Transcript البكتريوسينات وآلية عملها في البكتريا

‫البكتريوسينات وآلية عملها في البكتريا‬
‫‪‬‬
‫المقدمة ‪-:‬‬
‫بدأت دراسة البكتريوسينات عام ‪ 1925‬باكتشاف بالزميد يحمل‬
‫جينات تشفر لبروتين تنتجه ‪ Esherichia coli‬هذا البروتين يعمل على‬
‫قتل الخاليا البكتيرية المعوية األخرى قريبة الصلة بالبكتريا المنتجة له‬
‫‪ )Rily and chavan,2007(.‬وأطلق ( ‪Gratia and fredricqe‬‬
‫‪ )1946‬اسم (‪ )Colicin‬على البروتين الذي تنتجه بعض سالالت‬
‫‪ E.coli‬والـ (‪ )Colicin‬يعد مركب معقد من مركبات السكريات‬
‫المتعددة الدهنية (‪. )Lipopoly saccharde‬‬
‫‪‬‬
‫لم يقتصر إنتاج البكتريوسينات على أفراد العائلة المعوية لذلك أطلق‬
‫(‪ )Tagg et al ., 1976‬مصطلح البكتريوسين ‪ Bacteriocin‬الشامل‬
‫على البكتريا المنتجة له سواء كانت سالبة أم موجبة لصبغة كرام‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تعرف البكتريوسينات ‪ -:‬أنها مركبات حيوية ناتجة من البكتريا وهي مواد‬
‫ّ‬
‫بروتينية قد تكون متحدة مع الدهون أو الكاربوهيدرات وهي قاتلة لسالالت نفس‬
‫النوع أو أنواع مقاربة وان فعلها القاتل يعزى الرتباطها مع مستلمات الخلية‬
‫الحساسة له ‪( .‬بهجت ‪ ، )1983 ,‬تنتج ‪ %90‬من البكتريا ومنها البكتريا الموجبة‬
‫والسالبة لصبغة كرام مواد مضادة لنمو البكتريا وهي ببتيدات لها خصائص‬
‫مضادة للجراثيم وال تتبع من الناحية التقسيمية المضادات الحيوية حيث تختلف‬
‫عنها في كونها ضيقة الطيف في القتل وسامة للبكتريا القريبة جدا من الساللة أو‬
‫(‪)Jack et al.,1995‬‬
‫النوع المنتج للبكتريوسين ‪.‬‬
‫ثم إنتاج العديد من البروتينات المضادة للبكتريا بوساطة عدد من البكتريا الموجبة‬
‫لصبغة كرام حيث استخدمت بكتريا حامض الالكتيك ‪Lactic Acid Bacteria‬‬
‫)‪ (LAB‬كمواد حافظة طبيعية لألغذية حيث تعتبر مواد آمنة صحيا تتحلل‬
‫بواسطة األنزيمات المحللة للبروتينات الموجودة في إفرازات المعدة ‪ ,‬لهذا ال‬
‫تعتبر البكتريوسينات مواد ضارة لإلنسان والحيوان حيث يتم إضافتها لزيادة فترة‬
‫حفظ األغذية (‪ )Konings et al,2000‬إن ميكانيكية عمل البكتريوسينات تتمثل‬
‫إما بإحداث ثقوب بالغشاء السايتوبالزمي او تثبيط بناء الجدار الخلوي للخلية‬
‫الهدف أو تثبيط العمليات االيضية مثل إيقاف بناء األحماض النووية او البروتين‪.‬‬
‫(الجبوري ‪ ,‬والنقار ‪)2003 ،‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫الهدف من البحث ‪:‬‬
‫للتعريف بالبكتريوسين وأنواعه وصفاته والية عمله والعوامل‬
‫المؤثرة على إنتاجه وإمكانية استخدامه في األغذية وطرق‬
‫الكشف عن إنتاجه وتنقيته‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تسمية البكتريوسينات ‪-:‬‬
‫اعتمدت تسمية البكتريوسينات على االشتقاق من اسم البكتريا‬
‫المنتجة لها بإضافة المقطع (‪ )cin‬مثال ‪ Pyocin‬مشتق من‬
‫اسم البكتريا ‪(Pseudomonas pyocyaneae‬القس‪ (2002,‬أو‬
‫قد تعتمد التسمية على الطيف التثبيطي للبكتريا المنتجة له‬
‫حيث تم التمييز بين (‪ )17‬نوع من ‪ Colicin‬اعتمادا على‬
‫اختبارات المقاومة للمادة المثبطة ‪ ،‬باستخدام عدد من‬
‫السالالت الحساسة لها ‪ ،‬و بعد سنوات عديدة ثم التصديق‬
‫على تسمية البكتريوسين اعتمادا على اسم نوع أو جنس‬
‫البكتريا المنتجة أو اعتمادا على جينات الساللة المنتجة أو‬
‫اعتمادا على الخاليا المستقبلة للبكتريوسين ‪.‬‬
‫‪‬‬
‫الطيف التثبيطي البكتريوسينات ‪:‬‬
‫‪ ‬يقصد بالطيف التثبيطي قابلية البكتريوسينات على تثبيط‬
‫البكتريا التي لها صلة بالبكتريا المنتجة بشكل تام كبعض‬
‫األنواع من أجناس ‪Lactobacillus‬له طيف تثبيطي تجاه‬
‫البكتريا الموجبة لصبغة كرام والتي لها صلة اقل مثل‬
‫‪ Clostridium botulinum , Staphylococcus aureus‬يعد‬
‫النيسينين ‪ Nisin‬من البكتريوسينات التي لها مدى تثبيطي‬
‫واسع تجاه عدد كبير من البكتريا الموجبة لصبغة كرام كما‬
‫يمنع نمو سبورات ‪ C.botulinum , Bacillus cereus‬كما يثبط‬
‫البكتريا المرضية المسببة لتلف األغذية‬
‫(‪.)Rasch and knochel,1998‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫أنواع البكتريوسين ‪:‬‬
‫البكتريوسين المنتج من البكتريا السالبة لصبغة كرام ‪:Gr-‬‬
‫تنتج البكتريا السالبة لصبغة كرام العديد من البكتريوسينات التي تم تسميتها‬
‫بشكل خاص اعتماداً على األجناس أو األنواع مثل ‪ colcin‬من النوع ‪ E.coli‬أما‬
‫البكتريوسينات المنتجة من جنس ‪ Pseudomonas‬فيشار إليها بصورة عامة‬
‫‪Pyocin‬‬
‫( ‪ .)Riley and chavan,2007‬إن معظم البكتريوسينات التي تنتجها البكتريا‬
‫السالبة لصبغة كرام فعالة ضد األنواع القريبة جداً فقط ‪.‬‬
‫البكتريوسين المنتج من البكتريا الموجبة لصبغة كرام ‪-:Gr+‬‬
‫إن البكتريوسين المنتج من البكتريا الموجبة لصبغة كرام والتابعة لبكتريا‬
‫حامض الالكتيك ‪ )LAB(Lactic acid Bacteria‬عبارة عن مضادات حيوية‬
‫بروتينية والتابعة للنوع ‪ Lactococcus Lactis‬والمسمى بالنيسين ‪ Nisin‬وثبت‬
‫أالن استخدامه غذا ًء إضافيا ً في ‪ 50‬دولة حيث إن مادة ‪ Nisin‬هي الرائدة في‬
‫مجال البكتريوسين لمدى وتنوع تطبيقاتها العملية في مجال الصناعة الغذائية‬
‫وحفظ األغذية‬
‫‪ ‬بعض الصفات الكيميائية والفيزيائية للبكتريوسين ‪-:‬‬
‫‪ ‬درست الطبيعة الكيمياوية لبعض أنواع البكتريوسينات حيث تبين أنها‬
‫مركبات بروتينية بسيطة إلى مقترنة مع دهون وكربوهيدرات إال أن‬
‫الجزء الفعال الذي يعزى إليه التأثير القاتل للبكتريا ذات طبيعة‬
‫بروتينية ويتحطم باالنزيمات المحللة للبروتين‪ ( .‬الشبيب ‪)1982 ،‬‬
‫‪ ‬تمتلك مدى فعالية ضيق ومركز على األنواع القريبة وان فعلها القاتل‬
‫يعزى لوجود مستلمات خاصة‬
‫على الخلية الحساسة ( بهجت ‪)1983 ،‬‬
‫‪ ‬وجود المادة الوراثية المسؤولة عن إنتاج البكتريوسين والمقاومة ضده‬
‫على البالزميد فالسالالت التي تمتلكه تكون مقاومة للبكتريوسين أو‬
‫بمنأى عن التأثير القاتل للبكتريوسين‪.‬‬
‫( العبدلي ‪)2005 ،‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫التغاير في األلفة للماء ‪ amphipathic‬بما يسهل عملية‬
‫التفاعل مع غشاء الخاليا الحساسة‪.‬‬
‫(‪)clarke et al ,. 1975‬‬
‫تعد البكتريوسينات ايونات موجبة الشحنة ال تتأثر بالمطهرات ذات‬
‫الشحنة السالبة أو غير األيونية وتعمل هذه المواد الحيوية على تخلخل‬
‫في غشاء سايتوبالزم الخاليا الحساسة لتأثير البكتريوسين ‪.‬‬
‫نظرا العتبار البكتريوسين مادة بروتينية فان بعض البكتريوسينات‬
‫ذات األوزان الجزئية العالية يمكن إن تستعمل مستضدات ممتازة‪.‬‬
‫(‪)Tagg et al ., 1973‬‬
‫الثبوتية تجاه الحرارة واألس الهيدروجيني للبكتريوسينات ذات الوزن‬
‫الجزيئي الواطىء ويعد النياسين ‪ Nisin‬من البكتريوسينات التي تتميز‬
‫بفاعلية عالية في مديات واسعة من األس الهيدروجيني وثبوتيتها تجاه‬
‫(‪)Hurst,1978‬‬
‫درجة الحرارة العالية‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫جينات إنتاج البكتريوسين‪:‬‬
‫إن المسؤول عن إنتاج البكتريوسينات هو جينات البالزميد او الكروموسوم أو‬
‫كالهما والجينات المتخصصة بإنتاج البكتريوسينات تكون متجمعة بشكل عناقيد‬
‫(‪ )Clustered‬تتوقف على ألجين التركيبي وقريبة من جينات المناعة ‪.‬‬
‫إن عناقيد جينات البكتريوسينات تتألف من ثالثة جينات مرتبطة بقوة غالبا ما‬
‫توجد على البالزميد وهي ‪-:‬‬
‫جين الذيفان ‪Toxin gene‬‬
‫الجين المناعي ‪Immunity gene‬‬
‫جين التحلل ‪Lysis gene‬‬
‫جين الذيفان هو المسؤول عن إنتاج البكتريوسين وله فاعلية لقتل خاليا الهدف‬
‫والجين المناعي يشفر لبروتين يحمي الخلية من فعل القتل ببروتين البكتريوسين‬
‫والبروتين االنحاللي الناتج عن جين التحلل يعمل على تدمير الخلية الهدف‪.‬‬
‫(‪)Chavan et al.,2005‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫العوامل المؤثرة في إنتاج البكتريوسين ‪:‬‬
‫درجة الحرارة ‪ :‬تعتبر درجة الحرارة من أهم العوامل التي تؤثر في إنتاج‬
‫البكتريوسين بصورة عامة فدرجة الحرارة المثلى لنمو األحياء المجهرية المنتجة‬
‫البكتريوسينات تزيد من إنتاج البكتريوسين وقد أوضح بعض الباحثين إن درجة‬
‫الحرارة المرتفعة توقف عملية اإلنتاج نهائيا وأحيانا ً قد تفقد البكتريا المنتجة صفة‬
‫اإلنتاج (‪. )Tagg et al.,1976‬‬
‫األس الهيدروجيني ‪ :‬وجد العالم (‪ )Biswas et al., 1991‬هذا العامل قد يؤثر في‬
‫عملية اإلنتاج كما ان بعض انواع البكتريا تنتج بكتريوسينات بكمية عالية اعتماداً‬
‫على قيمة األس الهيدروجيني األولي عند النمو ويزداد إنتاجها عند تركيز األس‬
‫الهيدروجيني القريب من التعادل (‪.)Tagg et al.,1973‬‬
‫التهوية ‪ :‬إن تهوية المزرعة البكتيرية تؤدي إلى زيادة كمية البكتريوسين المنتجة‬
‫خاصة في حالة البكتريوسين المنتج من المكورات العنقودية بينما اغلب بكتريا‬
‫حامض الالكتيك تنمو في ظروف ال هوائية وبوجود كمية من ‪Tagg et ( CO2‬‬
‫‪.)al . , 1976‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫فترة التحضين ‪ :‬إن تحديد الفترة الزمنية الكافية للحصول على أفضل كمية من‬
‫البكتريوسين يجب أن يتم تجريبيا ً 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
‫نوعية البيئة ومكونات الوسط ‪ :‬تعد البكتريوسينات من مركبات االيض الثانوية ‪.‬‬
‫وتخلق خالل طور النمو الثابت ‪ ,‬غير إن أفضل ناتج في المزرعة ممكن يحدث‬
‫عند بعض أطوار النمو مثال في طور النمو اللوغاريتمي ويصل أعاله بعد ‪ 24‬أو‬
‫‪ 48‬ساعة من التحضين إن اغلب البكتريوسينات تنتج في بيئات معقدة وأشار‬
‫الباحث (‪ )Hardy,1975‬إلى أن وجود المصدر الكربوني والمصدر النتروجيني‬
‫إضافة للفيتامينات واألحماض االمينية ضمن مكونات الوسط تلعب دور في زيادة‬
‫إنتاج البكتريوسين ‪.‬‬
‫بعض االنزيمات المحللة للبروتينات تؤثر نسبيا ً في ثبوتية البكتريوسسينات مثل‬
‫التربسين والببسين من خالل تحليل األواصر الببتيدية وإحداث تغيير في سلسلة‬
‫األحماض األمينية مما يفقدها قدرتها على القيام بفعاليتها الحيوية ‪.‬‬
‫)‪( Tagg et al ., 1976‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫آلية عمل البكتريوسينات ‪:‬‬
‫تعتمد آلية عمل البكتريوسينات بشكل كبير على التركيب الكيمياوي للبكتريوسين وعلى الخاليا‬
‫المستقبلة لهذه المواد الكيمياحيوية‪.‬‬
‫وتختلف البكتريوسينات في آلية التأثير على الخلية الهدف ومن هذه اآلليات ‪-:‬‬
‫تأثير البكتريوسينات على الغشاء السايتوبالزمي ‪-:‬‬
‫يعتبر الغشاء السايتوبالزمي للبكتريا الموجبة لصبغة كرام هو الهدف األولي لعمل البكتريوسينات‬
‫(‪ )Ray and Daeschel , 1992‬يكون التاثير من خالل عمل فتحات او ثقوب في الغشاء‬
‫السايتوبالزمي تتسبب في تلفه ‪.‬‬
‫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) .‬‬
‫تأثير البكتريوسينات على الصنع الحياتي لألحماض النووية ‪ ,‬حيث تؤثر بعض أنواع‬
‫البكتريوسينات مثل ‪ Colicin‬على الصنع الحياتي لألحماض النووية ‪( .‬الشبيب‪)1982،‬‬
‫يؤثر البكتريوسين على النوع البكتيري ‪ Bacillus cereus‬الذي تسبب تسمم األغذية حيث يقلل عدد‬
‫الخاليا ويثبط قدرتها على إنتاج السموم الداخلية ويزيد من حساسية الجراثيم للحرارة في عينات‬
‫األغذية المعاملة بالحرارة ( الحيالي ‪)2012 ،‬‬
‫الشكل‪ -1-‬يوضح آلية عمل البكتريوسينات في الجدار والغشاء السايتو بالزمي للخلية البكتيرية‬
‫‪‬‬
‫التطبيقات الغذائية ‪-:‬‬
‫‪ ‬بكتريا حامض الالكتيك ‪:‬‬
‫‪ ‬إن إنتاج مجموعة من البروتينات المضادة للبكتريا بوساطة العديد من البكتريا الموجبة لصبغة‬
‫كرام جذبت االنتباه من حيث قدرتها التضادية واستخدامها في حفظ األغذية و للحد من تلوث‬
‫األغذية 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 األطعمة‬
‫يسبب طراوة المنتجات الطازجة أما الحفظ الحيوي باستخدام الكائن نفسه أو منتجاته ينتج عنه‬
‫إطالة فترة بقاء المواد الغذائية ودعم الصفات العضوية لألغذية ‪ ,‬جذبت بكتريا حامض الالكتيك‬
‫االهتمام لقدرتها على إنتاج بكتريوسينات عديدة آمنة صحيا حيث تتحلل بوساطة األنزيمات التي‬
‫تحلل البروتينات الموجودة في إفرازات المعدة لذا ال تعتبر البكتريوسينات مواد ضارة لإلنسان‬
‫والحيوان يعتبر النيسين ‪ Nisin‬من أكثر البكتريوسينات التي تثبط نمو بعض أنواع البكتريا التي‬
‫تسبب فساد األغذية والبكتريا الممرضة التي تتكاثر في األغذية مثل ‪Clostridium,Bacillus‬‬
‫استخدمت البكتريوسينات كمادة حافظة لمنتجات الجبن – المشروبات – الخضراوات المعلبة ‪ ,‬كما‬
‫استخدم النيسين ‪ Nisin‬في عالج القرحة الهضمية وفي السيطرة على التهاب الثدي في الماشية‬
‫كما تم تحضير بكتريوسين على شكل بودرة أضيف بنجاح‬
‫في غذاء األطفال ‪ ( .‬الحيالي ‪)2012 ،‬‬
‫‪‬‬
‫الكشف عن انتاج البكتريوسينات ‪:‬‬
‫‪ ‬هناك عدد من التقنيات المستخدمة للكشف عن البكتريوسينات الناتجة‬
‫من السالالت المنتجة اال ان اكثرها استعماال‬
‫هي طريقة التخطيط (‪. )Streak method‬‬
‫‪ ‬طريقة التخطيط ‪ Streak method‬وهي 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 االولي وسط الطبق وبعد التحضين‬
‫يتم الكشف عن انتاج البكتريوسين من خالل مالحظة مناطق شفافة‬
‫( منطقة تثبيط النمو ) ‪.‬‬
‫الشكل – ‪ -2‬يوضح المنطقة الشفافة ( منطقة تثبيط النمو ) للداللة على انتاج البكتريوسين‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تنقية البكتريوسين‪:‬‬
‫يقصد بفصل وتنقية البكتريوسين هو إزالة المواد والمركبات األخرى الموجودة مع المادة‬
‫البروتينية والحصول عليها بدرجة عالية من النقاوة وذلك لدراسة خواصها المميزة وتحسين‬
‫قابليتها على الحفظ عند استخدامها في األغذية ‪ ،‬هناك طرق عديدة مستخدمة في التنقية ومتباينة‬
‫من بكتريا ألخرى لكن هناك خطوات أساسية تتبع تشمل‪:‬‬
‫تركيز الراشح ‪:‬‬
‫تركيز البكتريوسين في أقل حجم وذلك من خالل فصل المواد الصلبة بالطرد‬
‫المركزي والترشيح ‪.‬‬
‫الترسيب باستخدام كبريتات االمونيوم مع ضرورة تعديل‬
‫األس الهيدروجيني ‪:‬‬
‫هذه المنتجات الحيوية هي مركبات حساسة تكون فعالة فقط تحت ظروف معينة من االس‬
‫الهيدروجيني ودرجة الحرارة لهذا يجب العناية في اختيار واستخدام الطرائق العلمية الالزمة‬
‫لفصل المنتوج بكفاءة عالية ‪ (.‬الشبيب ‪) 2009 ،‬‬
‫‪ ‬التوصيات‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ -1‬عزل وتنقية البكتريوسينات الستخدامها مواد حيوية حافظة في‬
‫المواد الغذائية بديالً عن المضادات الكيميائية غير الصحية واستخدام‬
‫البكتيروسينات في مجال صناعة األغذية وبديل عن المضادات‬
‫الحيوية ‪.‬‬
‫‪ -2‬اجراء التحسينات الوراثية على البكتريا المنتجة لزيادة انتاجها من‬
‫البكتريوسينات للتقليل من كلفة االنتاج والحصول على بكتريوسنيات‬
‫ذات فعالية تثبيطية أعلى ‪.‬‬
‫‪ -3‬استخدام التقانات المختلفة لزيادة فعالية البكتريوسينات في حفظ‬
‫المواد الغذائية كاستخدام درجات حرارة واوقات مختلفة في البسترة‬
‫والتعقيم ‪.‬‬
‫‪ -4‬امكانية انتاج البكتريوسينات على نطاق تجاري باستخدام المواد‬
‫االولية الرخيصة والمتوفرة من مخلفات المصانع ‪.‬‬
‫ً‬
‫شكرا إلصغائكم ومتابعتكم‬