Bacillus cereus MHI 86 and Bacillus thuringiensis 5-29 both produce the antilisterial bacteriocin thuricin S – analysis of antimicrobial spectrum, stability, and producer strain suitability, including cytotoxicity evaluation

تعتمد سلامة الغذاء على توازن دقيق بين إبقاء البكتيريا الضارة بعيدة وبين ضمان أن الطرق المستخدمة لإيقافها لا تُدخل مخاطر جديدة. لعقود من الزمن، نظر العلماء إلى الطبيعة بحثاً عن حلول، مركزين على مجموعة من المواد تسمى "البكتريوسينات". هذه هي بروتينات صغيرة تنتجها أنواع معينة من البكتيريا لمحاربة منافسيها. فكر فيها كنظام دفاع طبيعي، حيث ينتج ميكروب سلاحاً مصمماً خصيصاً لتعطيل ميكروب آخر. وبينما تُعرف العديد من هذه المواد جيداً، فإن تلك التي تنتجها عائلة بكتيريا "باسيلوس" (Bacillus) مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأن هذه الميكروبات توجد في كل مكان، من التربة إلى الغذاء الذي نتناوله. ومع ذلك، فإن استخدامها كأداة يتطلب ما هو أكثر من مجرد العثين على بكتيريا تقتل الجراثيم الضارة؛ إذ يجب على الباحثين أيضاً إثبات أن المنتج نفسه آمن، وأن السلاح الذي يصنعه قوي بما يكفي للنجاة من الظروف القاسية لمعالجة الأغذية، مثل الحرارة وتغيرات الحموضة.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لفحص سلالتين محددتين من البكتيريا، إحداهما من عائلة "باسيلوس سيريس" (Bacillus cereus) والأخرى من عائلة "باسيلوس ثورينجينسيس" (Bacillus thuringiensis) القريبة منها. كانت كلتا السلالتين قد عُزلتا في الأصل من عينات غذائية ويُشتبه في إنتاجهما لمادة قوية تُعرف باسم "ثوريسين إس" (thuricin S). هذه المادة مشهورة بقدرتها على استهداف "ليستيريا مونوسيتوجينيس" (Listeria monocytogenes)، وهو ممرض خطير يمكنه البقاء في الأطعمة المبردة ويسبب أمراضاً شديدة. أراد الفريق معرفة ما إذا كانت هاتان البكتيريتان المختلفتان تقومان بالشيء نفسه جوهرياً، وكيف تصنعان هذا السلاح، وما إذا كان آمناً بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي. لم يكتفوا بمراقبة ما إذا كانت البكتيريا تقتل الجراثيم الأخرى، بل تعمقوا في الشفرة الوراثية لمعرفة كيف كُتب دليل التعليمات لصنع هذه المادة، وقاسوا الحجم الدقيق للبروتين، واختبروا مدى صموده أمام الحرارة، والحموضة، والإنزيمات الهاضمة.

بدأ الاستقصاء بزراعة السلالتين البكتيريتين في سائل غني بالمغذيات ومراقبتهما بمرور الوقت. ووجد الباحثون أن كلتا البتين بدأتا في إنتاج مادتهما المضادة للبكتيريا مع دخولهما مرحلة النمو السريع، حيث أصبح النشاط قابلاً للكشف بوضوح بعد ثماني ساعات. أظهرت إحدى السلالتين، "باسيلوس سيريس MHI 86"، نشاطاً أقوى قليلاً من الأخرى، "باسيلوس ثورينجينسيس 5–29"، لكن كلتاهما كانتا فعالتين. وعندما قاس العلماء كمية المادة المطلوبة لوقف نمو "الليستيريا"، وجدوا أن كميات صغيرة جداً كانت كافية. تطلبت سلالة "B. cereus" حوالي 5.73 ميكروغرام لكل ميليلتر لإيقاف الممرض، بينما احتاجت سلالة "B. thuringiensis" حوالي 10.77 ميكروغرام لكل ميليلتر. ولوضع ذلك في المنظور، فقد كان مضاد حيوي قياسي استُخدم للمقارنة فعالاً عند تركيز 0.20 ميكروغرام لكل ميليلتر فقط، مما يوضح أنه رغم قوة "البكتريوسين"، إلا أنه ليس بقوة بعض العقاقير التقليدية، وإن كان يقدم بديلاً طبيعياً.

لفهم كيفية بناء هذه البكتيريا لسلاحها، نظر الباحثون في مخططاتها الجينية. ووجدوا أن كلتا السلالتين تحملان مجموعة محددة من الجينات المسؤولة عن صنع "ثوريسين إس". كانت هذه الجينات مرتبة في نمط متكرر، مع ثلاث نسخ من تسلسل التعليمات مصطفة واحدة تلو الأخرى. هذا الترتيب يشبه ما شوهد في بكتيريا أخرى ذات صلة، مما يشير إلى استراتيجية تطورية مشتركة لإنتاج هذه المواد. كما تحقق الفريق من وقت تفعيل هذه الجينات، ووجدوا أن البكتيريا تنتج التعليمات الجينية للبكتريوسين باستمرار بدءاً من ثماني ساعات من النمو، وهو ما تطابق مع توقيت ظهور النشاط المضاد للبكتيريا الذي لوحظ أول مرة. وقد أكد هذا أن البكتيريا كانت تصنع المادة بنشاط أثناء مرحلة نموها، بدلاً من مجرد تخزينها.

بعد ذلك، احتاج العلماء إلى التأكد من شكل هذه المادة ووزنها. قاموا بتنقية المادة من السائل الذي نمت فيه البكتيريا وأجروا عليها سلسلة من الاختبارات. أظهر أحد الاختبارات، الذي يفصل البروتينات حسب الحجم، حزمة متميزة عند حوالي 3.1 كيلودالتون، وهي وحدة تستخدم لقياس كتلة الجزيئات. وللحصول على قياس أكثر دقة، استخدموا آلة عالية التقنية تزن الجزيئات الفردية. كشف هذا التحليل أن المادة النشطة الرئيسية لها كتلة تبلغ 3137.6 دالتون. طابق هذا الوزن المحدد ملف "ثوريسين إس" المعروف، مما أكد أن كلتا البكتيريتين تنتجان بالفعل نفس النوع من السلاح. كما وجدوا نسخة ثانية أصغر قليلاً من المادة، والتي قد تكون نوعاً متغيراً أو شكلاً معدلاً قليلاً، لكن المكون النشط الرئيسي تم تحديده بوضوح.

الاختبار الحقيقي لأي مادة حافظة للأغذية هو ما إذا كانت ستصمد أمام الظروف التي ستواجهها في العالم الحقيقي. أخضع الباحثون المادة المنقاة لضغوط مختلفة، ووجدوا أنها ظلت نشطة تماماً في البيئات الحمضية والمتعادلة، حيث تعمل جيداً عند مستويات حموضة (pH) منخفضة تصل إلى 3 وعالية تصل إلى 7. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن العديد من الأطعمة، مثل اللحوم المخمرة والأجبان، تكون حمضية. كما اختبروا مقاومتها للحرارة، فوجدوا أن المادة احتفظت بأكثر من 89 بالمائة من قدرتها القاتلة حتى بعد تسخينها إلى 80 درجة مئوية، وظلت تحتفظ بـ 87 بالمائة من نشاطها بعد غليها عند 100 درجة مئوية. ومع ذلك، إذا رُفعت درجة الحرارة إلى المستويات القصوى المستخدمة في التعقيم، حوالي 121 درجة مئوية، انخفض النشاط بشكل كبير. يشير هذا إلى أنه رغم كون المادة قوية، إلا أنها ليست غير قابلة للتدمير، وقد يكون من الأفضل استخدامها في الأطعمة التي لا تخضع لأعلى درجات حرارة التعقيم.

تحقق الباحثون أيضاً من كيفية تفاعل المادة مع الإنزيمات، وهي البروتينات الموجودة في أجسامنا وفي الطعام والتي تكسر البروتينات الأخرى. عندما عالجوا المادة بإنزيمات مثل "التربسين" و"الكيموتريبسين"، وهي إنزيمات شائعة في الهضم، ظلت المادة نشطة إلى حد كبير. ومع ذلك، عندما استخدموا إنزيماً قوياً جداً يسمى "بروتيناز ك" (proteinase K)، تم تدمير المادة تماماً. أكدت هذه النتيجة أن السلاح هو بالفعل بروتين، حيث تم تكسيره بواسطة الإنزيم المصمم لأكل البروتينات، لكنه كان قوياً بما يكفي للصمود أمام الإنزيمات الأخف التي قد يواجهها في الطعام أو في الأمعاء البشرية.

ربما كان الجزء الأكثر أهمية في الدراسة هو التأكد من أن البكتيريا التي تنتج هذا السلاح آمنة للاستخدام. وبما أن "باسيلوس سيريس" هي نوع يمكن أن يسبب أحياناً تسمماً غذائياً، فقد توجب على الباحثين التأكد من أن هذه السلالات المحددة لا تنتج سموماً ضارة. اختبروا البكتيريا لإنتاج "السم المعوي غير المكون للدم" (non-hemolytic enterotoxin)، وهو سم مرتبط بالإسهال، ووجدوا أن أيتا السلالتين لم تنتجا أي كميات قابلة للكشف منه، حتى في ظل الظروف التي تشجع عادةً على إنتاج السموم. علاوة على ذلك، اختبروا سلامة السائل البكتيري على خلايا الأمعاء البشرية المستزرعة في المختبر، ولم يسبب السائل من كلتا السلالتين أي ضرر للخلايا، بينما تسبب السائل من سلالة معروفة بأنها سامة في ضرر كبير. هذا الملف التعريفي للسلامة ضروري، لأنه يعني أن البكتيريا يمكن استخدامها لحماية الغذاء دون إدخال مخاطر صحية جديدة.

تخلص الدراسة إلى أن كلاً من "باسيلوس سيريس MHI 86" و"باسيلوس ثورينجينسيس 5–29" هما مرشحان ممتازان لإنتاج "ثوريسين إس". فهما ينتجان مادة قوية، ومستقرة، وآمنة يمكنها استهداف "الليستيريا" والبكتيريا الضارة الأخرى بفعالية. ولأن المادة يمكنها تحمل الحرارة والحموضة، فإنها تحمل وعداً للاستخدام في حفظ الأطعمة، وخاصة تلك التي تخضع للبسترة ولكن قد تتعرض للتلوث لاحقاً أثناء المعالجة. توفر هذه الأبحاث صورة واضحة لكيفية صنع هذه البكتيريا لسلاحها، وكيف يعمل هذا السلاح، ولماذا هو آمن للاستخدام، مما يقدم أداة جديدة محتملة للحفاظ على سلامة إمداداتنا الغذائية دون الاعتماد كلياً على المواد الحافظة الكيميائية التقليدية.