Bacillus subtilis

редактировать
Каталазоположительная бактерия

Bacillus subtilis
Bacillus subtilis.jpg
TEM микрофотография B. subtilis в поперечном сечении (шкала = 200 nm )
Научная классификация
Домен:Бактерии
Тип:Firmicutes
Класс:Бациллы
Порядок:Bacillales
Семейство:Bacillaceae
Род:Bacillus
Виды:B. subtilis
Биномиальное название
Bacillus subtilis . (Ehrenberg 1835). Cohn 1872
Синонимы
  • Vibrio subtilis Ehrenberg 1835
  • До 2008 года Bacillus globigii считался B. subtilis, но с тех пор официально признан Bacillus atrophaeus.

Bacillus subtilis, известная также как сенная палочка или травяная палочка, является грамположительной, каталазной -положительной бактерией., обнаружен в почве и желудочно-кишечном тракте у жвачных и людей. Представитель рода Bacillus, B. subtilis имеет палочковидную форму и может образовывать прочную защитную эндоспору, позволяющую ему переносить экстремальные условия окружающей среды. B. subtilis исторически классифицировался как облигатный аэроб, хотя существуют доказательства, что это факультативный анаэроб. B. subtilis считается наиболее изученной грамположительной бактерией и модельным организмом для изучения репликации бактериальных хромосом и дифференцировки клеток. Он является одним из лидеров по производству секретируемого фермента среди бактерий и используется в промышленных масштабах биотехнологическими компаниями.

Содержание

  • 1 Описание
  • 2 Среда обитания
  • 3 Размножение
  • 4 Хромосомная репликация
  • 5 Геном
  • 6 Трансформация
  • 7 Использование
    • 7.1 1900-е
    • 7.2 2000-е
    • 7.3 Новые и искусственные субстраты
  • 8 Безопасность
    • 8.1 У других животных
    • 8.2 У людей
  • 9 Идентификация
  • 10 См. Также
  • 11 Ссылки
  • 12 Внешние ссылки

Описание

Bacillus subtilis - это грамположительная бактерия, палочковидная и каталазная -положительная бактерия. Первоначально он был назван Vibrio subtilis Кристианом Готфридом Эренбергом и переименован в Bacillus subtilis Фердинандом Коном в 1872 году (subtilis в переводе с латыни означает «прекрасный»). Клетки B. subtilis обычно имеют палочковидную форму, около 4–10 микрометров (мкм) в длину и 0,25–1,0 мкм в диаметре, с объемом клеток около 4,6 мкл в стационарной фазе. Как и другие представители рода Bacillus, он может образовывать эндоспору, чтобы выжить в экстремальных условиях окружающей среды с температурой и высыханием. B. subtilis является факультативным анаэробом и до 1998 года считался облигатным аэробом. B. subtilis сильно флагеллирован, что дает ему способность двигаться быстро в жидкостях. Доказано, что B. subtilis хорошо поддается генетическим манипуляциям и получил широкое распространение в качестве модельного организма для лабораторных исследований, особенно споруляции, что упрощенно пример клеточной дифференцировки. С точки зрения популярности в качестве лабораторной модели организма B. subtilis часто рассматривается как грамположительный эквивалент Escherichia coli, широко изученного грамотрицательного бактерия.

Среда обитания

Этот вид обычно встречается в верхних слоях почвы, и B. subtilis считается нормальным кишечным комменсалом у человека. В исследовании 2009 года сравнивали плотность спор, обнаруженных в почве (около 10 спор на грамм), с плотностью, обнаруженной в человеческих фекалиях (около 10 спор на грамм). Количество спор, обнаруженных в кишечнике человека, было слишком большим, чтобы его можно было приписать исключительно употреблению в пищу. B. subtilis был связан с ростом на возвышенностях и выступал в качестве идентификатора как экологической адаптации, так и здоровья медоносных пчел.

Воспроизводство

Спорулирующий B. subtilis. Еще одно окрашивание эндоспор B. subtilis.

Б. subtilis может делиться симметрично с образованием двух дочерних клеток (бинарное деление) или асимметрично с образованием единственной эндоспоры, которая может оставаться жизнеспособной в течение десятилетий и устойчивой к неблагоприятным условиям окружающей среды, например засуха, соленость, экстремальная pH, радиация и растворители. Эндоспоры образуются во время стресса, связанного с питанием, и в результате гидролиза, позволяя организму существовать в окружающей среде до тех пор, пока условия не станут благоприятными. До процесса споруляции клетки могут стать подвижными, продуцируя жгутики, поглощая ДНК из окружающей среды или продуцируя антибиотики. Эти реакции рассматриваются как попытки поиска питательных веществ путем поиска более благоприятной среды, позволяющей клетке использовать новый полезный генетический материал или просто путем подавления конкуренции.

В стрессовых условиях, таких как недостаток питательных веществ, B. subtilis подвергается процессу споруляции. Этот процесс очень хорошо изучен и служит модельным организмом для изучения споруляции.

Хромосомная репликация

B. subtilis - модельный организм, используемый для изучения репликации бактериальных хромосом. Репликация единственной кольцевой хромосомы начинается в единственном локусе, источнике (oriC ). Репликация происходит двунаправленно, и две репликационные вилки продвигаются по хромосоме по часовой стрелке и против часовой стрелки. Репликация хромосомы завершается, когда вилки достигают концевой области, которая расположена напротив начала координат на карте хромосомы. Конечная область содержит несколько коротких последовательностей ДНК (Ter-сайтов), которые способствуют остановке репликации. Определенные белки опосредуют все этапы репликации ДНК. Сравнение белков, участвующих в репликации хромосомной ДНК у B. subtilis и Escherichia coli, обнаруживает сходства и различия. Хотя основные компоненты, способствующие инициации, удлинению и прекращению репликации, являются хорошо консервативными, могут быть обнаружены некоторые важные различия (например, у одной бактерии отсутствуют белки, необходимые для другой). Эти различия подчеркивают разнообразие механизмов и стратегий, которые различные виды бактерий приняли для выполнения дублирования своих геномов.

Геном

B. subtilis насчитывает около 4100 генов. Из них только 192 оказались незаменимыми; еще 79 были предсказаны как необходимые. Подавляющее большинство основных генов было отнесено к относительно небольшому количеству областей клеточного метаболизма, при этом около половины участвовало в обработке информации, одна пятая участвовала в синтезе клеточной оболочки и определении формы и деления клетки, а одна десятая была связана с клеткой. энергетика.

Полная последовательность генома субштамма B. subtilis QB928 имеет 4 146 839 пар оснований ДНК и 4292 гена. Штамм QB928 широко используется в генетических исследованиях из-за наличия различных маркеров [aroI (aroK) 906 purE1 dal (alrA) 1 trpC2].

Некоторые некодирующие РНК были охарактеризованы в геноме B. subtilis в 2009 г., включая РНК Bsr. Сравнительный геномный анализ на основе микрочипов показал, что представители B. subtilis демонстрируют значительное геномное разнообразие.

FsrA - это малая РНК, обнаруженная в Bacillus subtilis. Он является эффектором железосохраняющего ответа и действует для подавления железосодержащих белков в периоды низкой биодоступности железа.

Трансформация

Естественная бактериальная трансформация включает перенос ДНК от одной бактерии к другой через окружающую среду. У B. subtilis длина перенесенной ДНК превышает 1271 килобайт (более 1 миллиона оснований). Перенесенная ДНК, вероятно, представляет собой двухцепочечную ДНК и часто составляет более трети общей длины хромосомы в 4215 т.п.н. Похоже, что около 7–9% клеток-реципиентов занимают целую хромосому.

Для связывания бактерии-реципиента необходимо взять экзогенную ДНК от другой бактерии того же вида и рекомбинировать ее в свою хромосому., он должен войти в особое физиологическое состояние, называемое компетенцией. Компетентность B. subtilis индуцируется к концу логарифмического роста, особенно в условиях ограничения аминокислот. В этих стрессовых условиях полубогащения клетки обычно имеют только одну копию своей хромосомы и, вероятно, имеют повышенное повреждение ДНК. Чтобы проверить, является ли трансформация адаптивной функцией B. subtilis для восстановления повреждений ДНК, были проведены эксперименты с использованием ультрафиолетового света в качестве повреждающего агента. Эти эксперименты привели к выводу, что компетентность с захватом ДНК специфически индуцируется условиями повреждения ДНК, и что трансформация функционирует как процесс рекомбинационной репарации повреждений ДНК.

Хотя естественное компетентное состояние является обычным явлением. в лабораторных условиях B. subtilis и полевых изолятах, некоторые промышленно значимые штаммы, например B. subtilis (натто) не склонны к захвату ДНК из-за наличия систем рестрикционной модификации, которые разрушают экзогенную ДНК. Мутанты B. subtilis (natto), дефектные по эндонуклеазе системы рестрикционной модификации I типа, способны действовать как реципиенты конъюгативных плазмид в экспериментах по спариванию, открывая путь для дальнейшей генной инженерии этого конкретного штамма B. subtilis.

Использует

1900-е годы

окрашенные по Граму B. subtilis

Культуры B. subtilis были популярны во всем мире до появления антибиотиков в качестве иммуностимулирующего средства для облегчения лечения желудочно-кишечных и заболеваний мочевыводящих путей. Он использовался на протяжении 1950-х годов как альтернативная медицина, которая при пищеварении значительно стимулирует иммунную активность широкого спектра, включая активацию секреции специфических антител IgM, IgG и IgA и высвобождение динуклеотидов CpG, индуцирующих активность по продуцированию INF A / Y лейкоцитов и цитокинов, важных для развития цитотоксичность по отношению к опухолевым клеткам. Он продавался по всей Америке и Европе с 1946 года в качестве иммуностимулирующего средства при лечении заболеваний кишечника и мочевыводящих путей, таких как ротавирус и шигеллез. Сообщалось, что в 1966 году армия США сбрасывала bacillus subtilis на решетку станций метро Нью-Йорка на четыре дня, чтобы наблюдать за реакцией людей, когда они покрываются странной пылью, поскольку из-за ее способности выжить она, как полагают, до сих пор остается.

С 1960-х гг. B. subtilis использовалась в качестве подопытного вида в космических экспериментах. Его эндоспоры могут выжить до 6 лет в космосе, если покрыты частицами пыли, защищающими его от солнечных УФ-лучей. Он использовался в качестве индикатора выживаемости экстремофилов в космическом пространстве, например, Exobiology Radiation Assembly, EXOSTACK и EXPOSE орбитальные миссии.

Природные изоляты B. subtilis дикого типа трудны для работы по сравнению с лабораторными штаммами, которые прошли процессы одомашнивания мутагенеза и отбора. Эти штаммы часто обладают улучшенными возможностями трансформации (поглощения и интеграции ДНК окружающей среды), роста и потери способностей, необходимых «в дикой природе». И хотя существуют десятки различных штаммов, соответствующих этому описанию, штамм, обозначенный как «168», является наиболее широко используемым. Штамм 168 представляет собой ауксотроф по триптофану, выделенный после мутагенеза с помощью рентгеновских лучей штамма B. subtilis Marburg, и он широко используется в исследованиях благодаря своей высокой эффективности трансформации

Колонии B. subtilis, выращенные на культуральной чашке в лаборатории молекулярной биологии

B. globigii, близкородственный, но филогенетически особый вид, ныне известный как Bacillus atrophaeus, использовался в качестве имитатора биологической войны во время проекта SHAD (он же Project 112). Последующий геномный анализ показал, что штаммы, использованные в этих исследованиях, были продуктами преднамеренного обогащения штаммов, которые демонстрировали аномально высокие скорости споруляции.

Штамм B. subtilis, ранее известный как Bacillus natto, используется в коммерческом производстве Японская еда nattō, а также аналогичная корейская еда cheonggukjang.

2000-е годы

  • В качестве модельного организма B. subtilis обычно используется в лабораторных исследованиях, направленных на обнаружение основных свойств и характеристик грамположительных спорообразующих бактерий. В частности, основные принципы и механизмы, лежащие в основе образования прочных эндоспор, были выведены из исследований образования спор у B. subtilis.
  • Его свойства связывания с поверхностью играют роль в безопасных радионуклидных отходах [например, торий (IV) и плутоний (IV)] утилизация.
  • Благодаря своим превосходным ферментационным свойствам, с высоким выходом продукта (от 20 до 25 грамм на литр) он используется для производства различных ферментов, таких как амилаза и протеазы.
  • B. subtilis используется как почвенный инокулянт в садоводстве и сельском хозяйстве.
  • . Он может принести некоторую пользу производителям шафрана за счет ускорения роста клубнелуковиц и усиления стигмы выход биомассы.
  • Он используется как «индикаторный организм» во время процедур газовой стерилизации, чтобы гарантировать успешное завершение цикла стерилизации. Это связано с трудностями стерилизации эндоспор.
  • B. subtilis действует как полезный фунгицид биопродукта, который предотвращает рост Monilinia Vacinii-corymbosi, также известного как гриб ягодный мумие, не влияя на опыление или качество плодов.
  • Как метаболически активный, так и неметаболически активный B Было показано, что клетки.subtilis восстанавливают золото (III) до золота (I) и золота (0) в присутствии кислорода. Это биотическое восстановление играет роль в круговороте золота в геологических системах и потенциально может быть использовано для извлечения твердого золота из указанных систем.

Новые и искусственные субстраты

  • Новые штаммы B. subtilis, которые могут использовать 4-фтортриптофан (4FTrp) но не канонический триптофан (Trp) для размножения были выделены. Поскольку Trp кодируется только одним кодоном, есть доказательства того, что Trp может быть замещен 4FTrp в генетическом коде. Эксперименты показали, что канонический генетический код может быть изменчивым.
  • Рекомбинантные штаммы pBE2C1 и pBE2C1AB были использованы в производстве полигидроксиалканоатов (PHA), а солодовые отходы могут использоваться в качестве источника углерода для более дешевое производство PHA.
  • Он используется для производства гиалуроновой кислоты, которая используется в секторе ухода за суставами в здравоохранении и косметике.
  • Monsanto выделила ген из B. subtilis, который экспрессирует белок В холодового шока, и сплайсировал его в их устойчивый к засухе гибрид кукурузы MON 87460, который был одобрен для продажи в США в ноябре 2011 года.
  • Новый штамм был модифицирован для получения мед

Безопасность

У других животных

B. subtilis был рассмотрен FDA Центром ветеринарной медицины США и обнаружил, что не представляет проблем с безопасностью при использовании в микробных продуктах прямого кормления, поэтому Американская ассоциация официальных лиц по контролю кормов внесла его в список одобренных для использования в качестве корм для животных ингредиент в соответствии с Разделом 36.14 «Микроорганизмы прямого кормления». Канадское агентство по надзору за пищевыми продуктами Секция здоровья животных и производства кормов классифицирует обезвоженные кормовые ингредиенты Bacillus culture, утвержденные в качестве силосных добавок в соответствии с Приложением IV-Часть 2-Класс 8.6, и присвоила международный номер кормового ингредиента IFN 8-19- 119. С другой стороны, несколько кормовых добавок, содержащих жизнеспособные споры B. subtilis, были положительно оценены Европейским органом по безопасности пищевых продуктов в отношении их безопасного использования для набора веса в животноводстве.

У людей

B. subtilis могут пережить сильную жару во время приготовления. Некоторые штаммы B. subtilis вызывают вязкость - липкую, вязкую консистенцию, вызванную производством бактериями длинноцепочечных полисахаридов - испорченного хлебного теста. Долгое время по данным биохимических тестов рыхлость хлеба была однозначно связана с видами B. subtilis. Молекулярные анализы (анализ методом ПЦР с произвольной амплификацией полиморфной ДНК, анализ денатурирующего градиентного гель-электрофореза и секвенирование области V3 рибосомальной ДНК 16S) выявили большее разнообразие видов Bacillus в хлопьях, которые все, по-видимому, обладают положительной активностью амилазы и высокой термостойкостью. B. subtilis CU1 (2 × 10 спор в день) оценивали в 16-недельном исследовании (10-дневное введение пробиотика с последующим 18-дневным периодом вымывания каждый месяц; повторение той же процедуры в течение всего 4 месяцев) у здоровых субъектов.. B. subtilis CU1 оказался безопасным и хорошо переносимым субъектами без каких-либо побочных эффектов.

B. subtilis и производные от него вещества были оценены различными авторитетными органами на предмет их безопасного и полезного использования в пищевых продуктах. В Соединенных Штатах в письме-заключении, выпущенном в начале 1960-х годов Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), некоторые вещества, полученные из микроорганизмов, признаны общепризнанными как безопасные (GRAS), в том числе ферменты карбогидразы и протеазы B. subtilis. Мнения основывались на использовании непатогенных и нетоксикогенных штаммов соответствующих организмов и на использовании современной надлежащей производственной практики. FDA заявило, что ферменты, полученные из штамма B. subtilis, широко использовались в пищевых продуктах до 1 января 1958 г., и что нетоксигенные и непатогенные штаммы B. subtilis широко доступны и безопасно использовались в различных пищевых продуктах. Это включает потребление японских ферментированных соевых бобов в форме натто, которые обычно потребляются в Японии и содержат до 10 жизнеспособных клеток на грамм. Ферментированные бобы признаны за их вклад в здоровую флору кишечника и потребление витамина K 2 ; В течение этой долгой истории широкого применения натто не участвовал в побочных эффектах, потенциально связанных с присутствием B. subtilis. Продукт натто и B. subtilis natto в качестве его основного компонента являются FOSHU (продукты питания по назначению), одобренными Министерством здравоохранения, труда и социального обеспечения Японии как эффективные для сохранения здоровья.

Б. subtilis получил статус «Квалифицированная презумпция безопасности» от Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов.

Идентификация

. Ниже представлена ​​таблица, которая помогает идентифицировать B. subtilis с помощью определенных идентификационных тестов.

ТестРезультат
Кислота из глюкозы+.
Кислота из лактозы-
Кислота из сахарозы+
Кислота из маннита+
Каталаза+
Цитрат (Simmons)+
Эндоспора+
Газ из глюкозы-
Гидролиз желатина+
Окраска по Граму+
Производство сероводорода-
Производство индола-
Подвижность+
Восстановление нитратов+
Оксидаза+
Фенилаланиндезаминаза-
ФормаСтержень
Гидролиз мочевины-
Voges-Proskaeur -Proskaeur+

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Bacillus subtilis.
Последняя правка сделана 2021-05-11 05:20:52
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте