5.1. CHARAKTERYSTYKA I BIOTECHNOLOGICZNE ZNACZENIE BAKTERII Z RODZAJU BACILLUS
Bakterie rodzaju Bacillus należą do grubościennych (firmicutes) bakterii właściwych (Eubakterie) mających zdolność do tworzenia wewnątrz komórek form przetrwalnych (endospor). Są to Gram-dodatnie, cylindryczne, ruchliwe komórki, osiągające przeciętne długości 1–3 mm, ale są też znacznie większe, jak np. Bacillus megaterium zaliczane do bakterii ‑„olbrzymów”, których same endospory mają rozmiary 1,2‑1,4 mm. Wśród laseczek Bacillus, z reguły katalazo-dodatnich, wyróżnia się bezwzględne (obligatoryjne) i względne (fakultatywne) tlenowce oraz względne beztlenowce. W większości są urzęsione peritrichalnie lub biegunowo. Izoluje się też nie urzęsione i niezdolne do ruchu szczepy tych bakterii – jak Bacillus anthracis (laseczka wąglika). Liczne gatunki z rodzaju Bacillus tworzą łańcuszkowate układy bakterii. Z uwagi na kształt i rozmieszczenie przetrwalników w komórce podzielić je można na trzy grupy:
· laseczki wytwarzające przetrwalniki o średnicy mniejszej od sporangium o owalnym bądź cylindrycznym kształcie (np. Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis),
· laseczki wytwarzające przetrwalniki o średnicy większej od sporangium (co powoduje, że komórka macierzysta ulega rozszerzeniu) o kształcie owalnym bądź kulistym (np. Bacillus circulans, Bacillus macerans, Bacillus polymyxa[1], Bacillus stearothermophilus[2]),
· laseczki wytwarzające duże kuliste przetrwalniki o średnicy większej niż średnica komórki macierzystej, położone terminalnie (np. Bacillus pasteurii, Bacillus sphaericus).
Powierzchnia wegetatywnych komórek Bacillus, jak u większości Gram-dodatnich bakterii, składa się kolejno z: (a) zewnętrznej otoczki (tzw. kapsuły), (b) warstwy S (o budowie krystalicznej, złożonej z glikoprotein lub polipeptydów), (c) kilkuwarstwowej peptydo-glukanowej otoczki (właściwa ściana komórkowa) oraz (d) białek zakotwiczonych na powierzchni membrany cytoplazmatycznej. Zewnętrzna otoczka wielu spośród tych laseczek, m.in. B. anthracis, B. subtilis, B. megaterium czy B. licheniformis, zawiera kwas poli - D- lub L-glutaminowy, podczas gdy B. circulans, B. mycoides i B. pumilus wytwarzają kapsułę polisacharydową zawierającą często dekstran lub lewan[3]. Kapsuła zbudowana jedynie z poli-D-glutaminianu, jak u B. anthracis, nie jest tworzona przez należące do tej samej grupy bakterie B. cereus i B. thurigiensis, co służy, m.in. do odróżnienia tych gatunków. Warstwa ściany komórkowej jest prawie jednakowa u wszystkich bakterii Bacillus i zawiera kwas meso-diaminopimelinowy (DAP), często połączony z D-alaniną. Jest to charakterystyczna cecha budowy ściany komórkowej bakterii Gram(+), wyjątek stanowią B. pasteurii, B. globisporus i B. sphaericus, zawierające zamiast tego kwasu lizynę. Ściana komórkowa bakterii rodzaju Bacillus oprócz peptydoglukanu zawiera kwas tejchojowy związany z resztami kwasu muraminowego, a sposób ich połączenia jest różny dla różnych gatunków Bacillus i może służyć do ich odróżniania.
Wśród ponad 200 opisanych gatunków bakterii Bacillus znane są gatunki mezofilne i ekstremofilne (w tym termofilne i psychrofilne, a także psychrotroficzne). Większość dobrze rośnie w temperaturze pokojowej oraz w 37°C, np. B. licheniformis czy B. subtilis. Termofilne gatunki tych bakterii nie rosną w temperaturze poniżej 45°C, należą do nich m.in. B. stearothermophilus, B. schlegelii, B. acidocaldarius[4] i B. thermoruber. Z kolei do typowych, zimnolubnych bakterii Bacillus zalicza się B. macquariensis, B. psychrophilus, B. psychrosaccharolyticus, B. globisporus, B. insolitus, B. marinus, B. megaterium i B. polymyxa. Niektóre z nich rosną i tworzą przetrwalniki w temperaturze 0oC (np. B. macquariensis, B. insolitus). Najczęściej izolowane z morskich osadów bakterie B. marinus rosną w zakresie temperatur 5‑30oC, ale już nie ‑ w 37oC.
Wiele gatunków bakterii z rodzaju Bacillus posiada duże możliwości adaptacyjne do warunków środowiska, bez wyraźnie widocznych zmian metabolicznych. Na uwagę zasługuje zdolność przystosowawcza licznych mezofilnych gatunków (B. licheniformis, B. subtilis, B. coagulans, B. badius, B. smithii i innych) do rozwoju w wysokich temperaturach, sięgających nawet 60-70°C. Gatunki te w literaturze określa się terminem „termotolerancyjnych laseczek”. Izolowane były one na przykład z piasków Sahary, osiągających latem temperaturę ponad 60°C. W grupie termofilnych bakterii rodzaju Bacillus znajdują się też fakultatywne litoauotrofy (jak bakterie B. schlegelii czerpiące energię z utleniania H2 lub CO, a węgiel ‑ z CO2 lub CO) i laseczki wybitnie acidofilne (kwasolubne), jak np. gatunek B. acidocaldarius rosnący w temperaturze 45‑65oC w zakresie pH 2‑6 (formy przetrwalne tych bakterii cechuje zaskakująco wysoka termoodporność).
Bakterie Bacillus, w zależności od gatunku, wymagają do wzrostu środowiska o różnym pH. Laseczki z grupy bakterii alkalofilnych to m.in. B. firmus, B. alkalophilus, B. lentus, B. pasteurii czy ostatnio zidentyfikowany B. wakoensis. Dobrze rosną one w pH>8 a niektóre nawet w pH 11. Do neutrofili, rozwijających się najlepiej w pH obojętnym, zalicza się większość szczepów B. subtilis, B. coagulans, B. licheniformis, B. circulans, B. laterosporus czy B. pumilus. Izoluje się też acidofilne lub kwasotolerancyjne szczepy, m.in. gatunki B. polymyxa, B. coagulans, B. acidocaldarius, B. acidoterrestris czy zidentyfikowany w 2005 roku nowy gatunek Bacillus acidicola. Niektóre z tych laseczek są halofilne lub halotolerancyjne, np. B. globisporus, B. marinus, B. halophilus, B. panthotenicus i B. pasteurii ‑ rosną nawet w 10% NaCl. W 2005 roku zdeponowano w kolekcji czystych kultur DSM (Deuche Sammlung von Microorganismen und Zellkulturen) w Niemczech, szczep B. arsenicus rosnący dobrze w środowisku zawierającym 20 mM arseninu.
Fizjologiczna i metaboliczna (opisana w następnym rozdziale) różnorodność poszczególnych gatunków bakterii rodzaju Bacillus związana jest z ich genetycznym zróżnicowaniem, co odzwierciedla różnica zawartości GC[5] w ich genomowym DNA. Waha się ona w szerokim zakresie 32 – 69%. Stosując zasady taksonomii numerycznej oraz opartej o analizę sekwencji rybosomalnego RNA (jednostki 16S) bakterie rodzaju Bacillus podzielono na 5 grup:
(1) Grupa typu B. subtilis – najlepiej poznana. Są to tlenowce lub fakultatywne beztlenowce (jak B. licheniformis). Wytwarzają kwasy z cukrów a niektóre są halotolerancyjne (B. lentus i B. firmus). Do tej grupy zalicza się też gatunki B. antraxis, B. cereus i B. thuringiensis.
(2) Grupa typu B. sphearicus – ścisłe tlenowce wykorzystujące jako źródło węgla raczej octan i aminokwasy (nie cukry). Grupa wyjątkowa, gdyż w ścianie komórkowej zamiast kwasu meso-diaminopimelinowego zawiera lizynę lub ornitynę
(3) Grupa typu B. polymyxa – (nazwana obecnie Paenibacillus) to względne beztlenowce wykorzystujące mono- i polisacharydy, np. B. polymyxa prowadzi fermentację butandiolową a B. macerans w warunkach beztlenowych zakwasza środowisko i wytwarza etanol.
(4) Grupa typu bakterii B. brevis (sklasyfikowana jako Brevibacillus) jest taksonomicznie bardzo zróżnicowana, ale generalnie są to ścisłe tlenowce niewytwarzające kwasów z węglowodanów. B. azotoformans należący do tej grupy może rosnąć wykorzystując jon azotanowy jako akceptor elektronów (w warunkach beztlenowych).
(5) Bardzo zróżnicowana grupa termofilnych laseczek rosnących powyżej 50°C, do której zalicza się, m.in. wykorzystujące kwas mlekowy bakterie B. coagulans, autotroficzne chemolitotrofy oraz wspominane już kwasolubne termofile (podgrupa Alicyclobacillus).
Generalnie, bakterie rodzaju Bacillus to w większości saprofity, powszechnie bytujące w środowisku naturalnym, szczególnie licznie w glebie, ale wyróżnia się też gatunki patogenne, rozwijające się tylko w organizmach żywych (dwa najważniejsze z nich to B. anthracis i B. cereus). Wszystkie gatunki rodzaju Bacillus zdolne są do syntezy i wydzielania na zewnątrz komórek wielu enzymów[6], najważniejsze to hydrolazy depolimeryzujące substancje wielkocząsteczkowe (takie jak białka, węglowodany, tłuszcze i kwasy nukleinowe), oraz wielu antybiotyków i bioinsektycydów. Stąd bakterie rodzaju Bacillus pełnią dominującą rolę w procesach biotechnologicznych, szczególnie w przemysłowych procesach fermentacji mikrobiologicznej.
...
Przem582