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

La sécurité alimentaire repose sur un équilibre délicat entre le maintien des bactéries nocives à distance et la garantie que les méthodes utilisées pour les arrêter n'introduisent pas de nouveaux dangers. Depuis des décennies, les scientifiques se tournent vers la nature pour trouver des solutions, en se concentrant sur un groupe de substances appelées bactériocines. Ce sont de petites protéines produites par certaines bactéries pour combattre leurs concurrentes. Considérez-les comme un système de défense naturel, où un microbe produit une arme spécifiquement conçue pour neutraliser un autre. Bien que beaucoup de ces substances soient bien connues, celles produites par la famille des Bacillus sont particulièrement intéressantes car ces microbes se trouvent partout, du sol à la nourriture que nous mangeons. Cependant, les utiliser comme outil nécessite plus que la simple découverte d'une bactérie qui tue les mauvais germes ; les chercheurs doivent également prouver que le producteur lui-même est sûr et que l'arme qu'il fabrique est assez robuste pour survivre aux conditions difficiles de la transformation alimentaire, telles que la chaleur et les changements d'acidité.

Dans une étude récente, des chercheurs ont entrepris d'examiner deux souches spécifiques de bactéries, l'une de la famille Bacillus cereus et une autre de la famille étroitement liée Bacillus thuringiensis. Toutes deux ont été initialement isolées à partir d'échantillons alimentaires et étaient suspectées de produire une substance puissante connue sous le nom de thuricine S. Cette substance est célèbre pour sa capacité à cibler Listeria monocytogenes, un agent pathogène dangereux qui peut survivre dans les aliments réfrigérés et provoquer des maladies graves. L'équipe voulait savoir si ces deux bactéries différentes faisaient essentiellement la même chose, comment elles fabriquaient cette arme, et si elle était assez sûre pour être utilisée dans le monde réel. Ils ne se sont pas contentés de regarder si les bactéries tuaient d'autres germes ; ils ont creusé profondément dans le code génétique pour voir comment le manuel d'instructions de fabrication de la substance était écrit, ont mesuré la taille exacte de la protéine et ont testé sa résistance à la chaleur, à l'acide et aux enzymes digestives.

L'enquête a commencé par la culture des deux souches bactériennes dans un liquide riche en nutriments et en observant leur évolution au fil du temps. Les chercheurs ont découvert que les deux bactéries commençaient à produire leur substance antibactérienne lorsqu'elles entraient dans une phase de croissance rapide, l'activité devenant clairement détectable après huit heures. Une souche, Bacillus cereus MHI 86, présentait une activité légèrement plus forte que l'autre, Bacillus thuringiensis 5–29, mais les deux étaient efficaces. Lorsque les scientifiques ont mesuré la quantité de substance nécessaire pour stopper la croissance de Listeria, ils ont constaté que de très petites quantités suffisaient. La souche issue de B. cereus nécessitait environ 5,73 microgrammes par millilitre pour arrêter le pathogène, tandis que la souche de B. thuringiensis en nécessitait environ 10,77 microgrammes par millilitre. Pour mettre cela en perspective, un antibiotique standard utilisé à titre de comparaison était efficace à une concentration de seulement 0,20 microgramme par millilitre, montrant que bien que la bactériocine soit puissante, elle n'est pas aussi dosée que certains médicaments traditionnels, bien qu'elle offre une alternative naturelle.

Pour comprendre comment ces bactéries construisaient leur arme, les chercheurs ont examiné leurs empreintes génétiques. Ils ont découvert que les deux souches portaient un ensemble spécifique de gènes responsables de la fabrication de la thuricine S. Ces gènes étaient disposés selon un motif répétitif, avec trois copies de la séquence d'instruction alignées les unes après les autres. Cet agencement est similaire à ce qui a été observé chez d'autres bactéries apparentées, suggérant une stratégie évolutive commune pour la production de ces substances. L'équipe a également vérifié quand ces gènes étaient activés. Ils ont découvert que les bactéries produisaient systématiquement les instructions génétiques pour la bactériocine à partir de huit heures de croissance, ce qui correspondait au moment où l'activité antibactérienne était observée pour la première fois. Cela a confirmé que les bactéries fabriquaient activement la substance pendant leur phase de croissance, plutôt que de simplement la stocker.

Ensuite, les scientifiques devaient confirmer exactement ce à quoi ressemblait la substance et quel était son poids. Ils ont purifié la substance à partir du liquide où les bactéries croissaient et l'ont soumise à une série de tests. Un test, qui sépare les protéines par taille, a montré une bande distincte à environ 3,1 kilodaltons, une unité utilisée pour mesurer la masse des molécules. Pour obtenir une mesure plus précise, ils ont utilisé une machine de haute technologie qui pèse les molécules individuelles. Cette analyse a révifié que la principale substance active avait une masse de 3137,6 daltons. Ce poids spécifique correspondait au profil connu de la thuricine S, confirmant que les deux bactéries produisaient bien le même type d'arme. Ils ont également trouvé une deuxième version, légèrement plus petite, qui pourrait être une variante ou une forme légèrement altérée, mais le principe actif principal était clairement identifié.

Le véritable test pour tout conservateur alimentaire est de savoir s'il peut survivre aux conditions auxquelles il sera confronté dans le monde réel. Les chercheurs ont soumis la substance purifiée à diverses contraintes. Ils ont découvert qu'elle restait pleinement active dans des environaux acides et neutres, fonctionnant bien à des niveaux de pH allant de 3 à 7. Ceci est crucial car de nombreux aliments, tels que les viandes fermentées et les fromages, sont acides. Ils ont également testé sa résistance à la chaleur. La substance a conservé plus de 89 % de son pouvoir de destruction même après avoir été chauffée à 80 degrés Celsius, et elle a conservé 87 % de son activité après avoir été bouillie à 100 degrés Celsius. Cependant, si la température était portée aux niveaux extrêmes utilisés pour la stérilisation, soit environ 121 degrés Celsius, l'activité chutait considérablement. Cela suggère que bien que la substance soit robuste, elle n'est pas indestructible et pourrait être mieux utilisée dans des aliments qui ne sont pas soumis aux températures de stérilisation les plus élevées.

Les chercheurs ont également vérifié comment la substance réagissait aux enzymes, qui sont les protéines de notre corps et de nos aliments qui décomposent d'autres protéines. Lorsqu'ils ont traité la substance avec des enzymes comme la trypsine et la chymotrypsine, qui sont communes dans la digestion, elle est restée largement active. Cependant, lorsqu'ils ont utilisé une enzyme très forte appelée protéinase K, la substance a été complètement détruite. Ce résultat a confirmé que l'arme est bien une protéine, car elle a été décomposée par l'enzyme conçue pour manger les protéines, mais elle était assez robuste pour résister aux enzymes plus modérées qu'elle pourrait rencontrer dans les aliments ou l'intestin humain.

Peut-être la partie la plus critique de l'étude était de s'assurer que les bactéries produisant cette arme étaient sûres à utiliser. Bacillus cereus est une espèce qui peut parfois causer des intoxications alimentaires, les chercheurs devaient donc être certains que ces souches spécifiques ne produisaient pas de toxines nocives. Ils ont testé les bactéries pour la production d'entérotoxine non hémolytique, une toxine associée à la diarrhée, et ont constaté qu'aucune des deux souches ne produisait de quantités détectables de celle-ci, même dans des conditions qui favorisent habituellement la production de toxines. De plus, ils ont testé la sécurité du liquide bactérien sur des cellules intestinales humaines cultivées en laboratoire. Le liquide des deux souches n'a causé aucun dommage aux cellules, alors que le liquide d'une souche connue pour sa toxicité a causé des dommages importants. Ce profil de sécurité est essentiel, car cela signifie que les bactéries peuvent être utilisées pour protéger les aliments sans introduire de nouveaux risques pour la santé.

L'étude conclut que Bacillus cereus MHI 86 et Bacillus thuringiensis 5–29 sont d'excellents candidats pour la production de thuricine S. Ils génèrent une substance puissante, stable et sûre qui peut cibler efficacement Listeria et d'autres bactéries nocives. Parce que la substance peut résister à la chaleur et à l'acidité, elle est prometteuse pour la conservation des aliments, particulièrement ceux qui sont pasteurisés mais qui pourraient être contaminés ultérieurement lors de la transformation. La recherche offre une image claire de la manière dont ces bactéries fabriquent leur arme, de la façon dont l'arme fonctionne, et de pourquoi elle est sûre, offrant un nouvel outil potentiel pour rendre notre approvisionnement alimentaire plus sûr sans dépendre uniquement des conservateurs chimiques traditionnels.