Wykorzystanie mikroorganizmów w nauce i przemyśle

Kwas mlekowy znajdujący się w mleku dzięki fermentacji mlekowej powoduje koagulację białek, w tym kazeiny. W ten sposób przetworzone mleko można przeznaczyć na produkcję także innych przetworów, takich jak: masło, śmietana, jogurt naturalny lub kefir [17] (fot. 2).

Wspomniany diacetyl przysłuży się w maśle, nadając mu jego intensywny, charakterystyczny zapach, alkohol etylowy nada aromatu w produkcji kefiru, a aldehyd octowy – jogurtom (tab. 1).

W tym momencie należałoby zaznaczyć, że fermentacja jest procesem oddychania beztlenowego mikroorganizmów. Jednakże drobnoustroje chętnie wykorzystywane są również dzięki ich metabolizmowi tlenowemu, np. drożdże piekarnicze Saccharomyces cerevisiae. Gatunek ten cechuje się przede wszystkim krótkim czasem generacji oraz zdolnością produkcji enzymów hydrolizujących cukry [5, 17]. Zarówno w procesie fermentacji, jak i oddychania tlenowego drożdże wydzielają dwutlenek węgla, dzięki czemu ciasto przekształcane jest w gąbczastą masę i jego objętość znacznie się zwiększa. Dzięki energii produkowanej w wyniku oddychania, komórki drożdżowe są w stanie hydrolizować cukry zawarte w mieszance ciasta: glukozę, maltozę, sacharozę, co w połączeniu z ich intensywnym namnażaniem się prowadzi do podwyższenia temperatury i ostatecznie do otrzymania pulchnej, jednolitej masy przeznaczonej do wypieków pieczywa i ciast [14, 19].

Przemysł farmaceutyczny

Antybiotyki nadal stanowią znaczną część preparatów stosowanych w walce z zakażeniami bakteryjnymi i grzybiczymi. Z chemicznego punktu widzenia są naturalnymi, wtórnymi metabolitami mikroorganizmów, które – w zależności od stężenia – oddziałują bezpośrednio ze strukturami komórkowymi lub procesami metabolicznymi innych drobnoustrojów, powodując hamowanie ich wzrostu bądź śmierć [17]. Głównym rezerwuarem drobnoustrojów produkujących antybiotyki jest gleba. Jest to środowisko o niezwykle bogatym i zróżnicowanym profilu mikrobiologicznym, dlatego organizmy, produkując antybiotyki, walczą o przetrwanie i miejsce w niszy ekologicznej. Cecha ta została chętnie wykorzystana na większą skalę w przemyśle farmaceutycznym, dzięki czemu dziś, stosując antybiotyki, jesteśmy w stanie wyleczyć większość zakażeń bakteryjnych.

Najbardziej aktywnymi producentami tych związków są promieniowce Streptomyces spp., czyli bakterie Gram-dodatnie o nietypowej, cylindrycznej budowie komórek, co upodabnia je do grzybów nitkowych [20, 23]. Bakterie te odpowiadają za produkcję 70% znanych antybiotyków. Do innych mikroorganizmów o podobnych zdolnościach zalicza się: Bacillus polymyxa, Bacillus licheniformis, Pseudomonas fluorescens oraz grzyby Penicillium chrysogenum, Fusidium coccineum. Nie podaje się w wątpliwość faktu, że w środowisku naturalnym występuje ogromna pula związków o właściwościach bakteriobójczych i bakteriostatycznych wytwarzanych przez zasiedlające je grzyby i bakterie [17]. Jedyną trudnością jest określenie ich stężenia oraz poznanie funkcji biologicznych każdego z nich.

W 1928 roku Alexander Fleming jako pierwszy zaobserwował bakteriobójcze działanie pleśni Penicillium notatum w stosunku do kultury bakteryjnej Staphylococcus spp. W ten sposób odkryta penicylina, oprócz przełomu w lecznictwie, zapoczątkowała falę identyfikacji i izolowania antybiotyków naturalnych, ale także syntetycznych i półsyntetycznych (ryc. 1) [3, 11, 22].

W produkcji przemysłowej, do wytwarzania antybiotyków stosuje się głównie promieniowce Streptomyces griseus odpowiadające za produkcję streptomycyny, Streptomyces aureofaciens – tetracykliny, Amycolaptosis orientalis – wankomycyny, Saccharopolyspora erythrea – erytromycyny [17]. Odpowiednie szczepy bakteryjne lub grzybicze namnażane są w bioreaktorach, aby po zakończonym etapie inkubacji w wyniku filtracji oddzielić biomasę bakteryjną od przesączu, w którym znajdują się metabolity drobnoustrojów, w tym antybiotyki. Przesącz poddawany jest procesom separacji i oczyszczania. W celu odzyskania konkretnych antybiotyków, które mogą być rozpuszczalne w wodzie bądź nie, stosowane są różne rozpuszczalniki. Gotowy produkt poddaje się utrwaleniu w formie stałej, płynnej lub gazowej [17, 22, 23].

Innym zastosowaniem mikroorganizmów w przemyśle farmaceutycznym jest wykorzystanie ich zdolności do produkcji witamin [3, 17]. Związki te są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu, często też wykorzystywane w lecznictwie jako dodatki do pasz oraz konserwanty. Ze względu na utrzymujący się rosnący trend stosowania suplementów i witamin przez ludzi, gałąź tego przemysłu intensywnie się rozwija. Bakterie w tym procesie mogą być wykorzystywane jako całkowite źródło pozyskiwanych witamin bądź jako katalizator do przeprowadzenia pewnych etapów ich biosyntezy (tab. 2) [11, 16, 22].

Mikroorganizmy w badaniach naukowych

Wszystkie osiągnięcia związane z popularnością wykorzystywania mikroorganizmów (bakterii, grzybów, wirusów) na skalę przemysłową, wykorzystując ich zdolności metabolizowania związków, nie byłyby możliwe, gdyby nie obserwacje oraz doświadczenia przeprowadzone przez zespoły naukowców związanych z tą dziedziną. Badania z udziałem bakterii czy grzybów pozwalają zrozumieć mechanizmy, którymi rządzą się ich komórki. Nowoczesne metody opierają się głównie na prężnie rozwijających się dziedzinach proteomiki oraz szeroko rozumianej genomiki. Możliwość sekwencjonowania genomu drobnoustrojów umożliwia poznanie funkcji pojedynczych genów w nich kodowanych. Z kolei sam fakt posiadania genu przez dany organizm nie gwarantuje jego ekspresji, stąd badania nad wpływem stanu środowiska na komórkę bakteryjną lub komórki eukariotyczne grzybów. Wszystkie badania tego typu prowadzą przede wszystkim do lepszego zrozumienia świata widocznego pod mikroskopem, który ma tak ogromny wpływ na świat widziany przez nas gołym okiem.

Znaczenie i zastosowanie wirusów

Wirusy, w przeciwieństwie do bakterii lub grzybów, nie posiadają struktury komórkowej ani własnego metabolizmu. Do własnej replikacji potrzebują i wykorzystują wszystkie komórkowe formy życia (zwierzęta, rośliny, bakterie, grzyby), stąd ich klasyfikacja jako molekularnych pasożytów. Cząstki wirusów zostały uznane za doskonały model badawczy w latach 40. ubiegłego wieku. Zdeterminowały to ich zdolności szybkiego namnażania oraz łatwość manipulacji. Badania z wykorzystaniem wirusów umożliwiły uzyskanie elementarnej wiedzy z zakresu genetyki, dotyczącej m.in.: struktury genów, trójkowego charakteru kodu genetycznego oraz faktu, że DNA jest nośnikiem informacji genetycznej całego organizmu. Największym wyzwaniem dla współczesnej medycyny oraz lecznictwa jest narastająca oporność drobnoustrojów na dostępne antybiotyki. Kryzys ten napędza rozwijającą się gałąź mikrobiologii poszukującej alternatywnych terapii antydrobnoustrojowych, do których należy fagoterapia [17].

Terapia fagowa do leczenia zakażeń bakteryjnych wykorzystuje zdolność bakteriofagów – wirusów atakujących konkretne bakterie – do interakcji z komórką bakteryjną, prowadząc do jej eliminacji [4]. Jedną z zalet takiej terapii, przeważającą nad antybiotykoterapią, jest zdecydowanie mniejsze ryzyko wykształcenia wśród bakterii oporności na działanie bakteriofaga. Dzieje się tak, ponieważ w odróżnieniu do antybiotyku, który jest związkiem chemicznym, bakteriofag jest strukturą o cechach zbliżających go do organizmu żywego, tj. posiada strategie unikania oraz adhezji do komórki bakteryjnej, a także ulega mutacjom, więc może być odporny na mutacje bakterii. Drugim ważnym aspektem przemawiającym za fagoterpią jest mechanizm jej działania. Antybiotyki najczęściej posiadają szerokie spektrum zastosowań, które nie są gatunkowo specyficzne, co w konsekwencji doprowadza do wykształcenia oporności na te związki nie tylko u drobnoustrojów docelowych, ale także u mikroflory towarzyszącej. Bakteriofagi z kolei mają wąskie spektrum działania, przez co atakują konkretny gatunek lub szczep bakterii docelowej, odpowiedzialnej za wykształcenie się infekcji [4, 13, 17].

Współczesne doniesienia literaturowe na temat sukcesu terapii fagowych prezentują satysfakcjonujące wyniki. W jednym z przeprowadzonych badań 15 pacjentów zostało poddanych fagoterapii w odpowiedzi na zakażenie układu moczowego (ZUM), którego czynnikami etiologicznymi są: Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Enterobacter aerogenes oraz Proteus vulgaris. Po nieudanej próbie antybiotykoterapii pacjentom doustnie podano bakteriofagi, które w trakcie trwania kuracji wykazały skuteczność na poziomie 50% (eliminacja patogenu lub reemisja choroby u 8 badanych pacjentów). Inne badanie skierowane przeciwko ostrej niewydolności układu moczowo-płciowego wykazało skuteczność na poziomie 92% dzięki bakteriofagom dostarczonym bezpośrednio do pęcherza moczowego [4, 7, 13, 18].

Stosowanie fagoterapii okazuje się szczególnie istotne przy leczeniu zakażeń wywołanych przez mikroorganizmy wielolekooporne. Potwierdza się skuteczność tego rodzaju terapii oraz słuszność rozwoju tej dziedziny mikrobiologii, skoncentrowanej na poszukiwanie alternatyw dla współczesnej antybiotykoterapii [17, 18].

Preparaty do dezynfekcji

W dezynfekcji stosuje się chemiczne preparaty o charakterze biobójczym, czyli powodującym śmierć niepożądanych dla danego środowiska drobnoustrojów. Najprostszym przykładem miejsca, które taką dezynfekcję na dużą skalę stosuje, są baseny miejskie [6]. Preparaty oparte na działaniu chloru mają za zadanie nie dopuścić do rozwoju biofilmu bakteryjnego. Aby jednak nie doprowadzić do rozpowszechniania zjawiska oporności bakteryjnej na kolejne związki chemiczne, a ponadto aby stosowany środek wykazał właściwości bakteriobójcze, należy przeprowadzić badania laboratoryjne w celu uwiarygodnienia jego skuteczności bądź określenia odpowiedniego stężenia docelowego związku [6, 17].

W związku z odmiennymi wymaganiami w różnych obszarach stosowania preparatów dezynfekcyjnych istnieją oddzielne metody badania i kryteria oceny w trzech obszarach: medycznym, weterynaryjnym i grupie obejmującej obszary: spożywczy, przemysłowy i domowy. Pomimo różnic technicznych pomiędzy obszarami, wspólnym mianownikiem są testowane szczepy mikroorganizmów, których wykorzystanie pozwala na otrzymanie informacji na temat skuteczności badanego preparatu. Do badanych gatunków należą bakterie: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Enterococcus hirae, Pseudomonas aeruginosa oraz grzyby: Candida albicans, Aspergillus brasiliensis [15, 17]. W wielkim skrócie, badanie polega na zainicjowaniu kontaktu danego gatunku drobnoustroju z testowanym stężeniem badanego preparatu, aby po zakończonym czasie inkubacji tych dwóch elementów dokonać posiewu i zaobserwować odzysk, tj. liczbę jednostek tworzących kolonię w 1 ml posianej zawiesiny dla danego stężenia [15]. Przykładowo: badaniu poddane zostały stężenia: 10%, 20%, 40% oraz 80%. Wynik badania wykazał zahamowanie wzrostu bakterii i grzybów powyżej 40% badanego związku, natomiast nieliczny wzrost w stężeniu 20%. Oznacza to, że aby dokładnie określić stężenie biobójcze danego preparatu, należy wykonać badanie ponownie, zawężając poszukiwania do przedziału 20-30%. Tego typu badania są bardzo powszechne zarówno na skalę przemysłową, jak i na potrzeby prowadzonych w ośrodkach badawczych oraz na uczelniach wyższych eksperymentów.

Związki chemiczne o działaniu przeciwdrobnoustrojowym są wykorzystywane do dezynfekcji powietrza, powierzchni, narzędzi, aparatów, a także odkażania żywych tkanek. Ze względu na powstawanie oporności u drobnoustrojów tego typu badania są kluczowe w celu poszukiwania i testowania znalezionych lub domniemanych preparatów antybakteryjnych oraz przeciwgrzybiczych. Wybór i stosowanie zarówno środków dezynfekcyjnych, jak i antyseptycznych w szpitalach oraz miejscach użytku publicznego zawsze powinny być poparte badaniami ich skuteczności w stosunku do drobnoustrojów [6, 17].

Podsumowanie

Biotechnologia zajmująca się wykorzystaniem mikroorganizmów w przemyśle oraz w nauce, jest jedną z najbardziej rozwijających się dziedzin naukowo-gospodarczych. Technologie wykorzystujące potencjał mikroorganizmów rozwijają się bardzo dynamicznie, ponieważ drobnoustroje posiadają wiele korzystnych właściwości, dzięki którym możemy pozyskać różne substancje (antybiotyki, witaminy) lub otrzymać różne produkty (chleb, piwo, wino, ser). Bakterie i grzyby, tak powszechne i wszechobecne w naszym życiu, wykorzystywane są chętnie do celów naukowych ze względu na swój potencjał metaboliczny, fizjologiczny oraz genetyczny.

Piśmiennictwo

1. Agarwal S., Sharma K., Swanson B.G., Yuksel G.U., Clark S.: Nonstarter lactic acid bacteria biofilms and calcium lactate crystals in Cheddar cheese. „J. Dairy Sci.”, 2006, 89, 1452-1466
2. Arihara K., Luchansky J.B.: Dairy Lactobacilli. [In:] Hui Y.H., Khachatourians G.G. (ed.): Food Biotechnology: microorganisms. 1995, VCH Pbl., New York, 609-643.
3. Berdy J.: Bioactive microbial metabolite. „J. Antibiot.”, 2005, 58, 1-26.
4. Brüssow H.: Phage therapy: the Escherichia coli experience. „Microbiology”, 2005, 151, 2133-2140.
5. Fleet G.H.: Yeasts in dairy products. „J. Appl. Bacteriol.”, 1990, 68, 199-211.
6. Głuszek K.: Ocena wrażliwości szczepów Staphylococcus aureus na środki dezynfekcyjne. „Studia Medyczne”, 2010, 19, 13-23.
7. Górski A., Fortuna W., Weber-Dąbrowska B.: Perspektywy terapii fagowej w urologii, „Przegląd Urologiczny”, 2004, 4.
8. Jakobsen M., Narvhus J.: Yeasts and their possible beneficial and negative effects on the quality of dairy products. „Int. Dairy J.”, 1996, 6, 755-768.
9. Kołakowski P., Kowalska M.: Mikroflora serów dojrzewających. „Innowacyjne Mleczarstwo”, 2013, 1, 6-13.
10. Kopyra T.: Piwo – wszystko co musisz wiedzieć, żeby nie wyjść na głupka. Flow Books, 2016.
11. Kümmerer K.: Significance of antibiotics in the environment. „J. Antimicrob. Chemother.”, 2003, 52, 5-7.
12. Lambrechts M., Pretorius I.: Yeast and its Importance to Wine Aroma − A Review. „S. Afr. J. Enol. Vitic.”, Vol. 21, Special Issue, 2000.
13. Levin B.R., Bull J.J.: Population and evolutionary dynamics of phage therapy. „Nat. Rev. Microbiol.”, 2004, 2, 166-173.
14. Lipińska E.: Technologia produkcji biomasy drożdżowej i ocena drożdży piekarniczych. Wybrane zagadnienia z technologii żywności. Wyd. Warszawa 2006.
15. PN-EN. Norma z bójczości.
16. Procópio R.E., Silva I.R., Martins M.K., Azevedo J.L., Araújo J.M.: Antibiotics produced by Streptomyces. „Braz. J. Infect. Dis.”, 2012, 16, 466-471.
17. Baj J. (red.): Mikrobiologia. Wydawnictwo PWN, Warszawa 2018.
18. Abedon S.T.: Use of phage therapy to treat long-standing, persistent, or chronic bacterial infections. „Advanced Drug Delivery Reviews”, 2018.
19. Świca K., Lepa Ł., Ząbek M., Grobowiec M., Cichoń R., Kluz M.: Saccharomyces cereviasiae jako drożdże o szerokim zastosowaniu w życiu codziennym i przemyśle. SKN Technologów Żywności „Ferment”, Sekcja Biotechnologii i Mikrobiologii.
20. Tuszyński T., Makarewicz M.: Drożdże dzikie w przemyśle piwowarskim – zagrożenia i wybrane metody wykrywania. „Żywność Technologia Jakość”, 1998, 6, 13.
21. Turło J.: Biotechnologia grzybów – zastosowanie w farmacji i suplementacji. „Biul. Wydz. Farm.”, WUM, 2013, 3, 18-26.
22. Zabłotni A., Jaworski A.: Źródła antybiotyków w środowiskach naturalnych i ich rola biologiczna. „Postępy Hig. Med. Dośw.”, 2014, 68, 1040-1049.
23. Zhuang X., Gao J., Ma A., Fu S., Zhuang G.: Bioactive molecules in soil ecosystems: masters of the underground. „Int. J. Mol. Sci.”, 2013, 14, 8841-8868.

Damian Sztucki
Ekolabos sp. z o.o.

Czytaj także: Psychobiotyki – jak uszczęśliwić nasz mózg