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

Voedselveiligheid berust op een delicaat evenwicht tussen het op afstand houden van schadelijke bacteriën en het waarborgen dat de methoden die worden gebruikt om hen te stoppen, geen nieuwe gevaren introduceren. Decennialang hebben wetenschappers naar de natuur gekeken voor oplossingen, waarbij ze zich concentreerden op een groep stoffen genaamd bacteriocines. Dit zijn kleine eiwitten die door bepaalde bacteriën worden gemaakt om hun concurrenten te bestrijden. Denk aan hen als een natuurlijk verdedigingssysteem, waarbij één microbe een wapen produceert dat specifiek is ontworpen om een andere uit te schakelen. Hoewel veel van deze stoffen goed bekend zijn, zijn de stoffen die worden geproduceerd door de Bacillus-familie van bacteriën bijzonder interessant omdat deze microben overal te vinden zijn, van de bodem tot het voedsel dat we eten. Het gebruik van hen als instrument vereist echter meer dan alleen het vinden van een bacterie die slechte bacteriën doodt; onderzoekers moeten ook bewijzen dat de producent zelf veilig is en dat het wapen dat het maakt sterk genoeg is om de zware omstandigheden van voedselverwerking, zoals hitte en veranderingen in zuurgraad, te overleven.

In een recente studie gingen onderzoekers van plan om twee specifieke stammen van bacteriën te onderzoeken, één uit de Bacillus cereus-familie en een andere uit de nauw verwante Bacillus thuringiensis-familie. Beiden waren oorspronkelijk geïsoleerd uit voedselmonsters en werden verdacht van het produceren van een krachtige stof genaamd thuricine S. Deze stof staat bekend om haar vermogen om Listeria monocytogenes aan te pakken, een gevaarlijk pathogeen dat in gekoelde voedingsmiddelen kan overleven en ernstige ziekte kan veroorzaken. Het team wilde weten of deze twee verschillende bacteriën in essentie hetzelfde deden, hoe ze dit wapen maakten, en of het veilig genoeg was om in de echte wereld te gebruiken. Ze keken niet alleen of de bacteriën andere microben doodden; ze duiken diep in de genetische code om te zien hoe de instructiehandleiding voor het maken van de stof geschreven is, maten de exacte grootte van het eiwit en testten hoe goed het standhield tegen hitte, zuur en spijsverteringsenzymen.

Het onderzoek begon met het kweken van de twee bacteriestammen in een nutriëntenrijke vloeistof en het observeren van hen gedurende een bepaalde tijd. De onderzoekers ontdekten dat beide bacteriën hun antibacteriële stof begonnen te produceren terwijl ze een fase van snelle groei ingingen, waarbij de activiteit na acht uur duidelijk detecteerbaar werd. Eén stam, Bacillus cereus MHI 86, vertoonde iets sterkere activiteit dan de andere, Bacillus thuringiensis 5–29, maar beide waren effectief. Wanneer de wetenschappers maten hoeveel van de stof nodig was om de groei van Listeria te stoppen, vonden ze dat zeer kleine hoeveelheden voldoende waren. De stam van B. cereus had ongeveer 5,73 microgram per milliliter nodig om het pathogeen te stoppen, terwijl de B. thuringiensis-stam ongeveer 10,77 microgram per milliliter nodig had. Om dit in perspectief te plaatsen: een standaard antibioticum gebruikt voor vergelijking was effectief bij een concentratie van slechts 0,20 microgram per milliliter, wat laat zien dat hoewel de bacteriocine krachtig is, het niet zo potent is als sommige traditionele medicijnen, hoewel het een natuurlijk alternatief biedt.

Om te begrijpen hoe deze bacteriën hun wapen bouwden, keken de onderzoekers naar hun genetische blauwdrukken. Ze vonden dat beide stammen een specifieke set genen dragen die verantwoordelijk zijn voor het maken van thuricine S. Deze genen waren gerangschikt in een herhalend patroon, met drie kopieën van de instructiesequentie achter elkaar geplaatst. Deze ordening is vergelijkbaar met wat bij andere verwante bacteriën is gezien, wat wijst op een gemeenschappelijke evolutionaire strategie voor de productie van deze stoffen. Het team controleerde ook wanneer deze genen werden ingeschakeld. Ze vonden dat de bacteriën consequent de genetische instructies voor de bacteriocine produceerden vanaf acht uur groei, wat overeenkwam met de timing van wanneer de antibacteriële activiteit voor het eerst werd waargenomen. Dit bevestigde dat de bacteriën de stof actief aan het vervaardigen waren tijdens hun groeifase, in plaats van deze alleen maar op te slaan.

Vervolgens moesten de wetenschappers bevestigen hoe de stof er precies uitzag en hoe zwaar deze was. Ze zuiverden de stof uit de vloeistof waarin de bacteriën groeiden en onderwierpen deze aan een reeks tests. Eén test, die eiwitten scheidt op basis van grootte, toonde een duidelijke band aan van ongeveer 3,1 kilodalton, een eenheid die wordt gebruikt om de massa van moleculen te meten. Om een preciezere meting te krijgen, gebruikten ze een hoogtechnologisch apparaat dat individuele moleculen weegt. Deze analyse onthulde dat de belangrijkste actieve stof een massa had van 3137,6 dalton. Dit specifieke gewicht kwam overeen met het bekende profiel van thuricine S, wat bevestigde dat beide bacteriën inderdaad hetzelfde type wapen produceren. Ze vonden ook een tweede, iets kleinere versie van de stof, die een variant of een licht gewijzigde vorm zou kunnen zijn, maar het primaire actieve ingrediënt was duidelijk geïdentificeerd.

De echte test voor elk voedselconserveermiddel is of het kan overleven onder de omstandigheden die het in de echte wereld zal tegenkomen. De onderzoekers onderwierpen de gezuiverde stof aan verschillende stressfactoren. Ze vonden dat het volledig actief bleef in zure en neutrale omgevingen, en goed werkte bij pH-waarden zo laag als 3 en zo hoog als 7. Dit is cruciaal omdat veel voedingsmiddelen, zoals gefermenteerde vleesproducten en kazen, zuur zijn. Ze testten ook de weerstand tegen hitte. De stof behield meer dan 89 procent van haar dodende kracht zelfs na verhitting tot 80 graden Celsius, en behield nog steeds 87 procent van haar activiteit na het koken bij 100 graden Celsius. Echter, als de temperatuur werd verhoogd naar de extreme niveaus die worden gebruikt bij sterilisatie, rond de 121 graden Celsius, daalde de activiteit aanzienlijk. Dit suggereert dat hoewel de stof taai is, zij niet onverwoestbaar is en het wellicht het beste gebruikt kan worden in voedingsmiddelen die niet worden onderworpen aan de hoogste sterilisatietemperaturen.

De onderzoekers controleerden ook hoe de stof reageerde op enzymen, wat de eiwitten in ons lichaam en in voedsel zijn die andere eiwitten afbreken. Wanneer ze de stof behandelden met enzymen zoals trypsine en chymotrypsine, die algemeen voorkomen in de spijsvertering, bleef de stof grotendeels actief. Wanneer ze echter een zeer sterk enzym gebruikten genaamd proteïnase K, werd de stof volledig vernietigd. Dit resultaat bevestigde dat het wapen inderdaad een eiwit is, aangezien het werd afgebroken door het enzym dat ontworpen is om eiwitten te "eten", maar dat het robuust genoeg was om de mildere enzymen te weerstaan die het in voedsel of het menselijk lichaam zou tegenkomen.

Misschien wel het meest kritieke deel van het onderzoek was het waarborgen dat de bacteriën die dit wapen produceren veilig zijn om te gebruiken. Bacillus cereus is een soort die soms voedselvergiftiging kan veroorzaken, dus de onderzoekers moesten er zeker van zijn dat deze specifieke stammen geen schadelijke toxines produceren. Ze testten de bacteriën op de productie van niet-hemolytisch enterotoxine, een toxine dat geassocieerd wordt met diarree, en vonden dat geen van beide stammen detecteerbare hoeveelheden ervan produceerde, zelfs niet onder omstandigheden die de productie van toxines gewoonlijk stimuleren. Bovendien testten ze de veiligheid van de bacteriële vloeistof op menselijke darmcellen die in een laboratorium werden gekweekt. De vloeistof van beide stammen veroorzaakte geen schade aan de cellen, terwijl de vloeistof van een bekende toxische stam aanzienlijke schade veroorzaakte. Dit veiligheidsprofiel is essentieel, omdat het betekent dat de bacteriën gebruikt kunnen worden om voedsel te beschermen zonder nieuwe gezondheidsrisico's te introduceren.

De studie concludeert dat zowel Bacillus cereus MHI 86 als Bacillus thuringiensis 5–29 uitstekende kandidaten zijn voor de productie van thuricine S. Ze genereren een krachtige, stabiele en veilige stof die effectief Listeria en andere schadelijke bacteriën kan aanpakken. Omdat de stof bestand is tegen hitte en zuurgraad, biedt het belofte voor het conserveren van voedingsmiddelen, met name die welke gepasteuriseerd zijn maar later tijdens de verwerking gecontamineerd kunnen raken. Het onderzoek geeft een duidelijk beeld van hoe deze bacteriën hun wapen maken, hoe het wapen werkt en waarom het veilig is om te gebruiken, wat een potentiële nieuwe tool biedt om onze voedselvoorraad veiliger te houden zonder uitsluitend te vertrouwen op traditionele chemische conserveermiddelen.