برای صنایع الکل‌سازی استفاده کرد. به عنوان نمونه، وجود برخی از باکتری‌های طبیعی روی ذرت، باعث کاهش بهره‌وری تولید اتانول می‌شود. برخی از گونه‌های لاکتوباسیلوس می‌توانند باکتریوسینی تولید کنند که این آلودگی‌های میکروبی را از بین برده و بازدهی تولید الکل را افزایش می‌دهد.
برخی دیگر از انواع باکتریوسین‌ها، برای از بین بردن باکتری‌های عامل فساد دندان، باکتری‌های عامل بیماری‌های عفونی و باکتری‌های بیماری‌زای دهان کاربرد دارند. بوی بد دهان ناشی از رشد برخی از انواع باکتری‌ها است. باکتری استرپتوکوک سالیواریوس انواعی از باکتریوسین‌ها را تولید می‌کند که می‌تواند برای رشد همه باکتری‌های عامل بوی بد دهان بازدارنده باشد.
به هر حال، باکتریوسین‌ها مولکول‌هایی با کاربردهای ضدمیکروبی در صنایع مختلف هستند که تا کنون، فقط یک مورد از آن‌ها، یعنی نیسین، از FDA مجوز دریافت کرده است. کشف انواع جدید باکتریوسین‌ها کاربرد این مواد را به حوزه‌های دیگر گسترش خواهد داد. بنابراین لازم است ضمن تلاش برای بهبود تولید اقتصادی محصول، برای دریافت مجوز از سازمان‌های دولتی کارهای بیشتری انجام گیرد.
این مطلب در 29 اکتبر 2018 در مجله Biotechnology advances منتشر شده است.
☑ نویسنده: Veeresh Juturu
☑ ترجمه و بازنویسی: یونس عبدالهی مفرد
☑ منبع
