Введение

Порядок бактерий

Лактобациллы (Lactobacillales) – это порядок грамположительных бактерий с низким содержанием ГЦ, кислотоустойчивых, обычно не образующих спор, не дышащих, имеющих форму палочек (бацилл) или сфер (кокков), которые обладают общими метаболическими и физиологическими характеристиками. Эти бактерии, как правило, встречаются в разлагающихся растениях и молочных продуктах, и производят молочную кислоту как основной конечный продукт ферментации углеводов, что и дало им общее название молочнокислые бактерии (LAB). Производство молочной кислоты связано с пищевыми ферментациями, поскольку подкисление ингибирует рост микроорганизмов, вызывающих порчу. Белковые бактериоцины продуцируются некоторыми штаммами LAB и создают дополнительный барьер для микроорганизмов, вызывающих порчу и являющихся патогенными. Кроме того, молочная кислота и другие продукты метаболизма вносят вклад в органолептические и текстурные свойства пищевого продукта. Промышленная значимость LAB подтверждается их статусом "общепризнанно безопасных" (GRAS) благодаря их повсеместному присутствию в пищевых продуктах и их вкладу в здоровую микробиоту слизистых оболочек животных и человека. Роды, составляющие LAB, включают в себя, в первую очередь, Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Lactococcus и Streptococcus, а также более периферические Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Oenococcus, Sporolactobacillus, Tetragenococcus, Vagococcus и Weissella. Все, кроме Sporolactobacillus, относятся к порядку Lactobacillales, и все – к типу Bacillota. Хотя молочнокислые бактерии обычно ассоциируются с порядком Lactobacillales, бактерии рода Bifidobacterium (тип Actinomycetota) также производят молочную кислоту как основной продукт метаболизма углеводов.

Характеристики

Молочнокислые бактерии (МКБ) имеют форму палочек (бацилл) или сферическую (кокков) и характеризуются повышенной устойчивостью к кислотности (низкий диапазон pH). Этот фактор позволяет МКБ успешно конкурировать с другими бактериями в естественном брожении, поскольку они способны выдерживать повышенную кислотность, возникающую при производстве органических кислот (например, молочной кислоты). Питательные среды, используемые для культивирования МКБ, обычно содержат источник углеводов, так как большинство видов не способны к дыханию. МКБ являются каталазоотрицательными. МКБ относятся к наиболее важным группам микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности. Их относительно простой метаболизм также обусловил их применение в качестве микробных клеточных фабрик для производства различных продуктов для пищевой и непищевой отраслей.

Переклассификация стрептококков

В 1985 году представители разнообразного рода Streptococcus были переклассифицированы в Lactococcus, Enterococcus, Vagococcus и Streptococcus на основе биохимических и молекулярных характеристик. Ранее стрептококки разделяли главным образом по серологическим признакам, которые, как оказалось, хорошо соответствуют современным таксономическим определениям. Лактококки (ранее стрептококки группы N Лансфилда) широко используются в качестве заквасок при производстве молочных продуктов, при этом, по оценкам, человек потребляет 10¹⁸ лактококков ежегодно. Отчасти благодаря их промышленной значимости, оба подвида L. lactis (L. l. lactis и L. l. cremoris) широко применяются в качестве типовых моделей LAB в научных исследованиях. L. lactis ssp. cremoris, используемый в производстве твердых сыров, представлен лабораторными штаммами LM0230 и MG1363. Аналогичным образом, L. lactis ssp. lactis применяется в ферментации мягких сыров, а штамм IL1403 широко распространен в исследовательских лабораториях, занимающихся LAB. В 2001 году Болотин и соавторы секвенировали геном IL1403, что совпало со значительным перенаправлением ресурсов на изучение геномики LAB и связанных с ней применений.

Пробиотики

Пробиотики – это продукты, предназначенные для доставки живых, потенциально полезных бактериальных клеток в кишечную экосистему человека и других животных, в то время как пребиотики – это неперевариваемые углеводы, поступающие с пищей в толстый кишечник для обеспечения ферментируемых субстратов для определенных бактерий. Большинство штаммов, используемых в качестве пробиотиков, относятся к роду Lactobacillus. (Другие пробиотические штаммы относятся к роду Bifidobacterium). Эффективность пробиотиков оценивалась в исследованиях на животных и людях при лечении диареи, связанной с применением антибиотиков, диареи путешественников, детской диареи, воспалительных заболеваний кишечника, синдрома раздраженного кишечника и болезни Альцгеймера. Будущие области применения пробиотиков могут включать системы доставки вакцин и иммуноглобулинов, а также лечение различных заболеваний желудочно-кишечного тракта и вагиноза. Некоторые молочнокислые бактерии (LAB) производят бактериоцины, которые подавляют патогенные микроорганизмы, вмешиваясь в синтез клеточной стенки или вызывая образование пор в клеточной мембране. Низин, бактериоцин, производимый LAB, впервые был исследован как пищевой консервант в 1951 году и с тех пор широко используется в пищевой промышленности благодаря своей антимикробной активности против грамположительных бактерий. Низин используется в качестве пищевой добавки как минимум в 50 странах. Кроме того, LAB обладают потенциалом снижать содержание микотоксинов в пищевых продуктах, связываясь с ними.

Удобрение

Исследователи изучили влияние молочнокислых бактерий на продукцию индолуксусной кислоты, растворение фосфатов и фиксацию азота у цитрусовых. В то время как большинство выделенных бактерий были способны продуцировать ИУК, растворение фосфатов наблюдалось лишь у одного из восьми изолятов молочнокислых бактерий.

Ферментация

Молочнокислые бактерии используются в пищевой промышленности по ряду причин, в том числе для производства сыра и йогурта. Популярные напитки, такие как комбуча, изготавливаются с использованием молочнокислых бактерий, и в готовой комбуче часто обнаруживаются следы Lactobacillus и Pediococcus. В процессе производства пива и вина используются определенные виды молочнокислых бактерий, преимущественно Lactobacillus. Молочнокислые бактерии применяются для запуска процесса виноделия, инициируя малолактическую ферментацию. После малолактической ферментации для начала процесса спиртового брожения винограда используются клетки дрожжей. Механизм малолактической ферментации заключается в преобразовании L-яблочной кислоты (дикарбоновой кислоты) в молочную кислоту (монокарбоновую кислоту). Это изменение происходит благодаря наличию малолактических и яблочных ферментов. Вся яблочная кислота расщепляется, что приводит к повышению уровня pH и изменению вкуса вина. С помощью методов молекулярной биологии исследователи могут отбирать желательные штаммы, улучшающие качество вина, и удалять нежелательные. То же самое относится и к пивоварению, где используются дрожжи, а некоторые пивоварни применяют молочнокислые бактерии для изменения вкусовых характеристик пива.

Управление бактериофагами в промышленности

Большое количество пищевых продуктов, товарных химикатов и продуктов биотехнологии производится промышленным способом посредством крупномасштабной бактериальной ферментации различных органических субстратов. Поскольку этот процесс предполагает культивирование огромных количеств бактерий ежедневно в больших ферментерах, серьезной угрозой для этих отраслей является риск заражения бактериофагами, которые могут быстро остановить ферментацию и привести к экономическим потерям. К областям, представляющим интерес в управлении этим риском, относятся источники заражения фагами, меры по контролю их распространения и биотехнологические стратегии защиты, разработанные для их сдерживания. В контексте пищевой промышленности, использующей ферментацию, особенно важны взаимоотношения между бактериофагами и их бактериальными хозяевами. Молочная промышленность открыто признала проблему заражения фагами и на протяжении десятилетий сотрудничает с научными учреждениями и производителями заквасок для разработки стратегий и систем защиты, направленных на ограничение распространения и эволюции фагов.

Взаимодействие бактериофага с хозяином

Первый контакт между заражающим фагом и его бактериальным хозяином – это прикрепление фага к клетке-хозяину. Это прикрепление опосредовано белком, связывающим рецепторы фага (RBP), который распознает и связывается с рецептором на поверхности бактерии. RBP также называют белками специфичности к хозяину, детерминантами хозяина и антирецепторами. Было предложено, что различные молекулы могут выступать в качестве рецепторов хозяина для бактериофагов, инфицирующих LAB; среди них – полисахариды и (липо)тейхоевые кислоты, а также одномембранный белок. Ряд RBP фагов LAB были идентифицированы путем создания гибридных фагов с измененным спектром хозяев. Однако эти исследования также показали, что для успешного заражения фагом важны и другие белки фага. Анализ кристаллической структуры нескольких RBP указывает на то, что эти белки имеют общую третичную структуру и подтверждает предыдущие данные о сахаридной природе рецептора хозяина. Грамположительные LAB имеют толстый пептидогликановый слой, который необходимо преодолеть для введения фагового генома в бактериальную цитоплазму. Ожидается, что ферменты, разрушающие пептидогликан, облегчат это проникновение, и такие ферменты были обнаружены в качестве структурных элементов ряда фагов LAB. Декстланы, как и другие глюканы, позволяют бактериям прикрепляться к поверхности зубов, что, в свою очередь, может привести к кариесу через образование зубного налета и выработку молочной кислоты. Хотя основной бактерией, ответственной за кариес, является Streptococcus mutans, LAB также входят в число других наиболее распространенных бактерий ротовой полости, вызывающих кариес.