Storia

Le batteriocine sono piccoli peptidi prodotti a livello ribosomico con proprietà antimicrobiche. Sono tipicamente descritte come aventi una specificità molto stretta, spesso mirando a specie o ceppi batterici simili. Alcune batteriocine hanno un ampio spettro di attività, come abbiamo osservato in concomitanza con la letteratura. Queste molecole hanno un grande potenziale per le applicazioni industriali.

Il video qui sotto illustra come le batteriocine possono influenzare la crescita batterica. Il video in alto mostra la crescita normale di E. coli (due ore di crescita in mezzo LB seguita da otto ore in una soluzione SENZA batteriocine). Il video in basso mostra E. coli cresciuta nelle stesse condizioni, ma in una soluzione CON batteriocine. (microscopia time-lapsed combinata con dispositivo microfluidico del laboratorio di microbiologia cellulare e molecolare dell’ULB)

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Storia

La storia delle batteriocine inizia con lo scienziato belga André Gratia. Nel 1925, come primo risultato di una ricerca di batteri con proprietà antimicrobiche, Gratia descrisse l’attività della colicina, la prima batteriocina conosciuta. Questa scoperta avvenne in concomitanza con la descrizione di Alexander Fleming dell’antibiotico penicillina nel 1928 e le osservazioni indipendenti dell’attività dei batteriofagi da parte di Frederick Twort nel 1915 e Félix d’Hérelle nel 1917.

Le batteriocine non ricevettero lo stesso livello di attenzione degli antibiotici, poiché la mancanza di comprensione della loro biologia portò a difficoltà nella loro produzione e scarsa consistenza nel controllo della crescita microbica. Questo ha portato al dominio degli antibiotici ad ampio spettro sintetizzati chimicamente per il resto del XX secolo fino ad oggi. Problemi simili sono stati osservati con i batteriofagi, anche se hanno trovato un ampio uso medico nel paese della Georgia attraverso il lavoro di d’Hérélle e George Eliava, così come in Russia e in Polonia L’uso dei batteriofagi nell’industria casearia è stato commercializzato anche negli Stati Uniti e nei Paesi Bassi.

Oggi, l’uso della batteriocina è più spesso associato all’industria alimentare. Molte batteriocine sono prodotte da specie Gram-positive, in particolare da batteri produttori di acido lattico come Lactoccocus sp. La nisina è la più utilizzata tra queste batteriocine, che agisce come conservante alimentare, e ha lo status GRAS (generalmente riconosciuto come sicuro) dalla FDA ed è approvato come conservante (additivo alimentare) nell’Unione europea (E234).

Resistenza antimicrobica (AMR)

L’emergenza della resistenza antimicrobica (AMR) ha grandi implicazioni negative per la salute umana. La riduzione dell’uso di antibiotici in applicazioni mediche e industriali dovrebbe essere un obiettivo comune per ridurre la quantità di antibiotici rilasciati nell’ambiente. Le batteriocine offrono un approccio promettente per risolvere questo problema. Inoltre, evitare l’uso di antibiotici nelle applicazioni industriali dei biofermentatori può ridurre i costi di produzione e aiutare a concentrare l’output metabolico sulla produzione.

Nuovi sviluppi nella ricerca accademica

Le batteriocine sono anche note per svolgere un ruolo nella comunicazione e nell’ecologia batterica. Per esempio, l’intestino e la cavità orale sono parti del corpo umano che ospitano migliaia di specie batteriche diverse. Questi batteri, spesso benefici per la salute umana, sono continuamente in un ambiente stressante e competono per il cibo e lo spazio. Quando era ricercatore nel laboratorio del Prof. Pascal Hols (UCL/LIBST), il Dr. Johann Mignolet (ora R&D Project Manager di Syngulon) ha dimostrato che Streptococcus salivarius, un batterio commensale dell’intestino umano, utilizza un feromone di comunicazione per innescare contemporaneamente due risposte: la capacità di modificare il suo genoma attraverso l’acquisizione di DNA “estraneo” e la produzione di potenti batteriocine. Queste tossine o varianti non trasformabili di S. Salivarius potrebbero essere utilizzate a scopi medici per uccidere superbatteri multi-resistenti dannosi come Staphylococcus aureus e diversi streptococchi (Mignolet et al 2018; PMID: 29444418; DOI: 10.1016/j.celrep.2018.01.055).

Questa figura adattata da Mignolet et al, 2018, mostra le diverse cascate trascrizionali che innescano l’ingresso di competenza e l’espressione dei geni codificanti la batteriocina in quattro diversi modelli di streptococchi: S. salivarius, S. thermophilus, S. mutans e pneumoniae. Particolarmente interessante è che il sistema di regolazione della batteriocina BlpRH/BlpC manca o è incompleto in S. Salivarius. Le caselle mostrano i sistemi condivisi tra le specie. Grandi frecce continue rappresentano il controllo trascrizionale, e le frecce tratteggiate mostrano la traduzione delle proteine. Piccole frecce continue indicano il movimento della proteina/peptide/fosfato.

Il saggio di uccisione del batterio qui sotto dimostra l’aggiunta di un feromone che induce la produzione di batteriocina, che porta ad un effetto inibitorio sui batteri circostanti.