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

खाद्य सुरक्षा हानिकारक बैक्टीरिया को दूर रखने और उन्हें रोकने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों द्वारा नए खतरों को पेश न करने के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। दशकों से, वैज्ञानिक समाधानों के लिए प्रकृति की ओर देखते रहे हैं, और 'बैक्टेरियोसिन' (bacteriocins) नामक पदार्थों के एक समूह पर ध्यान केंद्रित किया है। ये कुछ बैक्टीरिया द्वारा अपने प्रतिस्पर्धियों से लड़ने के लिए बनाए गए सूक्ष्म प्रोटीन हैं। इसे एक प्राकृतिक रक्षा प्रणाली के रूप में सोचें, जहाँ एक सूक्ष्मजीव विशेष रूप से दूसरे को अक्षम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हथियार का उत्पादन करता है। जबकि इनमें से कई पदार्थ सुप्रसिद्ध हैं, बैसिलस (Bacillus) परिवार के बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित पदार्थ विशेष रूप से दिलचस्प हैं क्योंकि ये सूक्ष्मजीव मिट्टी से लेकर हमारे द्वारा खाए जाने वाले भोजन तक, हर जगह पाए जाते हैं। हालाँकि, उन्हें एक उपकरण के रूप में उपयोग करने के लिए केवल एक ऐसे बैक्टीरिया को खोजने से कहीं अधिक की आवश्यकता है जो बुरे कीटाणुओं को मार सके; शोधकर्ताओं को यह भी साबित करना होगा कि उत्पादक स्वयं सुरक्षित है और वह हथियार जो यह बनाता है, खाद्य प्रसंस्करण की कठोर स्थितियों, जैसे कि गर्मी और अम्लता में बदलाव, का सामना करने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दो विशिष्ट बैक्टीरिया उपभेदों (strains) की जांच करने का लक्ष्य रखा, एक बैसिलस सेरियस (Bacillus cereus) परिवार से और दूसरा निकट संबंधी बैसिलस थुरिंगिएन्सिस (Bacillus thuringiensis) परिवार से। दोनों को मूल रूप से खाद्य नमूनों से अलग किया गया था और उन पर थुरिसिन एस (thuricin S) नामक एक शक्तिशाली पदार्थ बनाने का संदेह था। यह पदार्थ लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स (Listeria monocytogenes) को लक्षित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, जो एक खतरनाक रोगजनक है और ठंडे खाद्य पदार्थों में जीवित रह सकता है और गंभीर बीमारी का कारण बन सकता है। टीम जानना चाहती थी कि क्या ये दो अलग-अलग बैक्टीरिया अनिवार्य रूप से एक ही काम कर रहे थे, वे इस हथियार को कैसे बनाते हैं, और क्या यह वास्तविक दुनिया में उपयोग करने के लिए पर्याप्त सुरक्षित है। उन्होंने केवल यह नहीं देखा कि बैक्टीरिया अन्य कीटाणुओं को कैसे मारते हैं; उन्होंने इस पदार्थ को बनाने के निर्देश मैनुअल को समझने के लिए उनके जेनेटिक कोड की गहराई तक खुदाई की, प्रोटीन के सटीक आकार को मापा, और यह परीक्षण किया कि यह गर्मी, एसिड और पाचन एंजाइमों के विरुद्ध कितनी अच्छी तरह टिकता है।

जांच की शुरुआत दोनों बैक्टीरिया उपभेदों को पोषक तत्वों से भरपूर तरल में उगाकर और उन्हें समय के साथ देखते हुए हुई। शोधकर्ताओं ने पाया कि दोनों बैक्टीरिया ने अपने तीव्र विकास चरण में प्रवेश करते ही अपना जीवाणुरोधी पदार्थ बनाना शुरू कर दिया, और आठ घंटों के बाद इसकी गतिविधि स्पष्ट रूप से पता लगाने योग्य हो गई। एक उपभेद, बैसिलस सेरियस MHI 86, दूसरे, बैसिलस थुरिंगिएन्सिस 5–29 की तुलना में थोड़ा अधिक मजबूत प्रभाव दिखा, लेकिन दोनों प्रभावी थे। जब वैज्ञानिकों ने यह मापा कि लिस्टेरिया की वृद्धि को रोकने के लिए इस पदार्थ की कितनी मात्रा आवश्यक थी, तो उन्होंने पाया कि बहुत कम मात्रा ही पर्याप्त थी। B. cereus के उपभेद को रोगजनक को रोकने के लिए लगभग 5.73 माइक्रोग्राम प्रति मिलीलीटर की आवश्यकता थी, जबकि B. thuringiensis उपभेद को लगभग 10.77 माइक्रोग्राम प्रति मिलीलीटर की आवश्यकता थी। इसे संदर्भ में रखने के लिए, तुलना के लिए उपयोग किया गया एक मानक एंटीबायोटिक केवल 0.20 माइक्रोग्राम प्रति मिलीलीटर की सांद्रता पर प्रभावी था, जिससे पता चलता है कि हालांकि बैक्टेरियोसिन शक्तिशाली है, लेकिन यह पारंपरिक दवाओं जितना सक्षम नहीं है, फिर भी यह एक प्राकृतिक विकल्प प्रदान करता है।

यह समझने के लिए कि इन बैक्टीरिया ने अपना हथियार कैसे बनाया, शोधकर्ताओं ने उनके जेनेटिक ब्लूप्रिंट (आनुवंशिक खाके) को देखा। उन्होंने पाया कि दोनों उपभेदों में थुरिसिन एस बनाने के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जीन मौजूद थे। ये जीन एक दोहराव वाले पैटर्न में व्यवस्थित थे, जिसमें तीन प्रतियों वाला निर्देश अनुक्रम एक के बाद एक व्यवस्थित था। यह व्यवस्था अन्य संबंधित बैक्टीरिया में देखी गई व्यवस्था के समान है, जो इन पदार्थों के उत्पादन के लिए एक सामान्य विकासवादी रणनीति का सुझाव देती है। टीम ने यह भी जांचा कि ये जीन कब सक्रिय होते हैं। उन्होंने पाया कि दोनों बैक्टीरिया आठ घंटे के विकास से ही बैक्टेरियोसिन के लिए जेनेटिक निर्देश लगातार उत्पन्न करते थे, जो उस समय से मेल खाता था जब जीवाणुरोधी गतिविधि पहली बार देखी गई थी। इसने पुष्टि की कि बैक्टीरिया अपने विकास चरण के दौरान पदार्थ का निर्माण सक्रिय रूप से कर रहे थे, न कि इसे केवल संग्रहीत कर रहे थे।

इसके बाद, वैज्ञानिकों को यह पुष्टि करने की आवश्यकता थी कि पदार्थ वास्तव में कैसा दिखता है और इसका वजन कितना है। उन्होंने उस तरल से पदार्थ को शुद्ध किया जिसमें बैक्टीरिया विकसित हुए थे और उसे परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा। एक परीक्षण, जो प्रोटीन को आकार के आधार पर अलग करता है, ने लगभग 3.1 किलोडल्टन (kilodaltons) पर एक विशिष्ट बैंड दिखाया, जो अणुओं के द्रव्यमान को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली एक इकाई है। अधिक सटीक माप प्राप्त करने के लिए, उन्होंने व्यक्तिगत अणुओं को तौलने वाली एक उच्च-तकनीकी मशीन का उपयोग किया। इस विश्लेषण से पता चला कि मुख्य सक्रिय पदार्थ का द्रव्यमान 3137.6 डल्टन था। यह विशिष्ट वजन थुरिसिन एस के ज्ञात प्रोफाइल से मेल खाता था, जिससे पुष्टि हुई कि दोनों बैक्टीरिया वास्तव में एक ही प्रकार का हथियार बना रहे थे। उन्होंने पदार्थ का एक दूसरा, थोड़ा छोटा संस्करण भी पाया, जो या तो एक भिन्न रूप हो सकता है या थोड़ा परिवर्तित रूप, लेकिन प्राथमिक सक्रिय घटक स्पष्ट रूप से पहचाना गया था।

किसी भी खाद्य संरक्षक (preservative) के लिए वास्तविक परीक्षण यह है कि क्या वह वास्तविक दुनिया में आने वाली स्थितियों में जीवित रह सकता है। शोधकर्ताओं ने शुद्ध पदार्थ को विभिन्न तनावों के अधीन किया। उन्होंने पाया कि यह अम्लीय और तटस्थ वातावरण में पूरी तरह से सक्रिय रहा, जो pH स्तर 3 से 7 तक अच्छी तरह से काम करता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि कई खाद्य पदार्थ, जैसे कि किण्वित मांस और पनीर, अम्लीय होते हैं। उन्होंने इसकी गर्मी के प्रति प्रतिरोध का भी परीक्षण किया। पदार्थ ने 80 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के बाद भी अपनी 89 प्रतिशत से अधिक मारने की शक्ति बनाए रखी, और उबालने (100 डिग्री सेल्सियस) के बाद भी इसने अपनी 87 प्रतिशत गतिविधि को बरकरार रखा। हालांकि, यदि तापमान को स्टरलाइजेशन (विसंक्रमण) में उपयोग किए जाने वाले चरम स्तरों, लगभग 121 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाया जाता है, तो गतिविधि काफी कम हो जाती है। यह सुझाव देता है कि हालांकि यह पदार्थ मजबूत है, लेकिन यह अविनाशी नहीं है और संभवतः उन खाद्य पदार्थों के लिए सबसे अच्छा है जिन्हें उच्चतम स्टरलाइजेशन तापमानों के अधीन नहीं किया जाता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि पदार्थ एंजाइमों के साथ कैसे प्रतिक्रिया करता है, जो हमारे शरीर और भोजन में मौजूद वे प्रोटीन हैं जो अन्य प्रोटीनों को तोड़ देते हैं। जब उन्होंने पदार्थ के साथ ट्रिप्सिन (trypsin) और काइमोट्रिप्सिन (chymotrypsin) जैसे एंजाइमों का उपयोग किया, जो सामान्य पाचन में पाए जाते हैं, तो यह काफी हद तक सक्रिय रहा। हालांकि, जब उन्होंने प्रोटीनज़ के (proteinase K) नामक एक बहुत शक्तिशाली एंजाइम का उपयोग किया, तो यह पूरी तरह से नष्ट हो गया। इस परिणाम ने पुष्टि की कि हथियार वास्तव में एक प्रोटीन है, क्योंकि यह उस एंजाइम द्वारा तोड़ा गया जो प्रोटीन को खाने के लिए बनाया गया है, लेकिन यह उन हल्के एंजाइमों का सामना करने के लिए पर्याप्त मजबूत था जिनका सामना यह भोजन या मानव आंत में कर सकता है।

शायद अध्ययन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा यह सुनिश्चित करना था कि इस हथियार को बनाने वाले बैक्टीरिया का उपयोग करना सुरक्षित है। बैसिलस सेरियस एक ऐसी प्रजाति है जो कभी-कभी फूड पॉइजनिंग का कारण बन सकती है, इसलिए शोधकर्ताओं को यह सुनिश्चित करना था कि ये विशिष्ट उपभेद हानिकारक विषाक्त पदार्थ (toxins) पैदा नहीं करते हैं। उन्होंने बैक्टीरिया का नॉन-हेमोलिटिक एंटरोटॉक्सिन (non-hemolytic enterotoxin) के उत्पादन के लिए परीक्षण किया, जो दस्त से जुड़ा एक टॉक्सिन है, और पाया कि दोनों उपभेदों ने ऐसे किसी भी पता लगाने योग्य मात्रा का उत्पादन नहीं किया, जो आमतौर पर टॉक्सिन उत्पादन को बढ़ावा देते हैं। इसके अलावा, उन्होंने लैब में उगाए गए मानव आंतों की कोशिकाओं पर बैक्टीरियल लिक्विड की सुरक्षा की जांच की। दोनों उपभेदों के तरल पदार्थ ने कोशिकाओं को कोई नुकसान नहीं पहुँचाया, जबकि एक ज्ञात जहरीले उपभेद के तरल पदार्थ ने महत्वपूर्ण नुकसान पहुँचाया। यह सुरक्षा प्रोफाइल आवश्यक है, क्योंकि इसका अर्थ है कि बैक्टीरिया को स्वास्थ्य जोखिम पैदा किए बिना भोजन की रक्षा करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि बैसिलस सेरियस MHI 86 और बैसिलस थुरिंगिएन्सिस 5–29 दोनों थुरिसिन एस उत्पन्न करने के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार हैं। वे एक शक्तिशाली, स्थिर और सुरक्षित पदार्थ उत्पन्न करते हैं जो लिस्टेरिया और अन्य हानिकारक बैक्टीरिया को प्रभावी ढंग से लक्षित कर सकता है। चूंकि पदार्थ गर्मी और अम्लता का सामना कर सकता है, इसलिए यह खाद्य पदार्थों को संरक्षित करने के लिए, विशेष रूप से उन खाद्य पदार्थों के लिए आशाजनक है जिन्हें पाश्चुरीकृत किया गया है लेकिन बाद में प्रसंस्करण के दौरान दूषित किया जा सकता है। यह शोध एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि ये बैक्टीरिया अपना हथियार कैसे बनाते हैं, वह हथियार कैसे काम करता है, और यह क्यों सुरक्षित है, जो पारंपरिक रासायनिक संरक्षकों पर पूरी तरह से निर्भर रहने के बजाय हमारी खाद्य आपूर्ति को सुरक्षित रखने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है।