Bacillus subtilis -Bacillus subtilis

Bacillus subtilis
Bacillus subtilis.jpg
TEM- mikroskop av en B. subtilis- cell i tvärsnitt (skalstapel = 200 nm )
Vetenskaplig klassificering redigera
Domän: Bakterie
Provins: Firmicutes
Klass: Baciller
Beställa: Bacillales
Familj: Bacillaceae
Släkte: Bacill
Arter:
B. subtilis
Binomialt namn
Bacillus subtilis
( Ehrenberg 1835)
Cohn 1872
Synonymer
  • Vibrio subtilis Ehrenberg 1835
  • Fram till 2008 trodde man att Bacillus globigii var B. subtilis men erkänns sedan formellt som Bacillus atrophaeus .

Bacillus subtilis , känd också som hö bacill eller gräs bacill , är en grampositiv , katalas -positiv bakterie , som finns i marken och mag-tarmkanalen av idisslare och människor. Som medlem av släktet Bacillus är B. subtilis stavformad och kan bilda en tuff, skyddande endospor , så att den kan tolerera extrema miljöförhållanden. B. subtilis har historiskt klassificerats som en obligatorisk aerobe , även om det finns bevis för att det är en fakultativ anaerobe . B. subtilis anses vara den bäst studerade grampositiva bakterien och en modellorganism för att studera bakteriell kromosomreplikation och celldifferentiering. Det är en av de bakteriella mästarna i utsöndrad enzymproduktion och används i industriell skala av bioteknikföretag.

Beskrivning

Bacillus subtilis är en grampositiv bakterie, stavformad och katalaspositiv . Det fick ursprungligen namnet Vibrio subtilis av Christian Gottfried Ehrenberg , och bytte namn till Bacillus subtilis av Ferdinand Cohn 1872 (subtilis är latin för "fin"). B. subtilis- celler är typiskt stavformade och är cirka 4–10 mikrometer (μm) långa och 0,25–1,0 μm i diameter, med en cellvolym på cirka 4,6 fL vid stationär fas. Som med andra medlemmar av släktet Bacillus kan det bilda en endospor för att överleva extrema miljöförhållanden med temperatur och uttorkning. B. subtilis är en fakultativ anaerob och hade ansetts vara en obligatorisk aerobe fram till 1998. B. subtilis är kraftigt flagellerad , vilket ger den förmågan att röra sig snabbt i vätskor. B. subtilis har visat sig mycket mottaglig för genetisk manipulation och har blivit allmänt antagen som modellorganism för laboratoriestudier, särskilt sporulation , vilket är ett förenklat exempel på celldifferentiering . När det gäller popularitet som en laboratoriemodellorganism betraktas B. subtilis ofta som den grampositiva ekvivalenten till Escherichia coli , en omfattande Gram-negativ bakterie.

Egenskaper för Bacillus subtilis

Koloni, morfologiska, fysiologiska och biokemiska egenskaper hos Bacillus subtilis visas i tabellen nedan.

Testtyp Testa Egenskaper
Kolonitecken Storlek Medium
Typ Runda
Färg Vitaktig
Form Konvex
Morfologiska karaktärer Form stång
Fysiologiska karaktärer Motilitet -
Tillväxt vid 6,5% NaCl +
Biokemiska karaktärer Grams färgning +
Oxidas -
Catalase +
Oxidativ-fermentativ Fermentativ
Motilitet -
Metylröd +
Voges-Proskauer -
Indole -
H 2 S Produktion +
Urease -
Nitratreduktas +
β-galaktosidas +
Hydrolys av Gelatin +
Aesculin +
Kasein +
Tween 40 +
Mellan 60 +
Mellan 80 +
Syraproduktion från Glycerol +
Galaktos +
D-glukos +
D-fruktos +
D-Mannose +
Mannitol +
N-acetylglukosamin +
Amygdalin +
Maltos +
D-Melibiose +
D-Trehalose +
Glykogen +
D-Turanose +

Obs: + = Positivt, - = Negativt

Livsmiljö

Denna art finns vanligen i markens övre lager och B. subtilis anses vara en normal tarmkommensal hos människor. En studie från 2009 jämförde tätheten av sporer som finns i jorden (cirka 10 6 sporer per gram) med den som finns i mänsklig avföring (cirka 10 4 sporer per gram). Antalet sporer som finns i människans tarm var för högt för att enbart kunna hänföras till konsumtion genom matförorening. B. subtilis förekommer i normal honungsbi -tarmflora i vissa bi -livsmiljöer. B. subtilis finns också i marin miljö.

Fortplantning

Sporulerande B. subtilis .
En annan endosporfläck av B. subtilis .

B. subtilis kan dela sig symmetriskt för att göra två dotterceller (binär klyvning), eller asymmetriskt, producera en enda endospor som kan förbli livskraftig i årtionden och är resistent mot ogynnsamma miljöförhållanden som torka , salthalt , extremt pH , strålning och lösningsmedel . Endosporen bildas vid näringsstress och genom användning av hydrolys, vilket gör att organismen kan bestå i miljön tills förhållandena blir gynnsamma. Före sporuleringsprocessen kan cellerna bli rörliga genom att producera flageller , ta upp DNA från miljön eller producera antibiotika . Dessa svar ses som försök att söka efter näringsämnen genom att söka efter en mer gynnsam miljö, vilket gör att cellen kan använda nytt nytt genetiskt material eller helt enkelt genom att döda konkurrensen.

Under stressiga förhållanden, till exempel näringsbrist, genomgår B. subtilis processen med sporulering . Denna process har studerats mycket väl och har fungerat som en modellorganism för att studera sporulation.

Kromosomal replikation

B. subtilis är en modellorganism som används för att studera bakteriell kromosomreplikation. Replikering av den enda cirkulära kromosomen initieras på ett enda ställe, ursprunget ( oriC ). Replikationen fortskrider åt båda hållen och två replikationsgafflar går framåt medurs och moturs längs kromosomen. Kromosomreplikationen slutförs när gafflarna når ändregionen, som är placerad mittemot ursprunget på kromosomkartan . Terminalregionen innehåller flera korta DNA -sekvenser ( Ter -platser) som främjar replikationsstopp. Specifika proteiner förmedlar alla steg i DNA -replikation. Jämförelse mellan proteinerna som är involverade i kromosomal DNA -replikation i B. subtilis och i Escherichia coli avslöjar likheter och skillnader. Även om de grundläggande komponenterna som främjar initiering, förlängning och avslutning av replikation är väl bevarade , kan några viktiga skillnader hittas (som att en bakterie saknar proteiner som är väsentliga i den andra). Dessa skillnader understryker mångfalden i de mekanismer och strategier som olika bakteriearter har antagit för att genomföra dubblering av deras genomer.

Genom

B. subtilis har cirka 4 100 gener. Av dessa visade sig bara 192 vara oumbärliga; ytterligare 79 förutspås vara viktiga också. En övervägande majoritet av essentiella gener kategoriserades i relativt få områden av cellmetabolism, med ungefär hälften involverad i informationsbehandling, en femtedel involverad i syntesen av cellhölje och bestämning av cellform och delning, och en tiondel relaterad till cell energisk.

Den fullständiga genom-sekvensen för B. subtilis sub-stam QB928 har 4 146 839 DNA-baspar och 4 292 gener. QB928 -stammen används ofta i genetiska studier på grund av närvaron av olika markörer [aroI (aroK) 906 purE1 dal (alrA) 1 trpC2].

Flera icke -kodande RNA har karakteriserats i B. subtilis -genomet 2009, inklusive Bsr -RNA . Mikroarraybaserade jämförande genomiska analyser har avslöjat att B. subtilis- medlemmar uppvisar betydande genomisk mångfald.

FsrA är ett litet RNA som finns i Bacillus subtilis . Det är en effektor av det järnbesparande svaret och verkar för att nedreglera järninnehållande proteiner i tider med dålig järnbiotillgänglighet.

En lovande fisk probiotisk, Bacillus subtilis stam WS1A, som har antimikrobiell aktivitet mot Aeromonas veronii och undertryckt rörlig Aeromonas septicemia i Labeo rohita . De novo -monteringen resulterade i en uppskattad kromosomstorlek på 4 148 460 bp, med 4 288 öppna läsramar. B. subtilis stam WS1A genom innehåller många potentiella gener, såsom de som kodar proteiner som är involverade i biosyntesen av riboflavin , vitamin B6 och aminosyror ( ilvD ) och vid kolanvändning ( pta ).

Omvandling

Naturlig bakterietransformation innebär överföring av DNA från en bakterie till en annan genom det omgivande mediet. I B. subtilis är längden på överfört DNA större än 1271 kb (mer än 1 miljon baser). Det överförda DNA: et är sannolikt dubbelsträngat DNA och är ofta mer än en tredjedel av den totala kromosomlängden på 4215 kb. Det verkar som om cirka 7–9% av mottagarcellerna tar upp en hel kromosom.

För att en mottagande bakterie ska binda, ta upp exogent DNA från en annan bakterie av samma art och rekombinera den i sin kromosom, måste den gå in i ett speciellt fysiologiskt tillstånd som kallas kompetens . Kompetens hos B. subtilis induceras mot slutet av logaritmisk tillväxt, särskilt under förhållanden med aminosyrabegränsning. Under dessa påfrestande förhållanden för halvväxling har celler vanligtvis bara en kopia av sin kromosom och har sannolikt ökad DNA -skada. För att testa om transformation är en adaptiv funktion för B. subtilis för att reparera dess DNA -skada, utfördes experiment med UV -ljus som det skadliga medlet. Dessa experiment ledde till slutsatsen att kompetens, med upptag av DNA, specifikt induceras av DNA-skadliga förhållanden, och att transformation fungerar som en process för rekombinativ reparation av DNA-skador.

Medan det naturliga kompetenta tillståndet är vanligt inom laboratorie B. subtilis och fältisolat, är vissa industriellt relevanta stammar, t.ex. B. subtilis (natto), motvilliga till DNA -upptag på grund av närvaron av restriktionsmodifieringssystem som bryter ned exogent DNA. B. subtilis (natto) mutanter, som är defekta i ett typ I -restriktionsmodifieringssystem endonukleas, kan fungera som mottagare av konjugativa plasmider i parningsexperiment, vilket banar väg för ytterligare genteknik av denna speciella B. subtilis -stam.

Användningsområden

1900 -talet

Gramfärgade B. subtilis

Kulturer av B. subtilis var populära över hela världen, före införandet av antibiotika , som ett immunstimulerande medel till stöd behandling av gastrointestinala och urinvägssjukdomar. Det användes under 1950-talet som ett alternativt läkemedel , som vid matsmältning har visat sig signifikant stimulera bredspektrumimmunaktivitet inklusive aktivering av utsöndring av specifika antikroppar IgM , IgG och IgA och frisättning av CpG-dinukleotider som inducerar interferon IFN-α / IFNγ- producerande aktivitet av leukocyter och cytokiner viktiga för utvecklingen av cytotoxicitet mot tumörceller . Det marknadsfördes i hela Amerika och Europa från 1946 som ett immunstimulerande hjälpmedel vid behandling av tarm- och urinvägssjukdomar som Rotavirus och Shigellosis . Det har rapporterats att den amerikanska armén 1966 dumpade bacillus subtilis på gallren i tunnelbanestationerna i New York i fyra dagar för att observera människors reaktioner när de täcktes av ett konstigt damm, på grund av dess förmåga att överleva tros det fortfarande vara närvarande där.

Antibiotikumet bacitracin isolerades först från gruppen licheniformis av Bacillus subtilis var Tracy 1945 och bacitracin tillverkas fortfarande kommersiellt genom att odla bakterierna Bacillus subtilis var Tracy I i en behållare med flytande tillväxtmedium . Med tiden syntetiserar bakterierna bacitracin och utsöndrar antibiotikumet i mediet. Bacitracinet extraheras sedan från mediet med användning av kemiska processer.

Sedan 1960 -talet har B. subtilis haft en historia som testart i rymdflygningsexperiment. Dess endosporer kan överleva upp till 6 år i rymden om de är belagda med dammpartiklar som skyddar den från solens UV -strålar. Den har använts som en extremofil överlevnadsindikator i yttre rymden som Exobiology Radiation Assembly , EXOSTACK och EXPOSE orbital mission.

Naturliga isolat av B. subtilis av vildtyp är svåra att arbeta med jämfört med laboratoriestammar som har genomgått domesticeringsprocesser för mutagenes och selektion. Dessa stammar har ofta förbättrade möjligheter till transformation (upptag och integration av miljö -DNA), tillväxt och förlust av förmågor som behövs "i naturen". Och även om dussintals olika stammar som passar denna beskrivning existerar, är stammen betecknad "168" den mest använda. Stam 168 är en tryptofan auxotrof isolerad efter röntgenmutagenes av B. subtilis Marburg-stam och används ofta i forskning på grund av dess höga transformationseffektivitet.

Kolonier av B. subtilis odlade på en odlingsrätt i ett molekylärbiologiskt laboratorium .

B. globigii , en nära besläktad men fylogenetiskt skilda arter som nu kallas Bacillus atrophaeus användes som biowarfare simulator under Project SHAD (aka Project 112 ). Efterföljande genomisk analys visade att de stammar som användes i dessa studier var produkter av avsiktlig anrikning för stammar som uppvisade onormalt höga sporulationshastigheter .

En stam av B. subtilis som tidigare kallades Bacillus natto används i den kommersiella produktionen av den japanska maten nattō , liksom den liknande koreanska maten cheonggukjang .

2000 -talet

  • Som modellorganism används B. subtilis vanligtvis i laboratoriestudier som syftar till att upptäcka de grundläggande egenskaperna och egenskaperna hos grampositiva sporbildande bakterier. I synnerhet har de grundläggande principerna och mekanismerna som ligger till grund för bildandet av den hållbara endosporen härledts från studier av sporbildning i B. subtilis .
  • Dess ytbindande egenskaper spelar en roll vid säkert bortskaffande av radionuklidavfall [t.ex. torium (IV) och plutonium (IV)].
  • På grund av dess utmärkta fermenteringsegenskaper, med höga produktutbyten (20 till 25 gram per liter) används den för att producera olika enzymer, såsom amylas och proteaser.
  • B. subtilis används som markinokulant inom trädgårdsodling och jordbruk .
  • Det kan ge en viss fördel för saffransodlare genom att påskynda knopptillväxt och öka stigmatiserad biomassa.
  • Den används som en "indikatororganism" under gassterilisering, för att säkerställa att en steriliseringscykel har slutförts framgångsrikt. Detta beror på svårigheten att sterilisera endosporer.
  • B. subtilis har visat sig fungera som en användbar bioprodukts fungicid som förhindrar tillväxt av Monilinia vaccinii-corymbosi , aka mumsbärssvampen, utan att störa pollinering eller fruktkvaliteter.
  • Både metaboliskt aktiva och icke-metaboliskt aktiva B. subtilis- celler har visat sig minska guld (III) till guld (I) och guld (0) när syre är närvarande. Denna biotiska reduktion spelar en roll för guldcykling i geologiska system och kan eventuellt användas för att återvinna fast guld från nämnda system.

Nya och konstgjorda påfrestningar

  • Nya stammar av B. subtilis som kunde använda 4-fluorotryptofan (4FTrp) men inte kanoniskt tryptofan (Trp) för förökning isolerades. Eftersom Trp endast kodas av ett enda kodon, finns det bevis på att Trp kan förskjutas med 4FTrp i den genetiska koden. Experimenten visade att den kanoniska genetiska koden kan vara muterbar.
  • Rekombinanta stammar pBE2C1 och pBE2C1AB användes vid produktion av polyhydroxialkanoater (PHA), och maltavfall kan användas som deras kolkälla för billigare PHA-produktion.
  • Det används för att producera hyaluronsyra , som används inom vård och omsorg inom vård och kosmetika.
  • Monsanto har isolerat en gen från B. subtilis som uttrycker kallchockprotein B och skarvar den i sin torktoleranta majshybrid MON 87460, som godkändes för försäljning i USA i november 2011.
  • En ny stam har modifierats för att producera honung

Säkerhet

I andra djur

B. subtilis granskades av US FDA Center for Veterinary Medicine och visade sig inte utgöra några säkerhetsproblem när det används i direktmatade mikrobiella produkter, så Association of American Feed Control Officials har listat det godkänt för användning som djurfoderingrediens under avsnitt 36.14 "Direktmatade mikroorganismer". Den Canadian Food Inspection Agency djurhälsa och produktion Feed avsnitt har klassificerat Bacillus kultur uttorkad godkända foderingredienser som ensilagetillsats enligt schema IV-Del 2-klass 8.6 och tilldelas den internationella foderingrediens nummer IFN 8-19-119. Å andra sidan har flera fodertillsatser som innehåller livskraftiga sporer av B. subtilis utvärderats positivt av Europeiska livsmedelssäkerhetsmyndigheten , vad gäller deras säkra användning för viktökning i animalieproduktion.

I människor

B. subtilis sporer kan överleva den extrema värmen under matlagning. Vissa B. subtilis- stammar är ansvariga för att orsaka ropiness eller repförstöring-en klibbig, trådig konsistens orsakad av bakteriell produktion av långkedjiga polysackarider-  i bortskämd bröddeg och bakverk. Under lång tid förknippades brödkänslighet unikt med B. subtilis -arter genom biokemiska tester. Molekylära analyser (slumpmässigt förstärkt polymorf DNA -PCR -analys, denaturerande gradientgelelektroforesanalys och sekvensering av V3 -regionen i 16S ribosomalt DNA) avslöjade större variation av Bacillus -arter i ropbröd, som alla verkar ha en positiv amylasaktivitet och hög värmebeständighet. B. subtilis CU1 (2 x 10 9 sporer per dag) utvärderades i en 16-veckorsstudie (10 dagar administrering av probiotiska, följt av 18 dagar wash-out-period per varje månad; upprepades samma förfarande för totalt 4 månader) till friska ämnen. B. subtilis CU1 befanns vara säkert och tolereras väl hos patienterna utan några biverkningar.

B. subtilis och ämnen som härrör från det har utvärderats av olika auktoritativa organ för deras säkra och fördelaktiga användning i livsmedel. I USA erkände ett yttrandebrev som utfärdades i början av 1960 -talet av Food and Drug Administration (FDA) vissa ämnen som härrör från mikroorganismer som allmänt erkända som säkra (GRAS), inklusive kolas- och proteasenzymer från B. subtilis . Åsikterna baserades på användningen av icke -patogena och icke -toxikogena stammar av respektive organismer och på användningen av nuvarande god tillverkningssed. FDA uppgav att enzymerna härstammade från B. subtilis -stammen var vanliga i livsmedel före den 1 januari 1958 och att icke -toxigena och icke -patogena stammar av B. subtilis är allmänt tillgängliga och säkert har använts i en mängd olika livsmedelsapplikationer. Detta inkluderar konsumtion av japansk fermenterad sojaböna, i form av Natto , som vanligtvis konsumeras i Japan, och innehåller så många som 10 8 livskraftiga celler per gram. De fermenterade bönorna är kända för sitt bidrag till en hälsosam tarmflora och vitamin K 2 -intag; under denna långa historia av utbredd användning har natto inte varit inblandat i biverkningar som potentiellt kan hänföras till förekomsten av B. subtilis . Nattoprodukten och B. subtilis natto som huvudkomponent är FOSHU (Foods for Specified Health Use) som godkänts av det japanska ministeriet för hälsa, arbete och välfärd som effektivt för att bevara hälsan.

B. subtilis har beviljats ​​status "Qualified Presumption of Safety" av Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet .

Identifiering

Nedan finns en tabell som hjälper till att identifiera B. subtilis genom vissa identifieringstester.

Testa Resultat
Syra från glukos +
Syra från laktos -
Syra från sackaros +
Syra från Mannitol +
Catalase +
Citrat (Simmons) +
Endospore +
Gas från glukos -
Gelatinhydrolys +
Gramfärg +
Vätesulfidproduktion -
Indolproduktion -
Motilitet +
Nitratreduktion +
Oxidas +
Fenylalanindeaminas -
Form stång
Ureahydrolys -
Voges-Proskauer +

Se även

Referenser

externa länkar