Bacillus subtilis

Bacillus subtilis(), conocido también como bacilo del heno o bacilo de la hierba, es un gram- Bacteria positiva, catalasa positiva, que se encuentra en el suelo y el tracto gastrointestinal de rumiantes, humanos y esponjas marinas. Como miembro del género Bacillus, B. subtilis tiene forma de bastón y puede formar una endospora protectora resistente, lo que le permite tolerar condiciones ambientales extremas. B. subtilis históricamente se ha clasificado como aerobio obligado, aunque existe evidencia de que es un anaerobio facultativo. B. subtilis se considera la bacteria Gram-positiva mejor estudiada y un organismo modelo para estudiar la replicación cromosómica bacteriana y la diferenciación celular. Es una de las bacterias campeonas en la producción de enzimas secretadas y utilizada a escala industrial por empresas de biotecnología.

Descripción

Bacillus subtilis es una bacteria Gram-positiva, con forma de bastón y catalasa positiva. Originalmente fue llamado Vibrio subtilis por Christian Gottfried Ehrenberg, y rebautizado como Bacillus subtilis por Ferdinand Cohn en 1872 (siendo subtilis la palabra latina para "fino, delgado, delgado") 34;). B. subtilis suelen tener forma de bastón y miden entre 4 y 10 micrómetros (μm) de largo y entre 0,25 y 1,0 μm de diámetro, con un volumen celular de aproximadamente 4,6 fl en fase estacionaria.

Al igual que otros miembros del género Bacillus, puede formar una endospora para sobrevivir en condiciones ambientales extremas de temperatura y desecación. B. subtilis es un anaerobio facultativo y se había considerado aerobio obligado hasta 1998. B. subtilis está fuertemente flagelado, lo que le da la capacidad de moverse rápidamente en líquidos.

B. subtilis ha demostrado ser muy susceptible a la manipulación genética y ha sido ampliamente adoptado como organismo modelo para estudios de laboratorio, especialmente de esporulación, que es un ejemplo simplificado de diferenciación celular. En términos de popularidad como organismo modelo de laboratorio, B. subtilis se considera a menudo como el equivalente grampositivo de Escherichia coli, una bacteria gramnegativa ampliamente estudiada.

Características

Las características de colonia, morfológica, fisiológica y bioquímica de bacillus subtilis se muestran en la tabla a continuación.

Nota: + = Positivo, – =Negativo

Hábitat

Esta especie se encuentra comúnmente en las capas superiores del suelo y B. subtilis se cree que es un comensal intestinal normal en humanos. Un estudio de 2009 comparó la densidad de las esporas encontradas en el suelo (alrededor de 10⁶ esporas por gramo) con la que se encuentra en las heces humanas (alrededor de 10⁴ esporas por gramo). La cantidad de esporas encontradas en el intestino humano era demasiado alta para atribuirla únicamente al consumo mediante contaminación de alimentos. En algunos hábitats de abejas, B. subtilis aparece en la flora intestinal de las abejas melíferas. B. subtilis también se puede encontrar en ambientes marinos.

Hay evidencia de que b. Subtilis es de naturaleza saprófica. Los estudios han demostrado que la bacteria exhibe un crecimiento vegetativo en el suelo rico en materia orgánica, y que las esporas se formaron cuando se agotaron los nutrientes. Además, b. Se ha demostrado que Subtilis forma biopelículas en las raíces de las plantas, lo que podría explicar por qué se encuentra comúnmente en los microbiomas intestinales. Quizás animales que comen plantas con b. Las biopelículas de Subtilis pueden fomentar el crecimiento de la bacteria en su tracto gastrointestinal. Se ha demostrado que todo el ciclo de vida de b. Subtilis se puede completar en el tracto gastrointestinal, lo que proporciona crédito a la idea de que la bacteria ingresa al intestino a través del consumo de la planta y permanece presente como resultado de su capacidad para crecer en el intestino.

reproducción

Sporulating B. subtilis.

Otra mancha de endospore B. subtilis.

Bacillus subtilis puede dividirse simétricamente para formar dos células hijas (fisión binaria), o asimétricamente, produciendo una única endospora que puede permanecer viable durante décadas y es resistente a condiciones ambientales desfavorables como la sequía y la salinidad. , pH extremo, radiación y disolventes. La endospora se forma en momentos de estrés nutricional y mediante el uso de hidrólisis, lo que permite que el organismo persista en el medio ambiente hasta que las condiciones se vuelvan favorables. Antes del proceso de esporulación, las células pueden volverse móviles produciendo flagelos, absorbiendo ADN del medio ambiente o produciendo antibióticos. Estas respuestas se consideran intentos de buscar nutrientes buscando un entorno más favorable, permitiendo a la célula utilizar nuevo material genético beneficioso o simplemente eliminando la competencia.

En condiciones estresantes, como la privación de nutrientes, B. subtilis sufre el proceso de esporulación. Este proceso ha sido muy bien estudiado y ha servido como organismo modelo para estudiar la esporulación.

Esporulación

una vez b. Subtilis se compromete a la esporulación, se secreta el factor sigma Sigma F. Este factor promueve la esporulación. Se forma un tabique de esporulación y un cromosoma se mueve lentamente a la separación. Cuando un tercio de una copia cromosómica está en la separación y los dos tercios restantes están en la célula madre, el fragmento cromosómico en el forpore contiene el locus para Sigma F, que comienza a expresarse en la separación. Para evitar la expresión de Sigma F en la célula madre, se expresa un factor anti-sigma, que está codificado por SPOIIAB. Cualquier factor anti-sigma residual en la separación (que de otro modo interferiría con la esporulación) es inhibido por un factor anti-igrigma, que está codificado por Spoiiaa. Spoiiaa se encuentra cerca del locus para el factor Sigma, por lo que se expresa constantemente en la separación. Dado que el locus SPOIIAB no se encuentra cerca de los loci Sigma F y Spoiiaa, se expresa solo en la célula madre y, por lo tanto, reprime la esporulación en esa célula, lo que permite que la esporulación continúe en la orilla. Spoiiaa residual en la célula madre reprime Spoiiab, pero Spoiiab se reemplaza constantemente para que continúe inhibiendo la esporulación. Cuando el cromosoma completo se localiza en el Forespore, Spoiiab puede reprimir Sigma F. Por lo tanto, la asimetría genética del B. Subtilis cromosoma y expresión de Sigma F, Spoiiab y Spoiiaa dictan la formación de esporas en b. Subtilis.

Replicación cromosómica

Bacillus subtilis es un organismo modelo utilizado para estudiar la replicación de cromosomas bacterianos. La replicación del cromosoma circular único se inicia en un solo locus, el origen (oriC). La replicación procede bidireccionalmente y dos horquillas de replicación avanzan en sentido horario y antihorario a lo largo del cromosoma. La replicación cromosómica se completa cuando las bifurcaciones llegan a la región terminal, que se ubica opuesta al origen en el mapa cromosómico. La región terminal contiene varias secuencias cortas de ADN (sitios Ter) que promueven la detención de la replicación. Proteínas específicas median en todos los pasos de la replicación del ADN. Comparación entre las proteínas implicadas en la replicación del ADN cromosómico en B. subtilis y en Escherichia coli revela similitudes y diferencias. Aunque los componentes básicos que promueven el inicio, el alargamiento y la terminación de la replicación están bien conservados, se pueden encontrar algunas diferencias importantes (como que a una bacteria le faltan proteínas esenciales en la otra). Estas diferencias subrayan la diversidad en los mecanismos y estrategias que han adoptado diversas especies bacterianas para llevar a cabo la duplicación de sus genomas.

Genome

Bacillus subtilis tiene alrededor de 4,100 genes. De estos, solo 192 se demostró que eran indispensables; Se predijo que otros 79 serían esenciales. Una gran mayoría de los genes esenciales se clasificaron en relativamente pocos dominios del metabolismo celular, con aproximadamente la mitad involucrados en el procesamiento de la información, un quinto involucrado en la síntesis de la envoltura celular y la determinación de la forma y la división celular, y una décima parte relacionada con la célula. energéticos.

La secuencia del genoma completo de b. Subtilis Substrain QB928 tiene 4,146,839 pares de bases de ADN y 4,292 genes. La cepa QB928 se usa ampliamente en estudios genéticos debido a la presencia de varios marcadores [AROI (AROK) 906 Pure1 Dal (ALRA) 1 TRPC2].

Se han caracterizado varios ARN no codificantes en el B. Genoma Subtilis en 2009, incluidos los ARN BSR. Los análisis genómicos comparativos basados en microarrays han revelado que b. Los miembros de Subtilis muestran una considerable diversidad genómica.

fsra es un pequeño ARN que se encuentra en Bacillus subtilis . Es un efector de la respuesta de ahorro de hierro, y actúa para regular negativamente las proteínas que contienen hierro en tiempos de pobre biodisponibilidad de hierro.

Un pez prometedor probiótico, bacillus subtilis cepa ws1a, que posee actividad antimicrobiana contra aeroomonas veronii y suprimió aeromonas septicemia en Labeo Rohita . El ensamblaje de novo dio como resultado un tamaño de cromosoma estimado de 4,148,460 pb, con 4,288 marcos de lectura abiertos. b. Subtilis El genoma WS1A de la cepa contiene muchos genes potenciales, como los que codifican proteínas involucradas en la biosíntesis de riboflavina, vitamina B6 y aminoácidos ( ILVD ) y en la utilización de carbono ( pTA> pta ).

transformación

La transformación bacteriana natural implica la transferencia de ADN de una bacteria a otra a través del medio circundante. En b. Subtilis La longitud del ADN transferido es mayor de 1,271 kb (más de 1 millón de bases). El ADN transferido es probablemente ADN de doble cadena y a menudo es más de un tercio de la longitud del cromosoma total de 4,215 kb. Parece que alrededor del 7-9% de las células receptores ocupan un cromosoma completo.

Para que se una una bacteria receptor, tome el ADN exógeno de otra bacteria de la misma especie y la recombine en su cromosoma, debe ingresar a un estado fisiológico especial llamado competencia. Competencia en b. Subtilis se induce hacia el final del crecimiento logarítmico, especialmente en condiciones de limitación de aminoácidos. En estas condiciones estresantes de semiestarvación, las células generalmente tienen solo una copia de su cromosoma y probablemente tengan un mayor daño en el ADN. Probar si la transformación es una función adaptativa para b. Subtilis Para reparar su daño en el ADN, los experimentos se realizaron utilizando luz UV como agente dañino. Estos experimentos llevaron a la conclusión de que la competencia, con la absorción de ADN, es inducida específicamente por condiciones de daños por el ADN, y que la transformación funciona como un proceso para la reparación recombinacional del daño del ADN.

Si bien el estado competente natural es común dentro del laboratorio b. Subtilis y aislamientos de campo, algunas cepas industrialmente relevantes, p. b. Subtilis (natto) son reacios a la absorción de ADN debido a la presencia de sistemas de modificación de restricción que degradan el ADN exógeno. b. Los mutantes subtilis (natto), que son defectuosos en una endonucleasa del sistema de modificación de restricción tipo I, pueden actuar como receptores de plásmidos conjugativos en experimentos de apareamiento, allanando el camino para una ingeniería genética adicional de este B particular. Subtilis cepa.

Al adoptar la química verde en el uso de materiales menos peligrosos, mientras ahorrando costos, los investigadores han estado imitando los métodos de la naturaleza para sintetizar productos químicos que pueden ser útiles para la industria alimentaria y farmacéutica, por " moléculas de piggybacking en pantalones cortos de ADN " Antes de que se junten durante su emparejamiento de bases complementarias entre los dos hilos. Cada hilo llevará una molécula particular de interés que se someterá a una reacción química específica simultáneamente cuando los dos hilos correspondientes de pares de ADN se mantengan unidos como una cremallera, lo que permite que otra molécula de interés, reaccione entre sí en reacción controlada y aislada entre esas moléculas. siendo llevado a estos accesorios complementarios de ADN. Al usar este método con ciertas bacterias que siguen naturalmente una replicación de proceso de manera múltiple, los investigadores pueden llevar a cabo simultáneamente las interacciones de estas moléculas agregadas para interactuar con enzimas y otras moléculas utilizadas para una reacción secundaria al tratarlo como una cápsula , que es similar a cómo la bacteria realiza sus propios procesos de replicación de ADN.

usa

siglo XX

Culturas de b. Subtilis eran populares en todo el mundo, antes de la introducción de antibióticos, como agente inmunoestimulador para ayudar al tratamiento de enfermedades gastrointestinales y urinarias del tracto. Se usó a lo largo de la década de 1950 como un medicamento alternativo, que tras la digestión se ha encontrado que estimula significativamente la actividad inmune de amplio espectro, incluida la activación de la secreción de anticuerpos específicos IgM, IgG e IgA y la liberación de dinucleótidos CPG inductores de interferón IFN-α/IFNγ produciendo Actividad de leucocitos y citocinas importantes en el desarrollo de citotoxicidad hacia las células tumorales. Fue comercializado en toda América y Europa desde 1946 como una ayuda inmunoestimuladora en el tratamiento de enfermedades intestinales y del tracto urinario como el rotavirus y la shigelosis. En 1966, el ejército de los EE. UU. Arrojó Bacillus subtilis sobre las rejillas de las estaciones de metro de la ciudad de Nueva York durante cinco días para observar las reacciones de las personas cuando se cubre por un polvo extraño. Debido a su capacidad de sobrevivir, se cree que todavía está presente allí.

La bacitracina antibiótica se aisló primero de una variedad de bacillus licheniformis llamado " Tracy I " en 1945, luego considerado parte del b. Subtilis especies. Todavía se fabrica comercialmente cultivando la variedad en un recipiente de medio de crecimiento líquido. Con el tiempo, la bacteria sintetiza la bacitracina y secreta el antibiótico en el medio. La bacitracina se extrae del medio usando procesos químicos.

Desde la década de 1960 b. Subtilis ha tenido un historial como especie de prueba en la experimentación de vuelos espaciales. Sus endosporas pueden sobrevivir hasta 6 años en el espacio si están recubiertas por partículas de polvo que lo protegen de los rayos UV solar. Se ha utilizado como un indicador de supervivencia extremófil en el espacio exterior, como el ensamblaje de radiación exobiología, el exostack y expone misiones orbitales.

aislamientos naturales de tipo salvaje de b. Subtilis son difíciles de trabajar en comparación con las cepas de laboratorio que han sufrido procesos de domesticación de mutagénesis y selección. Estas cepas a menudo tienen capacidades mejoradas de transformación (absorción e integración del ADN ambiental), el crecimiento y la pérdida de habilidades necesarias " en el salvaje ". Y, mientras que existen docenas de diferentes cepas que se ajustan a esta descripción, la tensión designada ' 168 ' es el más utilizado. La cepa 168 es un auxtroph de triptófano aislado después de la mutagénesis de rayos X de B. Subtilis Marburg cepa y se usa ampliamente en la investigación debido a su alta eficiencia de transformación.

Bacillus globigii, una especie estrechamente relacionada pero filogenéticamente distinta ahora conocida como Bacillus atrophaeus, se utilizó como simulador de guerra biológica durante el Proyecto SHAD (también conocido como Proyecto 112 yo>). El análisis genómico posterior mostró que las cepas utilizadas en esos estudios eran productos de un enriquecimiento deliberado de cepas que mostraban tasas de esporulación anormalmente altas.

Una cepa de B. subtilis anteriormente conocido como Bacillus natto se utiliza en la producción comercial de la comida japonesa nattō, así como de la comida coreana similar cheonggukjang >.

Siglo XXI

• Como organismo modelo, B. subtilis se utiliza comúnmente en estudios de laboratorio dirigidos a descubrir las propiedades y características fundamentales de las bacterias de formación de esporas grampositivas. En particular, los principios y mecanismos básicos que sustentan la formación del endospore duradero se han deducido de estudios de formación de esporas en B. subtilis.
• Sus propiedades de unión superficial desempeñan un papel en la eliminación segura de desechos de radionúclidos [por ejemplo, torio (IV) y plutonio (IV).
• Debido a sus excelentes propiedades de fermentación, con altos rendimientos de productos (20 a 25 gramos por litro) se utiliza para producir varias enzimas, como la amilasa y las proteasasas.
• B. subtilis se utiliza como inoculante de suelo en la horticultura y la agricultura.
• Puede proporcionar algún beneficio para los cultivadores de azafrán al acelerar el crecimiento del cormo y aumentar el rendimiento de la biomasa de estigma.
• Se utiliza como "organismo indicador" durante los procedimientos de esterilización de gas, para asegurar que un ciclo de esterilización se haya completado con éxito. Específicamente B. subtilis se utilizan endospores para verificar que un ciclo ha alcanzado condiciones de destrucción de esporas.
• B. subtilis ha sido encontrado para actuar como un fungicida bioproducto útil que previene el crecimiento de Monilinia vaccinii-corymbosi, a.k.a. el hongo de baya momia, sin interferir con la polinización o cualidades de fruta.
• Tanto metabólicamente activa como no metabólicamente activa B. subtilis se ha demostrado que las células reducen el oro (III) al oro (I) y el oro (0) cuando el oxígeno está presente. Esta reducción biótica desempeña un papel en el ciclismo de oro en sistemas geológicos y podría utilizarse potencialmente para recuperar oro sólido de dichos sistemas.

Subcepas novedosas y artificiales

• Tensiones novedosas de B. subtilis que podría utilizar 4-fluorotryptophan (4FTrp) pero no triptófano canónico (Trp) para la propagación fueron aislados. Como Trp solo está codificado por un solo codón, hay evidencia de que Trp puede ser desplazado por 4FTrp en el código genético. Los experimentos mostraron que el código genético canónico puede ser mutable.
• Las cepas recombinantes pBE2C1 y pBE2C1AB se utilizaron en la producción de polihidroxialkanoates (PHA), y los desechos de malta pueden utilizarse como su fuente de carbono para la producción de PHA de bajo costo.
• Se utiliza para producir ácido hialurónico, que se utiliza en el sector de atención conjunta en salud y cosmética.
• Monsanto ha aislado un gen de B. subtilis que expresa la proteína de choque frío B y la roció en su híbrido de maíz tolerante a la sequía MON 87460, que fue aprobado para la venta en EE.UU. en noviembre de 2011.
• Se ha modificado una nueva cepa para convertir el néctar en miel mediante enzimas secretas.

Seguridad

En otros animales

Bacillus subtilis fue revisado por el Centro de Medicina Veterinaria de la FDA de EE. UU. y se encontró que no presenta problemas de seguridad cuando se usa en productos microbianos de alimentación directa, por lo que la Asociación Estadounidense de Oficiales de Control de Alimentos lo ha incluido como aprobado. para su uso como ingrediente de piensos según la Sección 36.14 "Microorganismos de alimentación directa". La Sección de Alimentación y Sanidad Animal de la Agencia Canadiense de Inspección de Alimentos ha clasificado los ingredientes de piensos deshidratados aprobados por cultivo de Bacillus como aditivo de ensilaje según el Anexo IV-Parte 2-Clase 8.6 y le ha asignado el número internacional de ingrediente de piensos IFN 8-19. -119. Por otro lado, varios aditivos alimentarios que contienen esporas viables de B. subtilis han sido evaluados positivamente por la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria, respecto a su uso seguro para el aumento de peso en la producción animal.

En humanos

de Bacillus subtilis pueden sobrevivir al calor extremo generado durante la cocción. Algunos B. subtilis son responsables de causar consistencia viscosa o deterioro de la cuerda (una consistencia pegajosa y fibrosa causada por la producción bacteriana de polisacáridos de cadena larga) en masa de pan y productos horneados en mal estado. Durante mucho tiempo, la consistencia del pan se asoció únicamente con B. subtilis especies mediante pruebas bioquímicas. Los ensayos moleculares (ensayo de PCR de ADN polimórfico amplificado aleatoriamente, análisis de electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante y secuenciación de la región V3 del ADN ribosómico 16S) revelaron una mayor variedad de especies de Bacillus en los panes fibrosos, todas las cuales parecen tener un efecto positivo. Actividad de amilasa y alta resistencia al calor.

B. subtilis CU1 (2 × 10⁹ esporas por día) se evaluó en un estudio de 16 semanas (10 días de administración de probiótico, seguido de un período de lavado de 18 días por cada mes; repetición mismo procedimiento durante un total de 4 meses) a sujetos sanos. B. subtilis CU1 resultó ser seguro y bien tolerado en los sujetos sin ningún efecto secundario.

Bacillus subtilis y las sustancias derivadas de él han sido evaluadas por diferentes organismos autorizados para determinar su uso seguro y beneficioso en los alimentos. En los Estados Unidos, una carta de opinión publicada a principios de la década de 1960 por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) designó algunas sustancias derivadas de microorganismos como generalmente reconocidas como seguras (GRAS), incluidas las enzimas carbohidrasa y proteasa de B. subtilis. Las opiniones se basaron en el uso de cepas no patógenas y no toxicogénicas de los respectivos organismos y en el uso de buenas prácticas de fabricación actuales. La FDA declaró que las enzimas derivadas de B. subtilis eran de uso común en los alimentos antes del 1 de enero de 1958, y que las cepas no toxigénicas y no patógenas de B. subtilis están ampliamente disponibles y se han utilizado de forma segura en una variedad de aplicaciones alimentarias. Esto incluye el consumo de soja japonesa fermentada, en forma de Natto, que se consume comúnmente en Japón y contiene hasta 10⁸ células viables por gramo. Los frijoles fermentados son reconocidos por su contribución a una flora intestinal saludable y a la ingesta de vitamina K2; Durante esta larga historia de uso generalizado, natto no ha sido implicado en eventos adversos potencialmente atribuibles a la presencia de B. subtilis. El producto natto y el B. subtilis</inatto como componente principal son FOSHU (Alimentos para uso sanitario específico) aprobados por el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar japonés como eficaces para la preservación de la salud.

A Bacillus subtilis se le ha concedido la "presunción cualificada de seguridad" estatus por la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria.