Geschichte

Bacteriocine sind kleine, ribosomal produzierte Peptide mit antimikrobiellen Eigenschaften. Sie weisen in der Regel eine sehr enge Spezifität auf und richten sich oft gegen ähnlich verwandte Bakterienarten oder -stämme. Einige Bacteriocine haben ein breites Wirkungsspektrum, wie wir in Übereinstimmung mit der Literatur festgestellt haben. Diese Moleküle haben ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen.

Das folgende Video zeigt, wie Bakteriozine das Bakterienwachstum beeinflussen können. Das obere Video zeigt das normale Wachstum von E. coli (zwei Stunden Wachstum in LB-Medium, gefolgt von acht Stunden in einer Lösung OHNE Bacteriocine). Das untere Video zeigt E. coli, das unter den gleichen Bedingungen, aber in einer Lösung MIT Bakteriozinen gewachsen ist. (Zeitraffermikroskopie kombiniert mit einem mikrofluidischen Gerät des Labors für Zelluläre und Molekulare Mikrobiologie der ULB)

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Geschichte

Die Geschichte der Bacteriocine beginnt mit dem belgischen Wissenschaftler André Gratia. Im Jahr 1925 beschrieb Gratia auf der Suche nach Bakterien mit antimikrobiellen Eigenschaften die Aktivität von Colicin, dem ersten bekannten Bakteriozin. Diese Entdeckung erfolgte zeitgleich mit der Beschreibung des Antibiotikums Penicillin durch Alexander Fleming im Jahr 1928 und den unabhängigen Beobachtungen der Aktivität von Bakteriophagen durch Frederick Twort im Jahr 1915 und Félix d’Hérelle im Jahr 1917.

Bakteriozine erhielten nicht die gleiche Aufmerksamkeit wie Antibiotika, da ein mangelndes Verständnis ihrer Biologie zu Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung und einer geringen Konsistenz bei der Kontrolle des mikrobiellen Wachstums führte. Dies führte dazu, dass für den Rest des 20. Jahrhunderts bis heute chemisch synthetisierte Breitbandantibiotika dominieren. Ähnliche Probleme wurden bei Bakteriophagen beobachtet, obwohl sie in Georgien durch die Arbeit von d’Hérélle und George Eliava sowie in Russland und Polen in großem Umfang medizinisch genutzt werden. Der Einsatz von Bakteriophagen in der Milchwirtschaft wurde auch in den USA und den Niederlanden kommerzialisiert.

Heute werden Bakteriozine meist in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Viele Bakteriozine werden von Gram-positiven Arten produziert, insbesondere von Milchsäure produzierenden Bakterien wie Lactoccocus sp. Nisin ist das am häufigsten verwendete dieser Bakteriozine, das als Lebensmittelkonservierungsmittel wirkt und von der FDA den GRAS-Status (generally recognized as safe) hat und in der Europäischen Union als Konservierungsmittel (Lebensmittelzusatzstoff) zugelassen ist (E234).

Antimikrobielle Resistenz (AMR)

Das Auftreten von antimikrobieller Resistenz (AMR) hat große negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Die Reduzierung des Antibiotikaeinsatzes in medizinischen und industriellen Anwendungen sollte ein gemeinsames Ziel sein, um die Menge der in die Umwelt freigesetzten Antibiotika zu verringern. Bacteriocine bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Lösung dieses Problems. Darüber hinaus kann die Vermeidung des Einsatzes von Antibiotika in industriellen Anwendungen von Biofermentern die Produktionskosten senken und dazu beitragen, die Stoffwechselproduktion auf die Produktion zu konzentrieren.

Neue Entwicklungen in der akademischen Forschung

Bacteriocine spielen auch eine Rolle in der bakteriellen Kommunikation und Ökologie. So sind beispielsweise der Darm und die Mundhöhle Teile des menschlichen Körpers, die Tausende von verschiedenen Bakterienarten beherbergen. Diese Bakterien, die oft für die menschliche Gesundheit nützlich sind, befinden sich ständig in einer stressigen Umgebung und konkurrieren um Nahrung und Platz. Als Forscher im Labor von Prof. Pascal Hols (UCL/LIBST) wies Dr. Johann Mignolet (jetzt F&D-Projektleiter bei Syngulon) nach, dass Streptococcus salivarius, ein menschliches Darmbakterium, ein Kommunikationspheromon verwendet, um gleichzeitig zwei Reaktionen auszulösen: die Fähigkeit, sein Genom durch den Erwerb „fremder“ DNA zu verändern, und die Produktion potenter Bacteriocine. Diese Toxine oder nicht transformierbaren Varianten von S. Salivarius könnten für medizinische Zwecke genutzt werden, um schädliche multiresistente Superbugs wie Staphylococcus aureus und verschiedene Streptokokken abzutöten (Mignolet et al 2018; PMID: 29444418; DOI: 10.1016/j.celrep.2018.01.055).

Diese Abbildung, adaptiert aus Mignolet et al. (2018), zeigt die unterschiedlichen Transkriptionskaskaden, die den Kompetenzeintritt und die Expression von Bakteriocin-kodierenden Genen in vier verschiedenen Streptokokken-Modellen auslösen: S. salivarius, S. thermophilus, S. mutans und pneumoniae. Besonders interessant ist, dass das BlpRH/BlpC-Bakteriocin-Regulationssystem bei S. salivarius fehlt oder unvollständig ist. Die Kästen zeigen Systeme, die von verschiedenen Arten gemeinsam genutzt werden. Große durchgehende Pfeile zeigen die Transkriptionskontrolle an, gestrichelte Pfeile die Proteintranslation. Kleine durchgehende Pfeile zeigen die Bewegung von Proteinen/Peptiden/Phosphaten an.

Der nachstehende bakterientötende Test zeigt die Zugabe eines Pheromons, das die Bakteriocin-Produktion auslöst, was zu einer hemmenden Wirkung auf die umliegenden Bakterien führt.