Per loro stessa natura, i batteri riescono a mettere in campo un’enorme varietà di meccanismi di difesa a partire dagli antibiotici per poi passare ai prodotti secondari del metabolismo come l’acido lattico, gli agenti litici, le esotossine e le batteriocine. Il termine batteriocina fu coniato negli anni’50 da Francois Jacob per indicare composti di origine batterica; per l’esattezza proteine, in grado di inibire ceppi batterici simili a quello del produttore. Sono molecole molto stabili e resistenti, ma data la loro limitata capacità d’azione, nonostante furono scoperte prima degli antibiotici, gli sforzi della comunità scientifica si incentrarono su questi ultimi poiché ritenuti più efficaci. Oggi, però abbiamo bisogno di scoprire un alternativa agli antibiotici, visto che molti batteri hanno sviluppato un’eccesiva resistenza a questi ultimi e questa alternativa potrebbe essere rappresentata dalle batteriocine.

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Batteriocine dei batteri Gram-negativi

I batteri Gram-negativi sono in grado di produrre una grande varietà e quantità di batteriocine, che di norma vengono classificate e nominate a partire da genere e specie del produttore (per es. klebicina di Klebsiella pneumoniae). La prima batteriocina trovata proveniva proprio da uno di questi batteri, per la precisione da un ceppo di Escherichia coli, trovata da André Gratia nel 1925. Essa presentava un attività battericida nei confronti di altri ceppi della stessa specie. I geni che codificano per le batteriocine prodotte dai batteri Gram-negativi sono generalmente localizzati a livello dei plasmidi. Il loro funzionamento si basa sull’adesione a specifici recettori presenti a livello della membrana delle cellule sensibili, agiscono mediante formazione di canali ionici nella membrana citoplasmatica agendo poi con attività nucleasica.

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Le Colicine

La colicina è la batteriocina più studiata fra quelle dei batteri Gram-negativi. Ha un peso molecolare di circa 20 kDa (1 kilodalton = 1000 u) e ad oggi sono state identificate più di 30 batteriocine prodotte da E. coli.

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Organizzazione genica delle colicine

Le colicine sono codificate in un operone, situato sul plasmide batterico, formato da tre geni strettamente legati tra loro: un gene che codifica la colicina, un gene immunitario e un gene di lisi.

Il primo codifica la batteriocina, il secondo codifica la proteina che garantisce l’immunità al produttore mentre il terzo codifica una proteina litica che permette il rilascio all’esterno della colicina.

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Batteriocine dei batteri Gram-positivi

Inizialmente lo studio delle batteriocine da Gram-positivi è stato incerto dato che si cercò di applicare lo stesso approccio che era stato utilizzato con successo per i negativi. Nonostante ciò nel 1947, grazie a Mattick e Hirsch venne trovata una proteina in grado di inibire i lactococci. Si tratta della nisina che venne commercializzata nel 1953 e riconosciuta come sicura nel 1969 come conservante alimentare. Proprio come la nisina la maggior parte delle batteriocine derivanti da Gram-positivi sono prodotte da batteri lattici e sono interessanti per diversi fattori: primo vengono consumate dall’uomo da migliaia di anni, secondo sono molecole resistenti a calore, variazioni di ph, al congelamento, sali ed enzimi ma sono sensibili alle proteasi del tratto gastrointestinale dei mammiferi. I produttori di queste sostanze sono ovviamente immuni ad avesse e i geni si trovano sia nei plasmidi sia nel cromosoma circolare.

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Classificazione delle batteriocine dei batteri Gram-positivi

Negli anni la nomenclatura di tali batteriocine non è stata sempre chiara ma anzi, ad oggi, non si è trovata una classificazione che tenga conto di tutte queste molecole. La classificazione più utilizzata ad oggi è quella di Klaenhammer, che nel 1993 divise le batteriocine da Gram-positivi in 4 classi:

• Batteriocine di classe I o lantibiotici: peptidi a basso peso molecolare, termostabili, sottoposti a modificazioni post-traduzionali;

• Batteriocine di classe II: peptidi di piccole dimensioni (<10 kDa) stabili al calore e attivi sulla membrana, suddivisi a loro volta in tre sottogruppi (IIa, IIb e IIc); 

• Batteriocine di classe III: proteine termolabili ad alto peso molecolare (>30 kDa);

• Batteriocine di classe IV: molecole dalla struttura complessa contenente componenti di natura lipidica e/o glucidica. 

 

I Lantibiotici

Le batteriocine appartenenti alla classe I sono anche indicate come lantibiotici per la presenza di caratteristici aminoacidi policiclici, e sono divise in:

• Lantibiotici di tipo A: molecole di forma elicoidale allungata e flessibile, che agiscono depolarizzando la membrana e favorendo la formazione di pori nelle cellule bersaglio,

• Lantibiotici di tipo B: peptidi con conformazione globulare. Agiscono interferendo con le reazioni enzimatiche essenziali per la sopravvivenza della cellula bersaglio. 

L’azione dei lantibiotici si  limita ai Gram-positivi, in quanto i Gram-negativi sono immuni, probabilmente a causa della membrana esterna.

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La Nisina

Viene prodotta dal Lactococcus lactis subspecie lactis ed è il lantibiotico più conosciuto. Isolata nel ’47 è l’unica batteriocina commercialmente ammessa con la sigla E234; è anche riconosciuta come GRAS (Generally Recognized as Safe) dalla FDA. In Europa ne è consentito l’uso in formaggi stagionati, cibi in scatola, derivati del latte, preparazioni liquide a base di uovo, preparazione della fermentazione della birra e succhi di frutta. La nisina commerciale è ottenuta attraverso la fermentazione del Lactococcus lactis subspecie lactis in un terreno derivato dal latte, poi estratta, concentrata, separata, seccata, macinata e standardizzata tramite l'aggiunta del cloruro di sodio. La nisina, infine, è efficacie soprattutto contro cellule vegetative e spore di Gram-positivi e principalmente contro L. monocytogenes e C. botulinum.

 

Batteriocine di classe II

Le batteriocine di classe II sono piccoli peptidi con dimensioni variabili tra 37 a 48 aminoacidi; inoltre sono idrofobici e relativamente stabili al calore.

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Batteriocine di classe IIa o batteriocine anti-Listeria

Le batteriocine della classe IIa definite anche “pediocina-simili”; a causa del nome della prima trovata, raccoglie tutte le batteriocine con attività anti-Listeria. per la produzione sono necessari tre geni: il gene che codifica per la batteriocina, il gene per il trasportatore ed il gene che conferisce l’immunità al microrganismo produttore. Talvolta può intervenire anche un quarto gene per la sintesi di proteine accessorie. Le pediocine agiscono provocando la fuoriuscita di ioni K+, aminoacidi ed altre molecole a basso peso molecolare, con conseguente alterazione del potenziale di membrana, che rende poi impossibile il passaggio di molecole attraverso la stessa.

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Batteriocine di classe IIb a due peptidi

Sono batteriocine non pediocino-simili costituite da due differenti peptidi cationici, la cui attività richiede la presenza di entrambi i peptidi e raggiunge il massimo quando questi sono presenti in quantità equivalenti. Sono necessari quattro geni per la loro produzione: il gene strutturale per il pre-peptide, il gene per l’immunità, il gene per il trasportatore di membrana specifico ed il gene per le proteine accessorie. Agisce formando pori nella membrana plasmatica e quindi alterando il potenziale di membrana.

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Enterocine appartenenti alla classe IIb

Le più comuni enterocine appartenenti alla classe IIb sono enterocina 1070, enterococcina L50, enterocina Q e enterocina EJ97. L’enterocina 1071 è sintetizzata da E. faecalis BFE 1071, isolato nelle feci di cavie, e da E. faecalis FAIR-E 309, isolato da un formaggio argentino, è costituita da due peptidi ed è attiva contro i Gram-positivi. Inoltre non presenta attività emolitica, viene alterata dai proteoliti, è resistene a trattamenti termici e a variazioni di PH. L’enterococcina L50 è stata isolata da E. faecium L50 e 6T1a. Non mostra attività emolitica ed è costituita da due peptidi come la precedente. I peptidi hanno attività anti-microbiotica anche quando sono isolati, tuttavia la loro attività diviene fino a cento volte più efficacie quando le due subunità sono congiunte. Mancano geni relativi all’immunità. È dimostrata l’efficacia contro patogeni alimentari, quali L. monocytogenes, S. aureus, e C. botulinum. 

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Enterocine appartenenti alla classe IIc

Le enterocine di questo gruppo sono principalmente cicliche, le più comuni sono l’enterocina A e B; derivanti da E. faecium T136 e CTC 492, isolati da salsicce fermentate spagnole, e da E. faecium BFE 900, isolato da olive nere, ed agiscono insieme anche se si tratta di due enterocine diverse e non di una singola con due peptoni. È nota l’attività contro Enterococcus e Lactobacillus spp. e contro patogeni di origine alimentare come L. monocytogenes e S. aureus.

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Batteriocine di classe III

Definite anche batteriolisine, sono termolabili e cicliche. Il loro meccanismo d’azione si distingue da quello di altre batteriocine in quanto provocano la lisi della parete delle cellule patogene. Un esponente di questa classe è l’enterocina AS-48, sintetizzata da E. faecalis.

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Batteriocine di classe IV

Le batteriocine appartenenti alla classe IV sono proteine complesse, caratterizzate dalla presenza nella loro struttura dalla presenza di componenti non proteici essenziale (glucidi, lipidi) e mostrano spiccata attività contro Lactobacillus, Lactococcus, Pediococcus, Enterococcus, Bacillus, Listeria e Staphylococcus.