Bacteriocina

Las bacteriocinas son toxinas proteicas o peptídicas producidas por bacterias para inhibir el crecimiento de cepas bacterianas similares o estrechamente relacionadas. Son similares a los factores de eliminación de levaduras y paramecios, y son estructural, funcional y ecológicamente diversos. Se están probando aplicaciones de bacteriocinas para evaluar su aplicación como antibióticos de espectro reducido.

André Gratia descubrió por primera vez las bacteriocinas en 1925. Estuvo involucrado en el proceso de búsqueda de formas de matar bacterias, lo que también resultó en el desarrollo de antibióticos y el descubrimiento de bacteriófagos, todo en un lapso de pocos años. Llamó a su primer descubrimiento una colicina porque mató a E. coli.

Clasificación

Las bacteriocinas se clasifican de varias maneras, incluida la producción de tensión, los mecanismos de resistencia comunes y el mecanismo de muerte. Hay varias categorías grandes de bacteriocinas que solo están relacionadas fenomenológicamente. Estos incluyen las bacteriocinas de bacterias grampositivas, las colicinas, las microcinas y las bacteriocinas de Archaea. Las bacteriocinas de E. coli se llaman colicinas (anteriormente llamadas 'colicinas', que significa 'asesinos de coli'). Son las bacteriocinas más estudiadas. Son un grupo diverso de bacteriocinas y no incluyen todas las bacteriocinas producidas por E. coli. De hecho, una de las denominadas colicinas más antiguas conocidas se llamaba colicina V y ahora se conoce como microcina V. Es mucho más pequeño y se produce y secreta de manera diferente a las colicinas clásicas.

Este sistema de nombres es problemático por varias razones. En primer lugar, nombrar las bacteriocinas por lo que supuestamente matan sería más preciso si su espectro de destrucción fuera contiguo a las designaciones de género o especie. Las bacteriocinas frecuentemente poseen espectros que exceden los límites de sus taxones nombrados y casi nunca matan a la mayoría de los taxones por los que reciben su nombre. Además, el nombre original generalmente no se deriva de la cepa sensible que mata la bacteriocina, sino del organismo que produce la bacteriocina. Esto hace que el uso de este sistema de nombres sea una base problemática para la teoría; de ahí los sistemas de clasificación alternativos.

Las bacteriocinas que contienen el aminoácido modificado lantionina como parte de su estructura se denominan lantibióticos. Sin embargo, los esfuerzos para reorganizar la nomenclatura de la familia de productos naturales de péptidos modificados postraduccionalmente (RiPP) y sintetizados ribosomalmente han llevado a la diferenciación de lantipéptidos de bacteriocinas basándose en genes biosintéticos.

Métodos de clasificación

Los métodos alternativos de clasificación incluyen: método de eliminación (formación de poros, actividad de nucleasa, inhibición de la producción de peptidoglicanos, etc.), genética (plásmidos grandes, plásmidos pequeños, cromosómicos), peso molecular y química (proteínas grandes, péptidos, con /sin resto de azúcar, que contiene aminoácidos atípicos como lantionina), y método de producción (modificaciones ribosómicas, post-ribosómicas, no ribosómicas).

De bacterias Gram negativas

Las bacteriocinas gram negativas generalmente se clasifican por tamaño. Las microcinas tienen un tamaño inferior a 20 kDa, las bacteriocinas similares a la colicina tienen un tamaño de 20 a 90 kDa y las tailocinas o las denominadas bacteriocinas de alto peso molecular, que son bacteriocinas de múltiples subunidades que se asemejan a las colas de los bacteriófagos. Esta clasificación de tamaño también coincide con similitudes genéticas, estructurales y funcionales.

Microcinas

Ver artículo principal sobre microcinas.

Bacterocinas tipo colicina

Las colicinas son bacteriocinas que se encuentran en las bacterias gramnegativas E. coli. Bacteriocinas similares (CLB, bacteriocinas similares a colicina) ocurren en otras bacterias Gram-negativas. Los CLB generalmente se dirigen a las mismas especies y tienen nombres específicos de especies: klebicins de Klebsiella y pesticidas de Yersia pestis. El género Pseudomonas produce bacteriocinas llamadas piocinas. Las piocinas de tipo S pertenecen a los CLB, pero las piocinas de tipo R y F pertenecen a las tailocinas.

Los CLB son distintos de las bacteriocinas Gram-positivas. Son proteínas modulares entre 20 y 90 kDa de tamaño. A menudo consisten en un dominio de unión al receptor, un dominio de translocación y un dominio citotóxico. Las combinaciones de estos dominios entre diferentes CLB ocurren con frecuencia en la naturaleza y pueden crearse en el laboratorio. Debido a estas combinaciones, la subclasificación adicional puede basarse en el mecanismo de importación (grupo A y B) o en el mecanismo citotóxico (nucleasas, formación de poros, tipo M, tipo L).

Tailocinas

Las más estudiadas son las tailocinas de Pseudomonas aeruginosa. Se pueden subdividir en piocinas tipo R y tipo F. Se realizaron algunas investigaciones para identificar las piocinas y mostrar cómo están involucradas en la competencia "célula a célula" de las bacterias Pseudomonas estrechamente relacionadas.

Los dos tipos de tailocins se diferencian por su estructura; ambos están compuestos por una vaina y un tubo hueco que forma una larga estructura hexámera helicoidal unida a una placa base. Hay múltiples fibras de cola que permiten que la partícula viral se una a la célula objetivo. Sin embargo, las piocinas R son una estructura similar a una cola contráctil, rígida y grande, mientras que las piocinas F son una estructura similar a una cola pequeña, flexible y no contráctil.

Las tailocinas están codificadas por secuencias de profago en el genoma bacteriano, y la producción ocurrirá cuando se detecte una bacteria afín en el entorno de la bacteria competitiva. Las partículas se sintetizan en el centro de las células y después de la maduración migrarán al polo celular a través de la estructura de tubulina. A continuación, las tailocinas serán expulsadas en el medio con la lisis celular. Pueden proyectarse hasta varias decenas de micrómetros gracias a una altísima presión de turgencia de la celda. Las tailocinas liberadas luego reconocerán y se unirán a las bacterias parientes para matarlas.

De bacterias Gram positivas

Las bacteriocinas de bacterias Gram positivas se clasifican típicamente en Clase I, Clase IIa/b/c y Clase III.

Bacterocinas de clase I

Las bacteriocinas de clase I son inhibidores de péptidos pequeños e incluyen nisina y otros lantibióticos.

Bacterocinas de clase II

Las bacteriocinas de clase II son proteínas pequeñas (<10 kDa) termoestables. Esta clase se subdivide en cinco subclases. Las bacteriocinas de clase IIa (bacterocinas similares a la pediocina) son el subgrupo más grande y contienen una secuencia consenso N-terminal -Tyr-Gly-Asn-Gly-Val-Xaa-Cys en este grupo. El C-terminal es responsable de la actividad específica de la especie, lo que provoca la fuga celular al permeabilizar la pared celular diana.

Las bacteriocinas Clase IIa tienen un gran potencial de uso en la conservación de alimentos, así como aplicaciones médicas debido a su fuerte anti-Listeria actividad y amplia gama de actividades. Un ejemplo de la bacteriocina Clase IIa es pediocina PA-1.

Las bacteriocinas de clase IIb (bacteriocinas de dos péptidos) requieren dos péptidos diferentes para la actividad. Uno de esos ejemplos es lactococcin G, que permeabiliza las membranas celulares para caciones monovalentas de sodio y potasio, pero no para caciones divalentas. Casi todas estas bacteriocinas tienen motivos GxxxG. Este motivo también se encuentra en proteínas transmembranas, donde están implicadas en interacciones helix-helix. En consecuencia, los motivos bacteriocina GxxG pueden interactuar con los motivos en las membranas de las células bacterianas, matando las células.

Clase IIc abarca péptidos cíclicos, en los que las regiones N-terminal y C-terminal están covalentemente ligadas. Enterocina AS-48 es el prototipo de este grupo.

Clase IId cubre bacteriocinas monopéptidas, que no son modificadas post-translacionalmente y no muestran la firma de pediocina. El mejor ejemplo de este grupo es el altamente estable aureocina A53. Esta bacteriocina es estable bajo condiciones altamente ácidos, altas temperaturas y no se ve afectada por las proteas.

La subclase propuesta más recientemente es la Clase IIe, que abarca aquellas bacteriocinas compuestas por tres o cuatro péptidos no similares a la pediocina. El mejor ejemplo es la aureocina A70, una bacteriocina de cuatro péptidos, altamente activa frente a Listeria monocytogenes, con potenciales aplicaciones biotecnológicas.

Bacterocinas de clase III

Las bacteriocinas de clase III son bacteriocinas proteicas grandes, termolábiles (>10 kDa). Esta clase se subdivide en dos subclases: subclase IIIa (bacteriolisinas) y subclase IIIb. La subclase IIIa comprende aquellos péptidos que destruyen las células bacterianas mediante la degradación de la pared celular, provocando así la lisis celular. La bacteriolisina mejor estudiada es la lisostafina, un péptido de 27 kDa que hidroliza las paredes celulares de varias especies de Staphylococcus, principalmente S. áureo. La subclase IIIb, por el contrario, comprende aquellos péptidos que no causan lisis celular, matando las células diana al alterar el potencial de la membrana plasmática.

Bacterocinas de clase IV

Las bacteriocinas de clase IV se definen como bacteriocinas complejas que contienen fracciones de lípidos o carbohidratos. La confirmación por datos experimentales se estableció con la caracterización de sublancina y glicocina F (GccF) por dos grupos independientes.

Bases de datos

Hay dos bases de datos de bacteriocinas disponibles: BAGEL y BACTIBASE.

Usos

A partir de 2016, la nisina era la única bacteriocina generalmente reconocida como segura por la FDA y se usaba como conservante de alimentos en varios países. En general, las bacteriocinas no son útiles como conservantes de alimentos porque son costosas de fabricar, se descomponen en los productos alimenticios, dañan algunas proteínas de los alimentos y se dirigen a una gama demasiado estrecha de microbios.

Además, las bacteriocinas activas frente a E. coli, Salmonella y Pseudomonas aeruginosa se han producido en plantas con el fin de que se utilicen como aditivos alimentarios. La FDA ha considerado generalmente que el uso de bacteriocinas en los alimentos es seguro.

Además, se ha demostrado recientemente que las bacteriocinas activas contra las bacterias patógenas de las plantas se pueden expresar en las plantas para proporcionar una resistencia robusta contra las enfermedades de las plantas.

Relevancia para la salud humana

Las bacteriocinas son producidas por lactobacilos no patógenos en la vagina y ayudan a mantener la estabilidad del microbioma vaginal.

Investigación

Las bacteriocinas se han propuesto como reemplazo de los antibióticos a los que las bacterias patógenas se han vuelto resistentes. Potencialmente, las bacteriocinas podrían ser producidas por bacterias introducidas intencionalmente en el paciente para combatir la infección. Hay varias estrategias mediante las cuales se pueden descubrir nuevas bacteriocinas. En el pasado, las bacteriocinas tenían que ser identificadas mediante cultivos intensivos. cribado de actividad antimicrobiana frente a objetivos adecuados y posteriormente purificado utilizando métodos exigentes antes de la prueba. Sin embargo, desde el advenimiento de la era genómica, la disponibilidad de las secuencias del genoma bacteriano ha revolucionado el enfoque para identificar bacteriocinas. Los métodos basados en in silico desarrollados recientemente se pueden aplicar para examinar rápidamente miles de genomas bacterianos con el fin de identificar nuevos péptidos antimicrobianos.

A partir de 2014, se han estudiado algunas bacteriocinas en estudios in vitro para ver si pueden detener la replicación de los virus, a saber, la estafilococina 188 contra el virus de la enfermedad de Newcastle, el virus de la influenza y el virus HSA del colifago; cada uno de enterocina AAR-71 clase IIa, enterocina AAR-74 clase IIa y erwiniocina NA4 contra el virus del colifago HSA; cada uno de enterocina ST5Ha, enterocina NKR-5-3C y subtilosina contra HSV-1; cada uno de enterocina ST4V y enterocina CRL35 clase IIa contra HSV-1 y HSV-2; laberintopeptina A1 contra HIV-1 y HSV-1; y bacteriocina de Lactobacillus delbrueckii frente al virus de la gripe.

A partir de 2009, algunas bacteriocinas, citolisina, piocina S2, colicinas A y E1, y la microcina MccE492 se probaron en líneas de células cancerosas y en un modelo de cáncer en ratones.

Por nombre