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

Lebensmittelsicherheit beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen der Abwehr schädlicher Bakterien und der Sicherstellung, dass die Methoden, die dazu dienen, diese zu stoppen, keine neuen Gefahren einführen. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Lösungen in der Natur und konzentrieren sich dabei auf eine Gruppe von Substanzen, die Bakteriocine genannt werden. Dies sind winzige Proteine, die von bestimmten Bakterien produziert werden, um gegen ihre Konkurrenten zu kämpen. Man kann sie sich als ein natürliches Verteidigungssystem vorstellen, bei dem ein Mikroorganismus eine Waffe produziert, die speziell darauf ausgelegt ist, einen anderen außer Gefecht zu setzen. Während viele dieser Substanzen gut bekannt sind, sind diejenigen, die von der Bacillus-Familie produziert werden, besonders interessant, da diese Mikroben überall vorkommen, vom Boden bis hin zu den Lebensmitteln, die wir essen. Die Verwendung als Werkzeug erfordert jedoch mehr als nur das Finden eines Bakteriums, das schlechte Keime tötet; Forscher müssen auch beweisen, dass das Produzent selbst sicher ist und dass die Waffe, die es herstellt, stark genug ist, um die harten Bedingungen der Lebensmittelverarbeitung, wie Hitze und Veränderungen des Säuregehalts, zu überstehen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher zwei spezifische Bakterienstämme, einen aus der Bacillus cereus-Familie und einen aus der eng verwandten Bacillus thuringiensis-Familie. Beide wurden ursprünglich aus Lebensmittelproben isoliert und wurden verdächtigt, eine starke Substanz namens Thuricin S zu produzieren. Diese Substanz ist berühmt für ihre Fähigkeit, Listeria monocytogenes anzugreifen, einen gefährlichen Erreger, der in gekühlten Lebensmitteln überleben und schwere Krankheiten verursachen kann. Das Team wollte wissen, ob diese zwei verschiedenen Bakterien im Wesentlichen dasselbe tun, wie sie diese Waffe herstellen und ob sie für den Einsatz in der realen Welt sicher genug ist. Sie schauten nicht nur darauf, ob die Bakterien andere Keime töten; sie tauchten tief in den genetischen Code ein, um zu sehen, wie das Handbuch für die Herstellung der Substanz geschrieben ist, maßen die exakte Größe des Proteins und testeten, wie gut es gegen Hitze, Säure und Verdauungsenzyme standhält.

Die Untersuchung begann damit, die beiden Bakterienstämme in einer nährstoffreichen Flüssigkeit zu kultivieren und sie im Laufe der Zeit zu beobachten. Die Forscher fanden heraus, dass beide Bakterien begannen, ihre antibakterielle Substanz zu produzieren, als sie in eine Phase rapiden Wachstums eintraten, wobei die Aktivität nach acht Stunden deutlich nachweisbar wurde. Ein Stamm, Bacillus cereus MHI 86, zeigte eine etwas stärkere Aktivität als der andere, Bacillus thuringiensis 5–29, aber beide waren effektiv. Als die Wissenschaftler maßen, wie viel der Substanz benötigt wurde, um das Wachstum von Listeria zu stoppen, fanden sie heraus, dass bereits sehr kleine Mengen ausreichten. Der Stamm von B. cereus benötigte etwa 5,73 Mikrogramm pro Milliliter, um den Erreger zu stoppen, während der B. thuringiensis-Stamm etwa 10,77 Mikrogramm pro Milliliter benötigte. Um dies in Relation zu setzen: Ein Standardantibiotikum, das zum Vergleich verwendet wurde, war bereits bei einer Konzentration von nur 0,20 Mikrogramm pro Milliliter wirksam, was zeigt, dass das Bakteriocin zwar leistungsstark ist, aber nicht so potent wie einige traditionelle Medikamente, wenngleich es eine natürliche Alternative bietet.

Um zu verstehen, wie diese Bakterien ihre Waffe bauten, betrachteten die Forscher deren genetische Baupläne. Sie fanden heraus, dass beide Stämme einen spezifischen Satz von Genen tragen, die für die Herstellung von Thuricin S verantwortlich sind. Diese Gene waren in einem sich wiederholenden Muster angeordnet, wobei drei Kopien der Instruktionssequenz hintereinander aufgereiht waren. Diese Anordnung ähnelt dem, was bei anderen verwandten Bakterien beobachtet wurde, was auf eine gemeinsame evolutionäre Strategie zur Produktion dieser Substanzen hindeutet. Das Team überprüfte auch, wann diese Gene aktiviert wurden. Sie fanden heraus, dass die Bakterien die genetischen Anweisungen für das Bakteriocin konsistent ab acht Stunden Wachstum produzierten, was mit dem Zeitpunkt übereinstimmte, an dem die antibakterielle Aktivität erstmals beobachtet wurde. Dies bestätigte, dass die Bakterien die Substanz während ihrer Wachstumsphase aktiv herstellen und nicht bloß speichern.

Als Nächstes mussten die Wissenschaftler genau bestätigen, wie die Substanz aussieht und wie schwer sie ist. Sie reinigten die Substanz aus der Flüssigkeit, in der die Bakterien wuchsen, und unterzogen sie einer Reihe von Tests. Ein Test, der Proteine nach ihrer Größe trennt, zeigte eine deutliche Bande bei etwa 3,1 Kilodalton, einer Einheit zur Messung der Masse von Molekülen. Um eine präzisere Messung zu erhalten, verwendeten sie eine hochtechnologische Maschine, die einzelne Moleküle wiegt. Diese Analyse ergab, dass die Hauptwirksubstanz eine Masse von 3137,6 Dalton hatte. Dieses spezifische Gewicht entsprach dem bekannten Profil von Thuricin S, was bestätigte, dass beide Bakterien tatsächlich dieselbe Art von Waffe produzieren. Sie fanden auch eine zweite, etwas kleinere Version der Substanz, die eine Variante oder eine leicht veränderte Form sein könnte, aber der primäre Wirkstoff wurde eindeutig identifiziert.

Der wahre Test für jedes Lebensmittelkonservierungsmittel ist, ob es die Bedingungen übersteht, denen es in der realen Welt begegnet. Die Forscher setzten die gereinigte Substanz verschiedenen Belastungen aus. Sie fanden heraus, dass sie in sauren und neutralen Umgebungen voll aktiv blieb und bei pH-Werten von so niedrig wie 3 bis so hoch wie 7 gut funktionierte. Dies ist entscheidend, da viele Lebensmittel, wie etwa fermentiertes Fleisch und Käse, sauer sind. Sie testeten auch die Resistenz gegenüber Hitze. Die Substanz behielt selbst nach der Erwärmung auf 80 Grad Celsius über 89 Prozent ihrer Abtötungskraft bei und hielt nach dem Kochen bei 100 Grad Celsius noch 87 Prozent ihrer Aktivität aufrecht. Wenn die Temperatur jedoch auf die extremen Werte gehoben wurde, die bei der Sterilisation verwendet werden (etwa 121 Grad Celsius), sank die Aktivität signifikant. Dies deutet darauf darauf hin, dass die Substanz zwar robust, aber nicht unzerstörbar ist und am besten in Lebensmitteln verwendet werden sollte, die nicht den höchsten Sterilisationstemperaturen ausgesetzt sind.

Die Forscher prüften auch, wie die Substanz auf Enzyme reagierte, welche Proteine in unserem Körper und in Lebensmitteln sind, die andere Proteine abbauen. Als sie die Substanz mit Enzymen wie Trypsin und Chymotrypsin behandelten, die häufig bei der Verdauung vorkommen, blieb sie weitgehend aktiv. Als sie jedoch ein sehr starkes Enzym namens Proteinase K verwendeten, wurde die Substanz vollständig zerstört. Dieses Ergebnis bestätigte, dass die Waffe tatsächlich ein Protein ist, da sie von dem Enzym, das darauf spezialisiert ist, Proteine zu zersetzen, abgebaut wurde, aber robust genug war, um den milderen Enzymen standzuhalten, denen sie in Lebensmitteln oder im menschlichen Darm begegnen könnte.

Der vielleicht kritischste Teil der Studie war die Sicherstellung, dass die die Waffe produzierenden Bakterien sicher zu verwenden sind. Bacillus cereus ist eine Spezies, die manchmal Lebensmittelvergiftungen verursachen kann, daher mussten die Forscher sicherstellen, dass diese spezifischen Stämme keine schädlichen Toxine produzieren. Sie testeten die Bakterien auf die Produktion von nicht-hämolytischem Enterotoxin, einem Toxin, das mit Durchfall in Verbindung gebracht wird, und fanden heraus, dass keiner der Stämme nachweisbare Mengen davon produzierte, selbst unter Bedingungen, die die Toxinproduktion normalerweise fördern. Darüber hinaus testeten sie die Sicherheit der Bakterienflüssigkeit an menschlichen Darmzellen, die im Labor gezüchtet wurden. Die Flüssigkeit beider Stämme verursachte keine Schäden an den Zellen, während die Flüssigkeit eines bekannten toxischen Stammes erhebliche Schäden verursachte. Dieses Sicherheitsprofil ist essenziell, da es bedeutet, dass die Bakterien eingesetzt werden können, um Lebensmittel zu schützen, ohne neue Gesundheitsrisiken einzuführen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sowohl Bacillus cereus MHI 86 als auch Bacillus thuringiensis 5–29 hervorragende Kandidaten für die Produktion von Thuricin S sind. Sie erzeugen eine potente, stabile und sichere Substanz, die effektiv Listeria und andere schädliche Bakterien bekämpfen kann. Da die Substanz Hitze und Säure standhalten kann, verspricht sie vielversprechende Ergebnisse für die Konservierung von Lebensmitteln, insbesondere für solche, die pasteurisiert, aber später während der Verarbeitung kontaminiert werden könnten. Die Forschung liefert ein klares Bild davon, wie diese Bakterien ihre Waffe herstellen, wie die Waffe funktioniert und warum sie sicher ist, und bietet somit ein potenzielles neues Werkzeug, um unsere Lebensmittelversorgung sicherer zu machen, ohne uns ausschließlich auf traditionelle chemische Konservierungsstoffe verlassen zu müssen.