Bacillus subtilis -Bacillus subtilis

Bacillus subtilis
Bacillus subtilis.jpg
Micrografia TEM de uma célula B. subtilis em seção transversal (barra de escala = 200 nm )
Classificação científica editar
Domínio: Bactérias
Filo: Firmicutes
Classe: Bacilli
Pedido: Bacillales
Família: Bacillaceae
Gênero: Bacilo
Espécies:
B. subtilis
Nome binomial
Bacillus subtilis
( Ehrenberg 1835)
Cohn 1872
Sinônimos
  • Vibrio subtilis Ehrenberg 1835
  • Até 2008, Bacillus globigii era considerado B. subtilis, mas desde então é formalmente reconhecido como Bacillus atrophaeus .

Bacillus subtilis , conhecida também como o bacilo do feno ou bacilo da grama , é um Gram-positivas , catalase positiva para bactéria , encontrada no solo e o trato gastrointestinal de ruminantes e humanos. Como um membro do gênero Bacillus , B. subtilis é em forma de bastonete e pode formar um endosporo protetor resistente, permitindo que tolere condições ambientais extremas. B. subtilis foi historicamente classificado como um aeróbio obrigatório , embora existam evidências de que é um anaeróbio facultativo . B. subtilis é considerada a bactéria Gram-positiva mais bem estudada e um organismo modelo para estudar a replicação do cromossomo bacteriano e a diferenciação celular. É uma das bactérias campeãs naprodução de enzimas secretadase utilizada em escala industrial por empresas de biotecnologia.

Descrição

Bacillus subtilis é uma bactéria Gram-positiva , em forma de bastonete e catalase- positiva. Foi originalmente denominado Vibrio subtilis por Christian Gottfried Ehrenberg , e renomeado Bacillus subtilis por Ferdinand Cohn em 1872 (subtilis sendo o termo latino para "bom"). As células de B. subtilis são tipicamente em forma de bastonete e têm cerca de 4–10 micrômetros (μm) de comprimento e 0,25–1,0 μm de diâmetro, com um volume celular de cerca de 4,6 fL na fase estacionária. Tal como acontece com outros membros do gênero Bacillus , pode formar um endosporo , para sobreviver a condições ambientais extremas de temperatura e dessecação. B. subtilis é um anaeróbio facultativo e foi considerado um aeróbio obrigatório até 1998. B. subtilis é fortemente flagelado , o que lhe dá a capacidade de se mover rapidamente em líquidos. B. subtilis provou ser altamente receptivo à manipulação genética e se tornou amplamente adotado como organismo modelo para estudos de laboratório, especialmente de esporulação , que é um exemplo simplificado de diferenciação celular . Em termos de popularidade como organismo modelo de laboratório, B. subtilis é frequentemente considerado o equivalente Gram-positivo de Escherichia coli , uma bactéria Gram-negativa amplamente estudada .

Características do Bacillus subtilis

As características de colônia, morfológicas, fisiológicas e bioquímicas de Bacillus subtilis são mostradas na Tabela abaixo.

Tipo de teste Teste Características
Personagens da colônia Tamanho Médio
Modelo Volta
Cor Esbranquiçado
Forma Convexo
Caracteres morfológicos Forma haste
Caracteres fisiológicos Motilidade -
Crescimento a 6,5% de NaCl +
Caracteres bioquímicos Coloração de Gram +
Oxidase -
Catalase +
Oxidativo-fermentativo Fermentativo
Motilidade -
Vermelho de metila +
Voges-Proskauer -
Indole -
Produção de H 2 S +
Urease -
Nitrato redutase +
β-Galactosidase +
Hidrólise de Gelatina +
Esculina +
Caseína +
Tween 40 +
Tween 60 +
Tween 80 +
Produção de ácido de Glicerol +
Galactose +
D-glicose +
D-Frutose +
D-Manose +
Manitol +
N-acetilglucosamina +
Amigdalina +
Maltose +
D-Melibiose +
D-Trehalose +
Glicogênio +
D-Turanose +

Nota: + = Positivo, - = Negativo

Habitat

Esta espécie é comumente encontrada nas camadas superiores do solo e B. subtilis é considerada um comensal intestinal normal em humanos. Um estudo de 2009 comparou a densidade de esporos encontrados no solo (cerca de 10 6 esporos por grama) com a encontrada nas fezes humanas (cerca de 10 4 esporos por grama). O número de esporos encontrados no intestino humano era muito alto para ser atribuído apenas ao consumo por meio da contaminação de alimentos. B. subtilis aparece na flora intestinal normal de abelhas em alguns habitats de abelhas. B. subtilis também encontrada no ambiente marinho.

Reprodução

Esporulando B. subtilis .
Outra coloração de endosporo de B. subtilis .

B. subtilis pode se dividir simetricamente para formar duas células filhas (fissão binária), ou assimetricamente, produzindo um único endosporo que pode permanecer viável por décadas e é resistente a condições ambientais desfavoráveis, como seca , salinidade , pH extremo , radiação e solventes . O endosporo é formado em momentos de estresse nutricional e pelo uso de hidrólise, permitindo que o organismo persista no meio ambiente até que as condições se tornem favoráveis. Antes do processo de esporulação, as células podem se tornar móveis , produzindo flagelos , absorvendo DNA do ambiente ou produzindo antibióticos . Essas respostas são vistas como tentativas de buscar nutrientes, buscando um ambiente mais favorável, permitindo que a célula faça uso de novo material genético benéfico ou simplesmente eliminando a competição.

Em condições estressantes, como a privação de nutrientes, B. subtilis sofre o processo de esporulação . Este processo foi muito bem estudado e serviu como organismo modelo para estudar a esporulação.

Replicação cromossômica

B. subtilis é um organismo modelo usado para estudar a replicação do cromossomo bacteriano. A replicação do cromossomo circular único inicia em um único locus, a origem ( oriC ). A replicação prossegue bidirecionalmente e dois bifurcações de replicação progridem nas direções horário e anti-horário ao longo do cromossomo. A replicação do cromossomo é concluída quando os garfos atingem a região terminal, que está posicionada oposta à origem no mapa do cromossomo . A região terminal contém várias sequências curtas de DNA ( locais Ter ) que promovem a interrupção da replicação. Proteínas específicas medeiam todas as etapas da replicação do DNA. A comparação entre as proteínas envolvidas na replicação do DNA cromossômico em B. subtilis e em Escherichia coli revela semelhanças e diferenças. Embora os componentes básicos que promovem a iniciação, o alongamento e o término da replicação sejam bem conservados , algumas diferenças importantes podem ser encontradas (como uma bactéria sem proteínas essenciais na outra). Essas diferenças sublinham a diversidade nos mecanismos e estratégias que várias espécies bacterianas têm adotado para realizar a duplicação de seus genomas.

Genoma

B. subtilis tem cerca de 4.100 genes. Destes, apenas 192 se mostraram indispensáveis; outros 79 também foram considerados essenciais. A grande maioria dos genes essenciais foi categorizada em relativamente poucos domínios do metabolismo celular, com cerca de metade envolvida no processamento de informações, um quinto envolvido na síntese do envelope celular e na determinação da forma e divisão celular e um décimo relacionado à célula energética.

A sequência completa do genoma da sub-cepa QB928 de B. subtilis tem 4.146.839 pares de bases de DNA e 4.292 genes. A cepa QB928 é amplamente utilizada em estudos genéticos devido à presença de vários marcadores [aroI (aroK) 906 purE1 dal (alrA) 1 trpC2].

Vários RNAs não codificantes foram caracterizados no genoma de B. subtilis em 2009, incluindo RNAs de Bsr . As análises genômicas comparativas baseadas em microarray revelaram que os membros de B. subtilis apresentam considerável diversidade genômica.

FsrA é um pequeno RNA encontrado em Bacillus subtilis . É um efetor da resposta poupadora de ferro e atua para regular negativamente as proteínas que contêm ferro em tempos de baixa biodisponibilidade do ferro.

Um promissor probiótico de peixe, Bacillus subtilis cepa WS1A, que possui atividade antimicrobiana contra Aeromonas veronii e suprimiu a septicemia móvel por Aeromonas em Labeo rohita . A montagem de novo resultou em um tamanho de cromossomo estimado de 4.148.460 pb, com 4.288 quadros de leitura abertos. O genoma da cepa WS1A de B. subtilis contém muitos genes potenciais, como aqueles que codificam proteínas envolvidas na biossíntese de riboflavina , vitamina B6 e aminoácidos ( ilvD ) e na utilização de carbono ( pta ).

Transformação

A transformação bacteriana natural envolve a transferência de DNA de uma bactéria para outra através do meio circundante. Em B. subtilis, o comprimento do DNA transferido é maior que 1271 kb (mais de 1 milhão de bases). O DNA transferido é provavelmente o DNA de fita dupla e geralmente é mais de um terço do comprimento total do cromossomo de 4215 kb. Parece que cerca de 7 a 9% das células receptoras ocupam um cromossomo inteiro.

Para que uma bactéria receptora se ligue, pegue DNA exógeno de outra bactéria da mesma espécie e o recombine em seu cromossomo, ela deve entrar em um estado fisiológico especial denominado competência . A competência em B. subtilis é induzida no final do crescimento logarítmico, especialmente sob condições de limitação de aminoácidos. Sob essas condições estressantes de quase inanição, as células normalmente têm apenas uma cópia de seu cromossomo e provavelmente aumentam os danos ao DNA. Para testar se a transformação é uma função adaptativa de B. subtilis para reparar seus danos no DNA, experimentos foram conduzidos usando luz ultravioleta como agente prejudicial. Esses experimentos levaram à conclusão de que a competência, com a absorção de DNA, é especificamente induzida por condições que danificam o DNA, e que a transformação funciona como um processo de reparo recombinacional de danos ao DNA.

Embora o estado de competência natural seja comum em B. subtilis de laboratório e isolados de campo, algumas cepas industrialmente relevantes, por exemplo, B. subtilis (natto), são relutantes na captação de DNA devido à presença de sistemas de modificação de restrição que degradam o DNA exógeno. Mutantes de B. subtilis (natto), que são defeituosos em uma endonuclease de sistema de modificação de restrição tipo I, são capazes de atuar como receptores de plasmídeos conjugativos em experimentos de acasalamento, abrindo caminho para a engenharia genética adicional desta cepa B. subtilis em particular .

Usos

século 20

B. subtilis com coloração de Gram

As culturas de B. subtilis eram populares em todo o mundo, antes da introdução dos antibióticos , como um agente imunoestimulador para auxiliar no tratamento de doenças gastrointestinais e do trato urinário . Foi usado ao longo da década de 1950 como uma medicina alternativa , que após a digestão demonstrou estimular significativamente a atividade imunológica de amplo espectro, incluindo a ativação da secreção de anticorpos específicos IgM , IgG e IgA e a liberação de dinucleotídeos CpG induzindo interferon produtor de IFN-α / IFNγ atividade de leucócitos e citocinas importantes no desenvolvimento de citotoxicidade para células tumorais . Foi comercializado em toda a América e Europa a partir de 1946 como um auxiliar imunoestimulador no tratamento de doenças do intestino e do trato urinário, como Rotavírus e Shigelose . Foi relatado que em 1966 o Exército dos EUA jogou bacillus subtilis nas grades das estações de metrô de Nova York por quatro dias para observar as reações das pessoas quando cobertas por uma poeira estranha, devido à sua capacidade de sobreviver, acredita-se que ainda seja presente lá.

O antibiótico bacitracina foi isolado pela primeira vez do grupo liqueniforme de Bacillus subtilis var Tracy em 1945 e a bacitracina ainda é fabricada comercialmente pelo cultivo da bactéria Bacillus subtilis var Tracy I em um recipiente de meio de crescimento líquido . Com o tempo, a bactéria sintetiza a bacitracina e secreta o antibiótico no meio. A bacitracina é então extraída do meio por meio de processos químicos.

Desde 1960, B. subtilis tem uma história como espécie de teste na experimentação de voos espaciais. Seus endosporos podem sobreviver até 6 anos no espaço se revestidos por partículas de poeira protegendo-os dos raios ultravioleta solares. Ela tem sido usada como um extremophile indicador de sobrevivência no espaço sideral , como Exobiology radiação Assembléia , EXOSTACK e EXPOR missões orbitais.

Isolados naturais de tipo selvagem de B. subtilis são difíceis de trabalhar em comparação com cepas de laboratório que sofreram processos de domesticação de mutagênese e seleção. Essas cepas geralmente têm capacidades aprimoradas de transformação (absorção e integração do DNA ambiental), crescimento e perda de habilidades necessárias "na natureza". E, embora existam dezenas de cepas diferentes que se encaixam nessa descrição, a cepa designada '168' é a mais amplamente usada. A cepa 168 é um auxotrófico de triptofano isolado após mutagênese por raios-X da cepa B. subtilis Marburg e é amplamente utilizado em pesquisas devido à sua alta eficiência de transformação.

Colônias de B. subtilis cultivadas em uma placa de cultura em um laboratório de biologia molecular .

B. globigii , uma espécie intimamente relacionada, mas filogeneticamente distinta, agora conhecida como Bacillus atrophaeus, foi usada como um simulador de guerra biológica durante o Projeto SHAD (também conhecido como Projeto 112 ). A análise genômica subsequente mostrou que as cepas usadas nesses estudos eram produtos de enriquecimento deliberado para cepas que exibiam taxas anormalmente altas de esporulação .

Uma cepa de B. subtilis anteriormente conhecida como Bacillus natto é usada na produção comercial da comida japonesa nattō , bem como na comida coreana similar cheonggukjang .

Anos 2000

  • Como organismo modelo, B. subtilis é comumente usado em estudos de laboratório direcionados à descoberta das propriedades e características fundamentais das bactérias formadoras de esporos Gram-positivas. Em particular, os princípios básicos e mecanismos subjacentes à formação do endosporo durável foram deduzidos de estudos de formação de esporos em B. subtilis .
  • Suas propriedades de ligação à superfície desempenham um papel no descarte seguro de resíduos de radionuclídeos [por exemplo, tório (IV) e plutônio (IV)].
  • Devido às suas excelentes propriedades de fermentação, com alto rendimento do produto (20 a 25 gramas por litro), é utilizado para a produção de diversas enzimas, como amilase e proteases.
  • B. subtilis é usado como inoculante do solo na horticultura e agricultura .
  • Pode trazer algum benefício para os produtores de açafrão , acelerando o crescimento do cormo e aumentando a produção de biomassa de estigma.
  • É usado como um "organismo indicador" durante os procedimentos de esterilização com gás, para garantir que um ciclo de esterilização seja concluído com êxito. Isso se deve à dificuldade de esterilização dos endosporos.
  • Descobriu-se que B. subtilis atua como um fungicida bioproduto útil que impede o crescimento de Monilinia vacinii-corymbosi , também conhecido como fungo da múmia, sem interferir na polinização ou nas qualidades da fruta.
  • As células B. subtilis metabolicamente ativas e não metabolicamente ativas demonstraram reduzir o ouro (III) a ouro (I) e ouro (0) quando o oxigênio está presente. Esta redução biótica desempenha um papel na ciclagem do ouro em sistemas geológicos e poderia ser usada para recuperar ouro sólido desses sistemas.

Sub-ramas novas e artificiais

  • Novas cepas de B. subtilis que poderiam usar 4-fluorotriptofano (4FTrp), mas não triptofano canônico (Trp) para propagação, foram isoladas. Como o Trp é codificado apenas por um único códon, há evidências de que o Trp pode ser deslocado por 4FTrp no código genético. Os experimentos mostraram que o código genético canônico pode ser mutável.
  • As cepas recombinantes pBE2C1 e pBE2C1AB foram usadas na produção de poli-hidroxialcanoatos (PHA), e os resíduos de malte podem ser usados ​​como sua fonte de carbono para a produção de PHA de baixo custo.
  • É utilizado para a produção de ácido hialurônico , utilizado no setor de cuidados articulares na área da saúde e cosméticos.
  • A Monsanto isolou um gene de B. subtilis que expressa a proteína B de choque frio e o uniu em seu híbrido de milho MON 87460, tolerante à seca, que foi aprovado para venda nos Estados Unidos em novembro de 2011.
  • Uma nova cepa foi modificada para produzir mel

Segurança

Em outros animais

B. subtilis foi revisado pelo US FDA Center for Veterinary Medicine e não apresentou preocupações de segurança quando usado em produtos microbianos de alimentação direta, então a Association of American Feed Control Officials listou-o aprovado para uso como ingrediente de ração animal na Seção 36.14 "Microrganismos de alimentação direta". A Seção de Ração para Produção e Saúde Animal da Agência Canadense de Inspeção de Alimentos classificou ingredientes de ração aprovados para cultura de Bacillus desidratados como um aditivo de silagem de acordo com o Anexo IV-Parte 2-Classe 8.6 e atribuiu o número de Ingrediente de Ração Internacional IFN 8-19-119. Por outro lado, vários aditivos para rações contendo esporos viáveis ​​de B. subtilis foram avaliados positivamente pela Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos , quanto ao seu uso seguro para ganho de peso na produção animal.

Em humanos

Os esporos de B. subtilis podem sobreviver ao calor extremo durante o cozimento. Algumas cepas de B. subtilis são responsáveis ​​por causar viscosidade ou deterioração da corda - uma consistência pegajosa e fibrosa causada pela produção bacteriana de polissacarídeos de cadeia longa  - em massa de pão estragada e produtos de panificação. Por muito tempo, a viscosidade do pão foi associada exclusivamente às espécies de B. subtilis por meio de testes bioquímicos. Ensaios moleculares (ensaio de PCR de DNA polimórfico amplificado aleatoriamente, análise de eletroforese em gel de gradiente desnaturante e sequenciamento da região V3 do DNA ribossômico 16S) revelaram maior variedade de espécies de Bacillus em pães pegajosos, que parecem ter atividade de amilase positiva e alta resistência ao calor. B. subtilis CU1 (2 × 10 9 esporos por dia) foi avaliado em um estudo de 16 semanas (10 dias de administração de probiótico, seguido por 18 dias de período de eliminação por cada mês; mesmo procedimento repetido por um total de 4 meses) para saudável assuntos. B. subtilis CU1 foi considerado seguro e bem tolerado nos indivíduos, sem quaisquer efeitos colaterais.

B. subtilis e as substâncias derivadas dela foram avaliadas por diferentes órgãos competentes quanto ao seu uso seguro e benéfico na alimentação. Nos Estados Unidos, uma carta de opinião emitida no início dos anos 1960 pela Food and Drug Administration (FDA) reconheceu algumas substâncias derivadas de microrganismos como geralmente reconhecidas como seguras (GRAS), incluindo carboidrase e enzimas protease de B. subtilis . As opiniões baseavam-se no uso de cepas não patogênicas e não tóxicas dos respectivos organismos e no uso de boas práticas de fabricação atuais. O FDA declarou que as enzimas derivadas da cepa B. subtilis eram de uso comum em alimentos antes de 1º de janeiro de 1958, e que cepas não-toxigênicas e não patogênicas de B. subtilis estão amplamente disponíveis e têm sido usadas com segurança em uma variedade de aplicações alimentares. Isso inclui o consumo de soja fermentada japonesa, na forma de Natto , que é comumente consumida no Japão e contém até 10 8 células viáveis ​​por grama. Os grãos fermentados são reconhecidos por sua contribuição para uma flora intestinal saudável e ingestão de vitamina K 2 ; durante esta longa história de uso generalizado, natto não foi implicado em eventos adversos potencialmente atribuíveis à presença de B. subtilis . O produto natto e o B. subtilis natto como seu principal componente são FOSHU (Alimentos para Uso Específico para Saúde) aprovados pelo Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar do Japão como eficazes para a preservação da saúde.

B. subtilis recebeu o estatuto de "Presunção de Segurança Qualificada" pela Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos .

Identificação

Abaixo está uma tabela que ajuda a identificar B. subtilis por meio de certos testes de identificação.

Teste Resultado
Ácido de glicose +
Ácido de lactose -
Ácido de sacarose +
Ácido de manitol +
Catalase +
Citrato (Simmons) +
Endosporo +
Gás de Glicose -
Hidrólise de Gelatina +
Mancha de Gram +
Produção de sulfeto de hidrogênio -
Produção Indole -
Motilidade +
Redução de Nitrato +
Oxidase +
Fenilalanina desaminase -
Forma haste
Hidrólise de Ureia -
Voges-Proskauer +

Veja também

Referências

links externos