Bacillus subtilis -Bacillus subtilis

Bacillus subtilis
Bacillus subtilis.jpg
Micrografía TEM de una celda de B. subtilis en sección transversal (barra de escala = 200 nm )
clasificación cientifica editar
Dominio: Bacterias
Filo: Firmicutes
Clase: Bacilos
Pedido: Bacillales
Familia: Bacillaceae
Género: Bacilo
Especies:
B. subtilis
Nombre binomial
Bacillus subtilis
( Ehrenberg 1835)
Cohn 1872
Sinónimos
  • Vibrio subtilis Ehrenberg 1835
  • Hasta 2008 se pensaba que Bacillus globigii era B. subtilis, pero desde entonces se reconoce formalmente como Bacillus atrophaeus .

Bacillus subtilis , conocido también como el bacilo del heno o bacilo de hierba , es un Gram-positivos , catalasa -positivo bacteria , que se encuentra en el suelo y el tracto gastrointestinal de los rumiantes y los seres humanos. Como miembro del género Bacillus , B. subtilis tiene forma de varilla y puede formar una endospora protectora resistente, lo que le permite tolerar condiciones ambientales extremas. B. subtilis se ha clasificado históricamente como un 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 uno de los campeones bacterianos en la producción de enzimas secretadasy es utilizado a escala industrial por empresas de biotecnología.

Descripción

Bacillus subtilis es una bacteria Gram-positiva , con forma de bastoncillo y catalasa -positiva . Originalmente fue nombrado Vibrio subtilis por Christian Gottfried Ehrenberg , y fue rebautizado como Bacillus subtilis por Ferdinand Cohn en 1872 (subtilis es el latín para "fino"). Las células de B. subtilis suelen tener forma de bastoncillo y miden alrededor de 4 a 10 micrómetros (μm) de largo y 0,25 a 1,0 μm de diámetro, con un volumen celular de alrededor de 4,6 fl en la fase estacionaria. Como ocurre con otros miembros del género Bacillus , puede formar una endospora para sobrevivir a condiciones ambientales extremas de temperatura y desecación. B. subtilis es un anaerobio facultativo y se había considerado aerobio obligado hasta 1998. B. subtilis está muy flagelado , lo que le da la capacidad de moverse rápidamente en líquidos. B. subtilis ha demostrado ser muy susceptible a la manipulación genética y se ha adoptado ampliamente 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 Gram-positivo de Escherichia coli , una bacteria Gram-negativa ampliamente estudiada .

Características de Bacillus subtilis

Las características coloniales, morfológicas, fisiológicas y bioquímicas de Bacillus subtilis se muestran en la Tabla siguiente.

Tipo de prueba Prueba Caracteristicas
Personajes de colonia Tamaño Medio
Escribe Ronda
Color Blancuzco
Forma Convexo
Caracteres morfológicos Forma varilla
Caracteres fisiológicos Motilidad -
Crecimiento al 6,5% de NaCl +
Caracteres bioquímicos Tinción de Gram +
Oxidasa -
Catalasa +
Oxidativo-Fermentativo Fermentativo
Motilidad -
Rojo de metilo +
Voges-Proskauer -
Indol -
Producción de H 2 S +
Ureasa -
Nitrato reductasa +
β-galactosidasa +
Hidrólisis de Gelatina +
Esculina +
Caseína +
Tween 40 +
Tween 60 +
Tween 80 +
Producción de ácido a partir de Glicerol +
Galactosa +
D-glucosa +
D-fructosa +
D-manosa +
Manitol +
N-acetilglucosamina +
Amigdalina +
Maltosa +
D-Melibiosa +
D-trehalosa +
Glucógeno +
D-turanosa +

Nota: + = Positivo, - = Negativo

Habitat

Esta especie se encuentra comúnmente en las capas superiores del suelo y se cree que B. subtilis es un comensal intestinal normal en los humanos. Un estudio de 2009 comparó la densidad de las esporas que se encuentran 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 atribuirse únicamente al consumo a través de la contaminación de los alimentos. B. subtilis aparece en la flora intestinal normal de las abejas melíferas en algunos hábitats de abejas. B. subtilis también se encuentra en el medio marino.

Reproducción

Esporulando B. subtilis .
Otra tinción de endosporas de B. subtilis .

B. 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 sequía , 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 vuelven favorables. Antes del proceso de esporulación, las células pueden volverse móviles al producir flagelos , tomar ADN del medio ambiente o producir antibióticos . Estas respuestas se consideran intentos de buscar nutrientes buscando un entorno más favorable, permitiendo que la célula haga uso de 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.

Replicación cromosómica

B. subtilis es un organismo modelo utilizado para estudiar la replicación cromosómica bacteriana. La replicación del cromosoma circular único se inicia en un solo locus, el origen ( oriC ). La replicación procede bidireccionalmente y dos horquillas de replicación progresan en sentido horario y antihorario a lo largo del cromosoma. La replicación del cromosoma se completa cuando las bifurcaciones alcanzan la región terminal, que se coloca 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. Las proteínas específicas median todos los pasos en la replicación del ADN. La 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 la iniciación, elongación 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.

Genoma

B. subtilis tiene alrededor de 4.100 genes. De estos, solo 192 resultaron indispensables; se predijo que otros 79 también serían esenciales. Una gran mayoría de genes esenciales se clasificaron en relativamente pocos dominios del metabolismo celular, con aproximadamente la mitad involucrada en el procesamiento de información, una quinta parte involucrada en la síntesis de la envoltura celular y la determinación de la forma y división celular, y una décima parte relacionada con la célula. energéticos.

La secuencia completa del genoma de la subcepa QB928 de B. subtilis 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].

En 2009 se caracterizaron varios ARN no codificantes en el genoma de B. subtilis , incluidos los ARN Bsr . Los análisis genómicos comparativos basados ​​en microarrays han revelado que los miembros de B. subtilis muestran una diversidad genómica considerable.

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 a la baja las proteínas que contienen hierro en momentos de escasa biodisponibilidad de hierro.

Un probiótico de peces prometedor, Bacillus subtilis cepa WS1A, que posee actividad antimicrobiana contra Aeromonas veronii y suprimió la septicemia móvil de Aeromonas en Labeo rohita . El ensamblaje de novo dio como resultado un tamaño cromosómico estimado de 4.148.460 pb, con 4.288 marcos de lectura abiertos. El genoma de la cepa WS1A de B. subtilis contiene muchos genes potenciales, como los que codifican proteínas implicadas en la biosíntesis de riboflavina , vitamina B6 y aminoácidos ( ilvD ) y en la utilización del carbono ( 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 superior a 1271 kb (más de 1 millón de bases). Es probable que el ADN transferido sea ADN de doble hebra y, a menudo, tenga más de un tercio de la longitud total del cromosoma de 4215 kb. Parece que entre el 7 y el 9% de las células receptoras ocupan un cromosoma completo.

Para que una bacteria receptora se una, tome ADN exógeno de otra bacteria de la misma especie y lo recombine en su cromosoma, debe entrar en un estado fisiológico especial llamado competencia . La competencia en B. subtilis se induce hacia el final del crecimiento logarítmico, especialmente en condiciones de limitación de aminoácidos. En estas condiciones estresantes de semistarvación, las células suelen tener solo una copia de su cromosoma y probablemente tengan un mayor daño en el ADN. Para probar si la transformación es una función adaptativa de B. subtilis para reparar su daño en el ADN, se llevaron a cabo experimentos utilizando luz ultravioleta como agente dañino. Estos experimentos llevaron a la conclusión de que la competencia, con la captación de ADN, es inducida específicamente por condiciones que dañan el ADN, y que la transformación funciona como un proceso para la reparación recombinacional del daño del ADN.

Si bien el estado natural competente es común en el laboratorio de B. subtilis y los aislados de campo, algunas cepas de importancia industrial, por ejemplo, B. subtilis (natto), son reacias a la absorción de ADN debido a la presencia de sistemas de modificación de restricción que degradan el ADN exógeno. Los mutantes de B. subtilis (natto), que son defectuosos en una endonucleasa del sistema de modificación de restricción de tipo I, pueden actuar como receptores de plásmidos conjugativos en experimentos de apareamiento, allanando el camino para una mayor ingeniería genética de esta cepa particular de B. subtilis .

Usos

siglo 20

B. subtilis teñido con Gram

Los cultivos de B. subtilis eran populares en todo el mundo, antes de la introducción de los antibióticos , como agente inmunoestimulador para ayudar al tratamiento de enfermedades del tracto gastrointestinal y urinario . Se utiliza en toda la década de 1950 como una medicina alternativa , que tras la digestión se ha encontrado para estimular significativamente la actividad inmune de amplio espectro incluyendo la activación de la secreción de especificar anticuerpos IgM , IgG y IgA y la liberación de dinucleótidos CpG que inducen interferón IFN-α / IFN producir actividad de los leucocitos y citocinas importantes en el desarrollo de citotoxicidad hacia las células tumorales . Se comercializó en toda América y Europa a partir de 1946 como ayuda inmunoestimuladora en el tratamiento de enfermedades intestinales y del tracto urinario como el rotavirus y la shigelosis . Se ha informado que en 1966 el Ejército de los EE. UU. Vertió bacillus subtilis en las rejillas de las estaciones de metro de la ciudad de Nueva York durante cuatro días para observar las reacciones de las personas cuando estaban cubiertas por un polvo extraño, debido a su capacidad para sobrevivir, se cree que todavía está presente allí.

El antibiótico bacitracina se aisló por primera vez del grupo licheniformis de Bacillus subtilis var Tracy en 1945 y la bacitracina todavía se fabrica comercialmente cultivando la bacteria Bacillus subtilis var Tracy I en un recipiente de medio de crecimiento líquido . Con el tiempo, la bacteria sintetiza bacitracina y secreta el antibiótico en el medio. Luego, la bacitracina se extrae del medio mediante procesos químicos.

Desde la década de 1960, B. subtilis ha tenido una historia como especie de prueba en la experimentación de vuelos espaciales. Sus endosporas pueden sobrevivir hasta 6 años en el espacio si están cubiertas por partículas de polvo que las protegen de los rayos solares UV. Se ha utilizado como indicador de supervivencia extremófilo en el espacio exterior , como las misiones orbitales Exobiology Radiation Assembly , EXOSTACK y EXPOSE .

Es difícil trabajar con los aislados naturales de tipo salvaje de B. subtilis en comparación con las cepas de laboratorio que se han sometido a procesos de domesticación de mutagénesis y selección. Estas cepas a menudo tienen capacidades mejoradas de transformación (absorción e integración del ADN ambiental), crecimiento y pérdida de las capacidades necesarias "en la naturaleza". Y, si bien existen docenas de cepas diferentes que se ajustan a esta descripción, la cepa denominada '168' es la más utilizada. La cepa 168 es un auxótrofo triptófano aislado después de la mutagénesis de rayos X de la cepa de B. subtilis Marburg y se usa ampliamente en la investigación debido a su alta eficiencia de transformación.

Colonias de B. subtilis cultivadas en una placa de cultivo en un laboratorio de biología molecular .

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

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

2000

  • Como organismo modelo, B. subtilis se usa comúnmente en estudios de laboratorio dirigidos a descubrir las propiedades y características fundamentales de las bacterias formadoras de esporas Gram-positivas. En particular, los principios y mecanismos básicos que subyacen a la formación de la endospora duradera se han deducido de estudios de formación de esporas en B. subtilis .
  • Sus propiedades de unión a la superficie desempeñan un papel en la eliminación segura de los residuos de radionúclidos [por ejemplo, torio (IV) y plutonio (IV)].
  • Por sus excelentes propiedades de fermentación, con altos rendimientos de producto (20 a 25 gramos por litro) se utiliza para producir diversas enzimas, como amilasa y proteasas.
  • B. subtilis se utiliza como inoculante del suelo en horticultura y agricultura .
  • Puede proporcionar algún beneficio a los productores de azafrán al acelerar el crecimiento del cormo y aumentar el rendimiento de la biomasa del estigma.
  • Se utiliza como "organismo indicador" durante los procedimientos de esterilización con gas, para garantizar que el ciclo de esterilización se haya completado con éxito. Esto se debe a la dificultad de esterilizar las endosporas.
  • Se ha descubierto que B. subtilis actúa como un fungicida bioproducto útil que previene el crecimiento de Monilinia vaccinii-corymbosi , también conocido como el hongo de la baya de la momia, sin interferir con la polinización o las cualidades de la fruta.
  • Se ha demostrado que las células de B. subtilis, tanto metabólicamente activas como no metabólicamente activas, reducen el oro (III) a oro (I) y oro (0) cuando hay oxígeno presente. Esta reducción biótica juega un papel en el ciclo del oro en los sistemas geológicos y podría potencialmente usarse para recuperar oro sólido de dichos sistemas.

Subcepas nuevas y artificiales

  • Se aislaron nuevas cepas de B. subtilis que podían usar 4-fluorotriptófano (4FTrp) pero no triptófano canónico (Trp) para la propagación. Como Trp solo está codificado por un único codón, existe evidencia de que Trp puede ser desplazado por 4FTrp en el código genético. Los experimentos demostraron que el código genético canónico puede ser mutable.
  • Las cepas recombinantes pBE2C1 y pBE2C1AB se usaron en la producción de polihidroxialcanoatos (PHA), y los desechos de malta se pueden usar como fuente de carbono para la producción de PHA de menor costo.
  • Se utiliza para producir ácido hialurónico , que se utiliza en el sector del cuidado de las articulaciones en la salud y la cosmética.
  • Monsanto ha aislado un gen de B. subtilis que expresa la proteína B de choque frío y la ha empalmado en su híbrido de maíz MON 87460, tolerante a la sequía, que fue aprobado para la venta en los EE. UU. En noviembre de 2011.
  • Se ha modificado una nueva cepa para producir miel.

La seguridad

En otros animales

B. 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 de Funcionarios de Control de Alimentos de Estados Unidos lo ha aprobado para su uso como ingrediente de alimento animal en la Sección 36.14 "Microorganismos de alimentación directa". La Sección de Piensos de Producción y Sanidad Animal de la Agencia Canadiense de Inspección de Alimentos ha clasificado los ingredientes de piensos aprobados deshidratados del cultivo de Bacillus como un aditivo de ensilaje en el Anexo IV-Parte 2-Clase 8.6 y se les asignó el número de Ingrediente de Piensos Internacional IFN 8-19-119. Por otro lado, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria ha evaluado positivamente varios aditivos para piensos que contienen esporas viables de B. subtilis , con respecto a su uso seguro para el aumento de peso en la producción animal.

Inhumanos

Las esporas de B. subtilis pueden sobrevivir al calor extremo durante la cocción. Algunas cepas de B. subtilis son responsables de causar ropidez o deterioro de la cuerda, una consistencia pegajosa y fibrosa causada por la producción bacteriana de polisacáridos de cadena larga  , en la masa de pan estropeada y los productos horneados. Durante mucho tiempo, la ropidez del pan se asoció de forma única con las especies de B. subtilis mediante pruebas bioquímicas. Los ensayos moleculares (ensayo de PCR de ADN polimórfico amplificado aleatoriamente, análisis de electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante y secuenciación de la región V3 del ADN ribosómico 16S) revelaron una mayor variedad de especies de Bacillus en los panes de masa, que parecen tener una actividad amilasa positiva y una alta resistencia al calor. B. subtilis CU1 (2 × 10 9 esporas por día) se evaluó en un estudio de 16 semanas (10 días de la administración de probióticos, seguido de 18 días el lavado del período por cada mes; repitió mismo procedimiento para un total de 4 meses) para sano asignaturas. Se encontró que B. subtilis CU1 es seguro y bien tolerado en los sujetos sin efectos secundarios.

B. subtilis y las sustancias derivadas de ella han sido evaluadas por diferentes organismos autorizados para determinar su uso inocuo y beneficioso en los alimentos. En los Estados Unidos, una carta de opinión emitida a principios de la década de 1960 por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) reconoció algunas sustancias derivadas de microorganismos como generalmente reconocidas como seguras (GRAS), incluidas las enzimas carbohidrasas y proteasas de B. subtilis . Las opiniones se basaron en el uso de cepas no patógenas y no toxicogénicas de los organismos respectivos y en el uso de las buenas prácticas de fabricación actuales. La FDA declaró que las enzimas derivadas de la cepa B. subtilis eran de uso común en 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 manera segura en una variedad de aplicaciones alimentarias. Esto incluye el consumo de soja fermentada japonesa, en forma de natto , que se consume comúnmente en Japón, y contiene un máximo de 10 8 células viables por gramo. Los frijoles fermentados son reconocidos por su contribución a una flora intestinal saludable y a la ingesta de vitamina K 2 ; Durante esta larga historia de uso generalizado, natto no se ha visto implicado en eventos adversos potencialmente atribuibles a la presencia de B. subtilis . El producto natto y el B. subtilis natto como su componente principal son FOSHU (Alimentos para uso sanitario específico) aprobados por el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar de Japón como eficaces para la preservación de la salud.

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria ha concedido a B. subtilis el estatus de "Presunción calificada de seguridad" .

Identificación

A continuación se muestra una tabla que ayuda a identificar B. subtilis a través de ciertas pruebas de identificación.

Prueba Resultado
Ácido de la glucosa +
Ácido de lactosa -
Ácido de sacarosa +
Ácido de manitol +
Catalasa +
Citrato (Simmons) +
Endospora +
Gas de glucosa -
Hidrólisis de gelatina +
Tinción de Gram +
Producción de sulfuro de hidrógeno -
Producción de indol -
Motilidad +
Reducción de nitratos +
Oxidasa +
Fenilalanina desaminasa -
Forma varilla
Hidrólisis de urea -
Voges-Proskauer +

Ver también

Referencias

enlaces externos