BIOFILM • I biofilm sono un concetto recente in Batteriologia • E’ attualmente accettato che in natura le cellule batteriche sono in stretta associazione con le superfici e le interfacce in forme di aggregazione “multicellulare” che sono appunto i biofilm • Questo rende le cellule batteriche simili a molti altri tipi di cellule viventi: capaci di esistenza UNICELLULARE, ma generalmente residenti in comunità PLURICELLULARI • La formazione e il mantenimento di comunità multicellulari dipende dalla produzione di SOSTANZE EXTRACELLULARI che insieme vanno a costituire una vera e propria MATRICE EXTRACELLULARE ricca in carboidrati • Queste matrici sono estremamente variabili e contribuiscono all’organizzazione della comunità batterica che le ha prodotte QUORUM SENSING Studi recenti hanno portato alla scoperta che il “quorum sensing” è un meccanismo che consente ai batteri di lanciare risposte unitarie e coordinate in una maniera che dipende direttamente dalla densità di popolazione MBT508 Topics in Molecular Biology Quorum Sensing Quorum Sensing • Tomasz (1965) – Gram-positive Streptococcus pneumoniae produce a “competence factor” that controlled factors for uptake of DNA (natural transformation) • Nealson et al. (1970) – luminescence in the marine Gram-negative bacterium Vibrio fischeri controlled by self-produced chemical signal termed autoinducer • Eberhard et al. (1981) identified the V. fischeri autoinducer signal to be N-3-oxo-hexanoyl-L-homoserine lactone • Engebrecht et al. (1983) cloned the genes for the signal generating enzyme, the signal receptor and the lux genes Quorum Sensing • In V. fisheri, bioluminsecence only occurs when V. fischeri is at high cell density N-3-oxo-hexanoyl-L-homoserine lactone Quorum Sensing • Fuqua et al. (1994) introduced the term “quorum sensing” to describe cell-cell signaling in bacteria • Early 1990’s – homologs of LuxI were discovered in different bacterial species • V. fischeri LuxI-LuxR signaling system becomes the paradigm for bacterial cell-cell communication Quorum Sensing • Vast array of molecules are used as chemical signals – enabling bacteria to talk to each other, and in many cases, to be multilingual Gram-negative bacteria Gram-positive bacteria universal language Quorum Sensing in Pseudomonas aeruginosa • P. aeruginosa uses a hierarchical quorum sensing circuit to regulate expression of virulence factors and biofilm formation Quorum Sensing in Gram-Positive Bacteria • Gram-positive bacteria utilizes modified oligopeptides as signaling molecules – secreted via an ATP-binding cassette (ABC) transporter complex • Detectors for these signals are two-component signal transduction systems sensor kinase - binding of autoinducer leads to autophosphorylation at conserved histidine residue response regulator - phosphorylation at conserved aspartate by sensor kinase leads to binding of regulator to specific target promoters BIOFILM • Il biofilm fornisce protezione omeostatica e stabilità di fronte ai cambiamenti ambientali ai singoli batteri che lo compongono • Sono comunità strutturate e specializzate • Rappresentano una forma di sopravvivenza dei batteri all’ambiente • E’ un’importante forma di sopravvivenza e diffusione anche per una serie di batteri PATOGENI ADESIONE ALLA SUPERFICIE • Aderire alla superficie è per i microrganismi una situazione favorevole dal punto di vista metabolico • Sulle superfici che sono state a contatto con gli alimenti le molecole organiche ed inorganiche si concentrano formando un film con elevata presenza di nutrienti che vengono rapidamente assimilati • Una volta adese le cellule microbiche possono iniziare a degradare i nutrienti e a produrre le strutture che favoriscono l’adesione nonché la loro moltiplicazione: si forma una dinamica rete tridimensionale COLONIZZAZIONE DELLE SUPERFICI • Il biofilm è nel settore alimentare una matrice biologicamente attiva, formata dalle cellule microbiche e da sostanze extracellulari adese ad una superficie solida • Può essere MONO o PLURIspecie • Lo sviluppo di biofilm avviene in ambienti umidi e non sterili su quasi tutti i tipi di superfici • Sono estremamente resistenti agli agenti antimicrobici • L’adesione dei batteri e la produzione di sostanze diverse causano numerosi problemi all’industria alimentare danneggiamento degli impianti, pericolo per la salute (Lysteria monocytogenes) SUPERFICI DI CONTATTO • Tutti i materiali utilizzati nel settore alimentare sono suscettibili di formazione di biofilm • La presenza di irregolarità nelle superfici favorisce la formazione di biofilm • La prima fase è rappresentata dall’adsorbimento (processo fisico-chimico di interazione fra il microrganismo e le superfici) • Seguono due stadi della fase irreversibile • Fissazione, che avviene a seguito della liberazione di polisaccaridi extracellulari prodotti dai microrganismi (glicocalice) o tramite l’azione di pili e fimbrie • Colonizzazione durante la quale le microcolonie dei batteri fissati confluiscono formando il biofilm RESISTENZA NEI BIOFILM • Le cellule batteriche che colonizzano la superficie all’interno di un biofilm sono estremamente resistenti ai trattamenti antimicrobici • Una delle ragioni è la minore velocità di diffusione dei biocidi attraverso la matrice del film • A questo è legata anche la maggiore resistenza agli antibiotici dei batteri patogeni in biofilm rispetto al batterio isolato • Si è inoltre osservato che anche alterazioni fisiologiche legate ad una minore disponibilità di O2 hanno un ruolo importante • Più il biofilm è spesso, più microrganismi sono in fase quiescente e quindi sono meno sensibili, ad esempio, all’azione di disinfettanti DERMINANTI DELL’ADESIVITA’ • Sono implicate nell’adesione una serie di strutture e molecole superficiali quali pili, fimbrie, glicocalice, strato mucoso, capsula. • L’idrofobicità e la presenza di strutture “lanuginose” (ad esempio nelle spore) aumenta la capacità di adesione, cui segue la germinazione con produzione delle sostanze extracellulari che favoriscono il consolidamento del biofilm • Il pH e la temperatura della superficie di contatto influiscono sull’adesività CEPPI IMPORTANTI • Nell’industria lattiero-casearia e dei prodotti carnei predominano i generi Pseudomonas e Staphylococcus • Anche Campylobacter jejuni e Escherichia coli O157:H7 sono in grado di colonizzare le superfici • I biofilm possono essere costituiti da più specie e le interazioni iniziali hanno una notevole influenza sulla struttura successiva • I microrganismi inizialmente presenti possono favorire la colonizzazione da parte di microrganismi fisiologicamente “compatibili” e inibire l’adesione di altri. • I biofilm costituiti da più specie sono più resistenti di quelli formati da un’unica specie, perché matrici costituite da polisaccaridi prodotti da batteri differenti sembrano conferire maggiore stabilità Listeria monocytogenes • E’ un classico esempio di patogeno “foodborne” • Una delle difficoltà maggiori nel controllarne la diffusione è la sua natura UBQUITARIA • E’ comunemente ritrovato nell’ambiente • Forma biofilm che sono molto più resistenti a condizioni ambientali avverse del batterio isolato Batteri acido lattici non starter • La fonte di questi batteri è soprattutto una contaminazione successiva alla pastorizzazione del latte • Numerosi studi hanno dimostrato che anche questi batteri possono formare biofilm • Anche presenti in piccole quantità sulla superficie dei macchinari per la produzione dei prodotti caseari hanno effetti deleteri sulla qualità del prodotto BIOFILM NELL’INDUSTRIA ALIMENTARE • I biofilm sono quindi un problema importante nell’industria alimentare e la ricerca in questo campo è importante per disegnare strategie atte a eliminarli il più efficientemente possibile o a porre un limite alla loro formazione • L’adesione dei batteri alle superfici e lo sviluppo dei biofilm è una fonte di contaminazioni che possono comportare sia il deterioramento del cibo (vedi batteri acido lattici non starter), sia la trasmissione di malattie (vedi Listeria monocytogenes) COME RIMUOVERE UN BIOFILM • Pulizia efficace ed accurata delle superfici mediante – metodi fisici (spazzole, getti di soluzioni ad alta pressione per rimuovere i biofilm e i microrganismi adesi) – metodi chimici che comportano la distruzione dei microrganismi (antimicrobici ad effetto ossidante; recentemente è stato proposto l’utilizzo di oli alimentari di oliva, mais, cocco, soia) – metodi biologici mediante l’utilizzo di batteriocine (es nisina), batteri lattici, estratti cellulari, miscela di proteasi, amilasi e glucanasi, enzimi deglicosilanti, enzimi prodotti da un ceppo di Streptomyces che demolisce gli esopolisaccaridi PREVENIRE la formazione del biofilm • Modificare la chimica delle superfici: – scegliere polimeri idrofilici, – trattare le superfici con composti passivanti come albumina • Trattare con antimicrobici: – applicare vernici che rilascino biocidi in modo continuo, – assorbire sostanze ad azione antimicrobica quali nisina • Ottimizzare la progettazione degli impianti: – modificare le caratteristiche fisiche delle superfici (disegno igienico), – progettare superfici con maggiore resistenza ai sanificanti SE AVVIENE LA CONTAMINAZIONE…. • Effetti sulla conservabilità e qualità del cibo • Infezioni e tossinfezioni alimentari Altri fattori che condizionano la crescita dei microrganismi negli alimenti POTENZIALE DI OSSIDORIDUZIONE • Capacità di un substrato di cedere (riduzione) o acquisire (ossidazione) e• Nel passaggio di e- si crea una d.d.p. (può essere misurata ed espressa in mV) • Tanto più ossidato è un substrato tanto più POSITIVO è il suo potenziale redox • Alcuni microrganismi richiedono valori redox (Eh) positivi (ossidati) (aerobi), o negativi (ridotti) (anaeorobi). • Altri sviluppano indifferentemente in entrambe le condizioni (anaerobi facoltativi) Eh NEGLI ALIMENTI • Prodotti di origine vegetale hanno Eh positivi • Prodotti di origine animale tendono ad assumere valori sempre più negativi • Alcune sostanze contribuiscono a mantenere condizioni riducenti, quali gruppi SH, l’acido ascorbico, gli zuccheri riducenti GAS • I gas possono influenzare il potenziale redox selezionando popolazioni microbiche • Alcuni (OZONO, OSSIDO DI ETILENE, DI PROPILENE) hanno una spiccata azione battericida; altri (ANIDRIDE CARBONICA, ANIDRIDE SOLFOROSA) sono più selettivi IMBALLAGGI: atmosfera dell’ambiente di conservazione • La presenza di un gas in una confezione influenza in maniera considerevole la microflora dell’alimento • L’atmosfera dipende dai gas somministrati e dalla permeabilità dell’involucro. – Pellicole permeabili ai gas selezionano aerobi. – Pellicole non permeabili ai gas per effetto della respirazione selezionano anaerobi • Confezionamento sotto vuoto o con atmosfera modificata. Atmosfera costituita da miscele di gas in proporzioni diverse (O2, N2, CO2). – I microrganismi rimangono vivi, ma sono ostacolati anche in funzione delle t utilizzate PATOGENI DIVERSI SI COMPORTANO IN MANIERA DIFFERENTE IN ATMOSFERA MODIFICATA IL COMPORTAMENTO DIPENDENTE ANCHE DALLA TEMPERATURA UTILIZZATA La conservazione in atmosfera protettiva è attualmente autorizzata in Italia per tutti i prodotti alimentari ADDITIVI Vengono definiti additivi quelle sostanze che, PRIVE di potere nutritivo o impiegate NON a scopo nutritivo, si aggiungono in qualsiasi momento della lavorazione ad un alimento allo scopo di – conservarne nel tempo le caratteristiche chimiche, fisiche, chimicofisiche – evitarne l’alterazione spontanea – impartire ad esso o esaltarne particolari caratteristiche di aspetto, sapore, odore o consistenza DEVONO ESSERE DICHIARATI IN ETICHETTA Una serie di additivi hanno azione antimicrobica e possono essere addizionati a precise concentrazioni in determinati alimenti, secondo una normativa ben precisa ANTIMICROBICI NATURALI CONTENUTI NEI CIBI • Lisozima • Batteriocine • Oli essenziali in numerose spezie • Polifenoli e tannini in piante e frutta edibile B. ANTIMICROBICI NATURALI CONTENUTI NEI CIBI • Lisozima • Batteriocine • Oli essenziali in numerose spezie • Polifenoli e tannini in piante e frutta edibile LISOZIMA • E’ un enzima con proprietà battericide • E’ 1,4-β-N-acetilmuramidasi che rompe i legami β1,4-glicosidici presenti nel peptidoglicano della parete cellulare • La sua azione si esplica solo sui G+ • Non ha effetto sui lieviti • Viene particolarmente utilizzato nella vinificazione per l’inibizione o il controllo della fermentazione malolattonica B. ANTIMICROBICI NATURALI CONTENUTI NEI CIBI • Lisozima • Batteriocine • Oli essenziali in numerose spezie • Polifenoli e tannini in piante e frutta edibile LE BATTERIOCINE Le batteriocine vengono definite come PEPTIDI TERMOSTABILI biologicamente attivi in grado di esercitare attività battericida nei confronti di altre specie batteriche, ma non sul microrganismo produttore Ceppi di batteri lattici e stafilococchi sono i principali produttori di batteriocine Questi batteri possono essere facilmente isolati dalla microflora normale di sistemi alimentari diversi Le batteriocine possono agire verso batteri della stesse specie produttrice (narrow spectrum) o verso batteri di specie diverse (broad spectrum) L’immunità del batterio produttore è mediata da specifiche “proteine dell’immunità” MESSA IN EVIDENZA DI CEPPI PRODUTTORI DI BATTERIOCINE Per l’individuazione di un ceppo produttore di batteriocine si possono spottare i potenziali batteri produttori su un terreno adatto agarizzato, preferibilmente tamponato e contenente catalasi per escludere l'attività antagonistica di acidi e acqua ossigenata, quindi stratificando con il ceppo indicatore. Definizioni • Sono molecole peptidiche di sintesi ribosomiale (e perciò diverse dagli antibiotici), che possono anche essere associate a lipidi e carboidrati (Papagianni, 2003). • Sono prodotte da diverse specie batteriche, in particolare da ceppi Gram positivi appartenenti al gruppo dei LAB (Lactic acid bacteria) ma anche da ceppi Gram negativi, come Escherichia coli. • La prima batteriocina scoperta prese il nome di colicina (Gillor et al., 2005). Definizioni • Le batteriocine sono molecole ad attività battericida o batteriostatica. • Possono avere spettri di inibizione – limitati ad alcuni ceppi appartenenti alla stessa specie del microrganismo produttore (narrow spectrum) – ad ampio spettro d’azione contro diverse specie batteriche (broad spectrum) (Gillor et al., 2005). Definizioni • Agiscono con svariati meccanismi d’azione: – formazione di pori nella membrana citoplasmatica, – interferenza sulla sintesi della parete batterica, – attività nucleasica • Le batteriocine possono essere codificate da geni presenti nel cromosoma batterico o in plasmidi o in altri elementi mobili come i trasposoni (Gillor et al., 2005). CLASSIFICAZIONE • Le batteriocine possono essere riunite in gruppi distinti in base a diverse proprietà • La classificazione più accettata si basa su: – il tipo di batterio produttore, – la natura chimica della batteriocina – il suo spettro d’azione. CLASSIFICAZIONE 1. Batteriocine prodotte da batteri Gram negativi: § Colicine § Microcine § Piocine 2. Batteriocine prodotte da batteri Gram positivi: § Classe I § Classe II § Classe III § Classe IV 1. Batteriocine prodotte da batteri Gram negativi: § Colicine § Microcine § Piocine Batteriocine prodotte dai batteri Gram negativi • Le batteriocine prodotte dai Gram negativi presentano le seguenti caratteristiche: – sono molecole relativamente grandi (possono superare anche i 30 KDa), – sono usualmente rilasciate dalla cellula produttrice mediante lisi e spesso dipendono da sistemi regolativi della stessa, come il sistema SOS. • In situazioni di stress (esaurimento dei nutrienti o l’aumento della densità cellulare) alcuni batteri Gram negativi producono diversi peptidi e proteine attive contro i ceppi della stessa specie o di specie vicine con cui compete. Batteriocine prodotte dai batteri Gram negativi • Prodotte da molte specie appartenenti alle Enterobacteriaceae – 15-50 % dei ceppi di E. coli noti produce una o più colicine. • Le batteriocine dei Gram negativi necessitano dell’interazione con un recettore posto sulla membrana del microrganismo bersaglio e della successiva internalizzazione per esplicare la propria attività (Gillor et al., 2005). COLICINE • Le colicine sono codificate usualmente da plasmidi e spesso superano i 20 KDa. • Sono attive contro E. coli ma anche su batteri strettamente correlati a questo, come Salmonella. Colicine • Sono stati identificati 30 tipi di colicine, che differiscono tra loro soprattutto per il meccanismo d’azione. • La regolazione basata sul sistema SOS fa sì che le colicine vengano prodotte solo nei periodi di stress (mancanza di nutrienti e/o di ossigeno) (Riley et al., 2002). • Dopo l’induzione, le colicine vengono rilasciate nell’ambiente circostante mediante la lisi della cellula produttrice e si legano a specifici recettori di superficie di batteri sensibili (Gillor et al., 2005). Colicine • Il legame al recettore induce l’attraversamento della parete batterica e il raggiungimento della membrana interna. • Le colicine possono – agire a questo livello creando pori, – oppure possono entrare nel citoplasma della cellula ed esplicare attività di DNAsi – o inibire la sintesi proteica inattivando il 16S rRNA e/o i tRNA (Gillor et al., 2005; Riley et al., 2002). Colicine • La struttura del locus genico che codifica le colicine è molto complessa e solitamente è costituita da un cluster. – il gene strutturale che codifica la colicina, – un gene che produce un fattore di protezione verso l’azione della colicina stessa (gene per l’immunità) – un gene che codifica un fattore di lisi che media il rilascio della colicina dalla cellula produttrice (Gillor et al., 2005; Papagianni, 2003). Colicine • Il dominio centrale costituisce delle colicine circa il 50% della proteina totale ed è coinvolto nel riconoscimento del recettore • Il dominio N-terminale (25% della proteina) è responsabile dell’ingresso della colicina nella cellula target. • Il resto della proteina contiene il dominio con attività battericida (Riley et al., 2002). MICROCINE • Prodotte dalle Enterobacteriaceae, • Finora sono state identificate solo 9 microcine (MccA, MccB17, MccC7, MccD93, MccE492, MccH47, MccLJ25, MccColV) (Destoumieux-Garzon et al., 2002) • La struttura e meccanismo d’azione non sono ancora noti nel dettaglio. • Differiscono dalle colicine per le dimensioni più ridotte (meno di 10 KDa), per l’indipendenza del sistema SOS e per essere secrete all’esterno della cellula produttrice senza richiederne la lisi (Moreno et al., 2002; Papagianni, 2003). Microcine • Le microcine sono molecole idrofobiche, resistenti al calore, all’azione di certe proteasi e a valori estremi di pH (Papagianni, 2003). • Il trasporto all’esterno del batterio produttore avviene mediante traslocatori omologhi agli ABC (ATPbinding cassette). • Questi complessi transmembranari sono formati da due proteine ancorate alla membrana citoplasmatica ed esposte nel periplasma (codificati dal cluster della microcina) e da una terza proteina (TolC, codificata da un gene cromosomiale) (Moreno et al., 2002). • Quest’ultimo fattore assicura il trasporto finale della microcina attraverso il periplasma fino all’esterno ( Destoumieux-Garzon et al., 2002). Microcine • Lo spettro d’azione delle microcine è più ampio di quello di quello delle colicine (soprattutto da generi batterici appartenenti al gruppo delle Enterobacteriaceae) • In concentrazioni elevate agiscono creando pori sulla membrana batterica bersaglio o dissipandone il potenziale (Destoumieux-Garzon et al., 2002). • Non è ancora stato stabilito come invece agiscano a concentrazioni fisiologiche e se necessitino del riconoscimento di un recettore sulla superficie del microrganismo sensibile (Destoumieux-Garzon et al., 2002). Microcine • L’immunità alla microcina: coinvolgimento di pompe proteiche, che espellerebbero la microcina una volta che questa entra nella cellula che l’ha secreta ( Garrido et al., 1988). • Le microcine sono solitamente codificate da plasmidi, alcuni dei quali anche in grado di essere trasferiti ad altri ceppi batterici (Moreno et al., 2002). Microcine • Sono state classificate in due classi, in base alla presenza di modificazioni posttraduzionali nella molecola matura (Destoumieux-Garzon et al., 2002): – .Microcine non modificate (peptidi con peso molecolare minori di 5 KDa): MccE492, MccColV, MccL – Microcine modificate (peptidi con peso molecolare compreso 8-10 KDa): MccB17, MccC7, MccLJ25, tutte prodotte da ceppi di E. coli. PIOCINE • Le piocine sono batteriocine prodotte dal genere Pseudomonas. • Il 90% dei ceppi di P. aeruginosa produce almeno una piocina. • A differenza delle altre batteriocine prodotte dai Gram negativi sono codificate da geni cromosomiali, sempre presenti in clusters assieme anche ad un gene per l’immunità e ad un sistema per il rilascio della colicine mediante lisi. PIOCINE • L’espressione delle piocine è indotta da danni al DNA nella cellula produttrice, che sono in grado di attivare il sistema SOS. • Le piocine si suddividono in 3 sottotipi -R, F, Sognuno dei quali presenta conformazione tridimensionale e meccanismo d’azione caratteristici. • Mentre il tipo S agisce solo su ceppi di P. aeruginosa, i tipi R e F hanno uno spettro d’azione più ampio, che comprende altri batteri Gram negativi come Neisseria e Haemophilus (Gillor et al., 2005). Batteriocine prodotte da batteri Gram positivi: § Classe I § Classe II § Classe III § Classe IV Batteriocine prodotte dai batteri Gram positivi • Le batteriocine dei Gram positivi sono generalmente molecole cationiche, anfifiliche, di piccole dimensioni • Agiscono permeabilizzando la membrana citoplasmatica (Gillor et al., 2005; Papagianni, 2003) • Sono usualmente attive verso i Gram positivi e non hanno alcuna azione sui Gram negativi Classe I: i lantibiotici • Sono peptidi contenenti aminoacidi non tradizionali come la lantioina (da cui poi deriva il nome lantibiotici), la 6-metil lantioina, oltre a residui deidratati (Papagianni, 2003). • Resistono al trattamento termico (Kleerebenzem, 2004) • Solitamente sono codificati dal cromosoma batterico ma anche da elementi mobili (trasposoni o plasmidi) (Gillor et al., 2005) I lantibiotici • I lantibiotici presentano tutti un meccanismo di produzione simile. • Sono sintetizzati come peptidi precursori, costituiti da un caratteristico peptide leader Nterminale e un dominio C-terminale in cui specifici aminoacidi vengono modificati a livello post-traduzionale. I lantibiotici • Il peptide leader può avere numerose funzioni. – rendere la batteriocina inattiva durante il trasporto da ribosoma all’ambiente esterno; – facilitare l’iterazione con le proteine trasportatrici; – promuovere i legami con gli enzimi responsabili delle modificazioni posttraduzionali I lantibiotici • Il peptide precursore è codificato da un gene strutturale che fa parte anche in questo caso di un cluster genico solo parzialmente sovrapponibile a quello delle batteriocine codificate dai Gram negativi. • Sono infatti presenti ulteriori geni, come quelli per gli enzimi che modificano gli aminoacidi e tagliano il peptide leader mentre sono assenti quelli che determinano la lisi cellulare (Gillor et al., 2005). I lantibiotici • I lantibiotici vengono suddivisi in due gruppi, IA e IB, in base alle caratteristiche conformazionali e al meccanismo d’azione ( Papagianni, 2003). Lantibiotici tipo A • Il tipo A comprende molecole di 2-5 KDa, di forma allungata e flessibile, con amminoacidi carichi positivamente. • Esse agiscono inattivando la polarità della membrana batterica, comportandosi da detergenti (Brotz et al., 2000) e creando pori nella membrana (Diep et al., 2002) Lantibiotici tipo B • Il tipo B raggruppa peptidi di al massimo 2 KDa, di forma globulare. • Uccidono il batterio interferendo a vari livelli con reazioni biosintetiche specifiche, come la sintesi della parete batterica (blocco della reazione di transglicosilazione (Gillor et al., 2005, Brotz et al., 2000)). • Il risultato finale consisterebbe in un eccessivo assottigliamento della parete, facilitando la lisi cellulare (Brotz et al., 2000). • Ai lantibiotici appartengono le batteriocine nisina, lattacina 481, lattococcina S e carnacina U149. CLASSE II • Sono peptidi di piccole dimensioni (minori di 10 KDa), stabili a modesti trattamenti termici (e come tali vengono identificati come heat stable minimally modified bacteriocins). • Non contengono aminoacidi modificati. • Sono caratterizzate dalla presenza del motivi Gly-GlyX, • La membrana dei batteri Gram positivi sarebbe il bersaglio primario di tali batteriocine (Papagianni, 2003). CLASSE II • All’interno di questa classe è stata operata un’ulteriore suddivisione nelle sottoclassi ( Kleerebenzem, 2004; Papagianni, 2003): – IIA (pediocins-like bacteriocins): costituite da 36-40 aminoacidi, sono attive contro Listeria e sono caratterizzate dal motivo YGNGV. La regione Nterminale è ben conservata e anche in questo caso il trasporto si avvale della presenza di un peptide leader. Appartengono a questo sottogruppo la sakacina A e P, la leucocina A e la pediocina AcH/PA-1; – IIB: sono usualmente sistemi a due peptidi, che posseggono attività battericida solo grazie alla loro azione concomitante e assieme costituiscono la batteriocina attiva. Appartengono a questo sottogruppo la Lattococcina A, G, M e la lattacina F (Garneau et al., 2002); – IIC: necessitano di residui ridotti di Cys per la loro attività. La lattococcina B ne è un rappresentante. CLASSE II • Tuttavia la divisione delle batteriocine di classe II in questi sottogruppi non è più universalmente accettata perché un numero crescente di batteriocine non vi rientra. • A conferma di ciò è il fatto che alcune batteriocine possono rientrare contemporaneamente in più di una delle tre sottoclassi (Diep et al., 2002). CLASSE II • Alla classe II appartengono anche la lattococcina B e la curvacina A. • La classe II contiene batteriocine potenzialmente molto utili perché molte di esse hanno dimostrato di essere attive contro L. monocytogenes (O’Sullivan et al., 2002). CLASSE III • Sono proteine termosensibili di dimensioni maggiori di 30 KDa e perciò vengono definite large heat labile bacteriocins. • Rientrano in questa classe l’helveticina J, l’helveticina V -129, l’acidof ilina A e la lattacina A e B (Papagianni, 2003). CLASSE IV • Sono proteine complesse, associate a porzioni lipidiche o carboidratiche, indispensabili per la loro attività. • Appartengono a questa classe di batteriocine la plantericina S, la leucocina S, la lattacina 27 e la pediocina SJ-1. APPLICAZIONI DELLE BATTERIOCINE • L’uso indiscriminato degli antibiotici in ambito clinico, veterinario e agricolo ha avuto notevoli ripercussioni sull’attuale efficacia degli stessi antibiotici. • Si è infatti instaurato ed esteso il fenomeno dell’antibiotico -resistenza tra numerose specie batteriche, in particolare tra i ceppi patogeni, molti dei quali sono anche multi-resistenti. • Questa situazione ha stimolato la ricerca a esplorare settori innovativi per l’identificazione di nuovi antimicrobici ( Papagianni, 2003). Caratteristiche utili delle batteriocine • spettri d’azione estremamente specifici o molto estesi; • tossicità ed effetti collaterali ridotti per l’uomo e gli animali; • stabilità; • possibilità di applicare metodiche di ingegneria genetica per migliorarne la stabilità, aumentarne • la produzione, modificarne lo spettro d’azione o il ceppo produttore. APPLICAZIONI DELLE BATTERIOCINE • Lo studio, anche attraverso microarray (de Saizieu et al., 2000), dei genomi dei batteri produttori e la comprensione dei sistemi di regolazione delle atteriocine ha portato all’identificazione di nuove molecole antimicrobiche e di altri ceppi in grado di produrle (Nes et al., 2004) • Per molte batteriocine sono state proposte applicazioni in clinica, in veterinaria e in agricoltura ma soprattutto nel settore alimentare per la conservazione degli alimenti (aumento della durabilità) e per il miglioramento della qualità e delle tecnologie produttive in particolare dei formaggi. Ricerca applicata alle batteriocine • Oltre alla scelta delle batteriocine più efficaci e appropriate, la ricerca si è interessata anche allo – sviluppo di metodi in grado di produrre e purificare elevate quantità di tali antimicrobici. • Le fermentazioni in continuo con riciclo di cellule e con cellule immobilizzate sono risultate molto più adatte a raggiungere questo scopo rispetto alle tradizionali fermentazioni in batch (Parente et al., 1999) Ricerca applicata alle batteriocine • Sono stati altresì sviluppati metodi di purificazione semplici basati sull’adsorbimento delle batteriocine su composti in resina • Questi, assieme alle tecnologie innovative di fermentazione, possono costituire processi integrati per l’ottenimento rapido di elevate quantità di batteriocine (Parente et al., 1999). In campo farmaceutico-clinico: • Epidermina e gallidermina per il trattamento dell’acne giovanile perché efficaci contr o il Propionibacterium acnei (Allgaier et al., 1986; Kellner et al., 1988); • lanthiopeptina per il trattamento di infezioni da Herpes simplex virus, data la sua attività antivirale (Naruse et al., 1989); • mersacidina, prodotta dal Bacillus subtilis (Stein, 2005), con meccanismo d’azione sovrapponibile a quello dell’antibiotico vancomicina, e lattacina 3147 ( Guiane et al., 2005) per l’inibizione della crescita dei ceppi di Staphylococcus meticillina-resistenti (Bierbaum et al., 1995); • microcina E294 come farmaco attivo contro i tumori perché in grado di indurre i cambiamenti biochimici e morfologici dell’apoptosi nelle cellule eucarioti ( Hetz et al., 2002); In campo farmaceutico-clinico: • ancovenina come anti-ipertensivo perché dimostratasi un inibitore naturale dell’angiotensina 1 (Kido et al., 1983); • duramicina come anti-allergico perché in grado di inibire l’enzima fosfatasi A2, responsabile della produzione di prostaglandine e leucotrieni, importanti mediatori dell’infiammazione ( Marki et al., 1991); • microcina B17 utilizzabile come alternativa ai chinoloni perché in grado di agire inibendo l’attività della topoisomerasi II batterica ( Yorgey et al., 1994). In campo veterinario: • La lattacina 3147 è una batteriocina costituita da due componenti e rientra nella categoria delle batteriocine ad ampio spettro d’azione. • È codificata da un plasmide coniugativo contenuto nel L. lactis subsp. lactis (Guiane et al., 2005). • È stata impiegata nel trattamento delle mastiti causate da Staphylococcus spp. • In questo caso la terapia con antibiotici verrebbe sostituita da quella con batteriocine, evitando il problema della presenza di residui di antibiotici nel latte e della selezione di ceppi resistenti nei soggetti che lo bevono (Ryan et al., 1999; Garneau et al., 2002); Nel settore alimentare: prevenzione e controllo delle zoonosi alimentari • Colicine E1, E4, E7, E8, K54 e le microcine J25 e J24 inibiscono la crescita di E. coli O157:H7 (Jordi et al., 2001). • Questo batterio ha come reservoir i ruminanti. • L’utilizzo di antibiotici come strategia di controllo dell’infezione da O157 si è dimostrata inefficace perché aumenta la produzione delle tossine Shiga e la virulenza del batterio. Nel settore alimentare: prevenzione e controllo delle zoonosi alimentari • La somministrazione orale di batteri produttori di tali microcine e colicine in vacche positive per O157 a livello intestinale risulta efficace (Doyle et al., 1999). • Le colicine E e B invece sono già state applicate per la prevenzione e il controllo di ceppi patogeni di E. coli nei maialini neonati. • Lamicrocina J25 invece ha manifestato attività antimicrobica contro i serovar typhimurium e enteritidis di Salmonella (Portrait et al., 1999). • Per ridurre la presenza di C. botulinum nel pesce confezionato sottovuoto sono stati inseriti prima del confezionamento ceppi vitali di Carnobacterium divergens in grado di produrre batteriocine attive contro il patogeno in questione. La popolazione di C. botulinum è stata controllata senza modificare la qualità finale del prodotto (O’Sullivan et al., 2002). Nel settore alimentare: le batteriocine come conservanti naturali • Le batteriocine prodotte dai batteri LAB hanno ricevuto un’attenzione particolare in questo ultimo periodo per l’effettiva possibilità di utilizzarle come conservanti. • Questo fenomeno riflette un nuovo atteggiamento dei consumatori, che richiedono non solo cibi privi di potenziali patogeni alimentari ma contenenti la minor quantità possibile di additivi chimici e poco elaborati, a garanzia della freschezza dell’alimento stesso ( Nes et al., 2004, O’Sullivan et al., 2002). • I medesimi consumatori considerano positivamente ’introduzione di batteri LAB nei prodotti alimentari perché ritenuti naturali e probiotici. Batteriocine come conservanti naturali • Le batteriocine più impiegate in questo campo sono la nisina e l’enterocina, entrambe impiegate nei formaggi per il controllo della crescita di Listeria monocytogenes (Papagianni, 2003) in vari prodotti come la carne, il petto di pollo, il prosciutto. • La lattacina 3147 è invece attiva contro i Clostridi (Guiane et al., 2005) e può essere utilizzata per proteggere vari tipi di formaggi, yogurt e zuppe ricostituite da L. monocytogenes e da B. cereus (Papagianni, 2003, Guiane et al., 2005) • E’ stata applicata anche alle confezioni alimentari (Morgan et al., 2001, Scannell et al., 2000b) e per aumentare la durabilità del latte pasteurizzato (Ross Paul et al., 2002). Nell’applicare le batteriocine come conservanti o nell’introdurre negli alimenti i ceppi batterici produttori bisogna fare attenzione all’eventualità che l’introduzione di questi sistemi innovativi non modifichi le qualità organolettiche dell’alimento stesso ( O’Sullivan et al ., 2002). Nel settore alimentare: le batteriocine per il miglioramento della qualità degli alimenti • Rispetto alle applicazioni precedenti la letteratura scientifica a disposizione è limitata. • Nonostante ciò, le batteriocine possono essere applicate per migliorare le proprietà degli alimenti generalmente in due modi (O’Sullivan et al ., 2002): – utilizzare batteri LAB produttori di batteriocine per controllare la popolazione microbica indesiderata -tra cui gli NSLAB-o per aumentare l’entità della lisi cellulare – per velocizzare la reazione di proteolisi nei formaggi (in questo caso le batteriocine funzionerebbero come agente proteolitico) (O’Sullivan et al ., 2002). • a | Food quality. A cheese made with a commercial starter culture (Bac-) will develop an undefined flora called non-starter lactic acid bacteria (typified by different fingerprints generated by random amplified polymorphic DNA patterns). However, a cheese inoculated with the same commercial strain that can produce a bacteriocin (Bac+) (lacticin 3147, in this example) and a resistant adjunct strain of Lactobacillus, chosen for a flavour attribute, will develop a single defined culture once the starter culture has died off, offering the cheese manufacturer control over previously adventitious flora development. . b | Food safety. A simple example of the role of bacteriocins in food safety is the production of cottage cheese with a starter culture that produces a bacteriocin with activity against Listeria monocytogenes, which results in a cheese that is inherently antiListeria. c | Veterinary medicine. A teat seal is a physical barrier against infection. Here, a bacteriocin was incorporated into the teat seal and the teat was challenged with Staphylococcus aureus. The number of staphylococci recovered from 14 teats with or without bacteriocin is shown. d | Human medicine. A Streptococcus mutans strain that cannot produce acid, but that produces the lantibiotic mutacin (shown), can competitively exclude acidogenic S. mutans, thereby offering protection against tooth decay. Argomenti di approfondimento • INGEGNERIA GENETICA APPLICATA ALLE BATTERIOCINE • MECCANISMI DI RESISTENZA ALLE BATTERIOCINE • NISINA Infezioni e intossicazioni alimentari • Le infezioni sono causate dall’ingestione di patogeni contenuti in un alimento contaminato • Le intossicazioni alimentari sono causate dall’ingestione di tossine preformate negli alimenti TERMINOLOGIA • Le infezioni alimentari sopravvengono in seguito al consumo di alimenti contenenti microrganismi vivi che, una volta raggiunto l’intestino si moltiplicano (infezione enteroinvasiva) e possono o meno produrre delle tossine (infezione enterotossica) • Le intossicazioni alimentari sono manifestazioni patologiche che si determinano in seguito al consumo di alimenti contenenti tossine prodotte da microrganismi che si sono moltiplicati sull’alimento precedentemente al suo consumo. Perché si manifesti l’intossicazione pertanto non obbligatoriamente ci deve essere il microrganismo, bensì è indispensabile la presenza della sua tossina • Esistono poi le cosiddette tossinfezioni alimentari in sensu strictu determinate dal consumo di alimenti contenenti sia tossine che batteri. In questo caso la tossicità è data sia dalle tossine preformate sia da quelle prodotte da cellule vive ingerite con l’alimento all’interno dell’ospite. Infezioni alimentari http://vm.cfsan.fda.gov/~mow/foodb orn.html Infezioni alimentari Le infezioni alimentari sopravvengono in seguito al consumo di alimenti contenenti microrganismi vivi che, una volta raggiunto l’intestino si moltiplicano (infezione enteroinvasiva) e possono o meno produrre delle tossine (infezione enterotossica) Numerosi sono i microrganismi responsabili di infezioni: accanto a forme la cui patogenicità è da sempre conosciuta, sono da ricordare i cosidetti patogeni emergenti che possono diventare pericolosi in particolari condizioni (organismo debilitato, ecc.). Le infezioni alimentari più note sono: • • • • • • • • Salmonellosi Shigellosi Gastroenteriti varie provocate da: E. coli, Yersinia enterocolitica, Campylobacter, Plesiomonas shigelloides Infezioni da Aeromonas hydrophyla Infezioni da Vibrio spp. Listeriosi Brucellosi Gastroenteriti da enterococchi (streptococchi fecali) Intossicazioni alimentari Le intossicazioni alimentari sono manifestazioni patologiche che si determinano in seguito al consumo di alimenti contenenti tossine prodotte da microrganismi che si sono moltiplicati nell’alimento precedentemente al suo consumo. Perché si manifesti l’intossicazione pertanto non obbligatoriamente ci deve essere il microrganismo, ma è indispensabile la presenza della sua tossina Le sole e vere intossicazioni alimentari di origine batterica sono: • Intossicazione botulinica o botulismo • Intossicazione stafilococcica Tossinfezioni alimentari in sensu strictu Esistono poi le cosiddette tossinfezioni alimentari in sensu strictu determinate dal consumo di alimenti contenenti sia tossine che batteri. In questo caso la tossicità è data sia dalle tossine preformate sia da quelle prodotte da cellule vive ingerite con l’alimento all’interno dell’ospite. Sono tossinfezioni alimentari le sindrome tossiche provocate da: • Bacillus cereus • Clostridium perfringens Gli agenti più frequenti Parassiti, batteri, virus, funghi, prioni I batteri sono gli agenti più frequenti • Salmonella (in Italia circa 10000 identificazioni ogni anno) • Staphylococcus • Clostridium • Campylobacter • Escherichia coli • Shigella • Yersinia • Vibrioni • Listeria Tra i virus: rotavirus, enterovirus, epatite A I patogeni emergenti Tra i batteri: • Campylobacter jejuni • Campylobacter fetus • Escherichia coli produttori di verocitotossina (VTEC) associati a patologia nell’uomo solo nel 1982 • Lesteria monocytogenes • Salmonella typhimurium DT 104 Tra i virus: i virus di Norwalk, il virus Nipah I prioni Tra i parassiti: Cryptosporidium parvum, Cyclospora cayetanensis I patogeni emergenti II • L’incidenza delle tossinfezioni alimentari causate da questi agenti è in costante aumento – Miglioramento delle tecniche diagnostiche – Ampia applicazione dei metodi epidemiologici – Modificazioni sociali dell’ultimo secolo (crescita della popolazione mondiale; migrazioni; faciltà di spostamenti) – Uso allargato ed irresponsabile degli antibiotici – Pazienti immunodepressi (tumori, diabete, AIDS, trapianti) – Metodologie di produzione e distribuzione degli alimenti – Metodiche utilizzate negli allevamenti di animali (uso di antibiotici) I patogeni emergenti III • Vie di trasmissione e sorgenti di infezione spesso INUSUALI • Uno degli aspetti importanti di questo gruppo di infezioni è la loro relazione con l’ambiente animale • Il serbatoio naturale di diversi microrganismi è costituito da animali che non manifestano necessariamente la malattia • Questo fattore rende DIFFICILE il controllo e la prevenzione di tali infezioni E.Coli O157:H7 • Colite emorragica o sindrome emolitico-uremica • Epidemia di grandi dimensioni verificatasi negli USA e associata agli hamburger distribuiti in una catena di fast-food non opportunamente cotti • Il serbatoio NATURALE principale di questi patogeni sono i BOVINI che ospitano questo ceppo SENZA presentare alcun sintomo • Carne bovina e prodotti derivati sono la principale fonte di contaminazione ma: acqua, vegetali, trasmissione da persona a persona sono state descritte come fonti di contaminazione DIAGNOSI NELLE INFEZIONI ALIMENTARI Sui campioni prelevati dal paziente Sui campioni prelevati dalle possibili fonti di contaminazione (alimento e/o ambiente) RETI INTERNAZIONALI • Le reti di sorveglianza internazionali sono essenziali allo scopo di riconoscere e limitare episodi dispersi su grandi aree • FOOD-NET: è un sistema di sorveglianza-sentinella attivo che ha lo scopo di descrivere l’epidemiologia di malattie, trasmesse attraverso gli alimenti, nuove o emergenti sul territorio degli USA, di determinarne la frequenza e la gravità e di stabilire il rischio associato all’esposizione a diversi alimenti • ENTER-NET è invece un sistema di sorveglianza internazionale che copre gran parte dei Paesi europei. E’ basato sui laboratori di Microbiologia e rivolto alla sorveglianza delle infezioni da Salmonella e E.coli O157 http://www.simi.iss.it/Enternet/index.asp FONTI DI INFORMAZIONE IN ITALIA • I dati disponibili in Italia derivano dal sistema di notifica obbligatorio per i casi di malattie infettive (D.M. del 1991) che richiede una segnalazione individuale per ogni caso diagnosticato di alcune malattie in cui l’acquisizione da alimenti è più frequente (brucellosi, febbre tifoide, salmonellosi, epatite virale A) e una segnalazione per i focolai epidemici • I dati vengono analizzati dal Ministero della Sanità che li pubblica nel volume “Bollettino Epidemiologico” disaggregati per regioni. I dati individuali sono anche disaggregati per classi standard di età • I dati sono disponibili nel sito http://www.ministerosalute.it/promozione/malattie/bolletti no.jsp ALTRE FONTI INFORMATIVE • Un’ulteriore fonte informative è l’Istituto Superiore di Sanità al sito www.simi.iss.it • Esiste inoltre il sistema di segnalazione degli isolamenti di Salmonella che fa capo al sistema ENTERNET. I dati raccolti in Italia che poi confluiscono nella banca dati internazionale sono consultabili grazie all’ISS e consentono di monitorare la diffusione dei ceppi più comuni, o identificare l’emergenza di quelli più rari: http://www.simi.iss.it/Enternet/dati1_s.asp • Infine il centro di collaborazione dell’OMS di Berlino riporta le casistiche delle malattie da alimenti segnalate dai vari paesi e la distribuzione relativa dei veicoli di trasmissione identificati FREQUENZA DI ALCUNE MALATTIE VEICOLATE DA ALIMENTI IN ITALIA • L’Italia è il Paese dell’Unione Europea con il numero più elevato di casi di Botulismo, molti dei quali si verificano nelle regioni del Sud • La frequenza della febbre tifoide è diminuita progressivamente • In controtendenza sono tutte le altre salmonellosi per le quali si è assistito ad un notevole aumento di frequenza soprattutto negli anni ’90 (S. enteritidis veicolata da pollame e uova) • Anche l’epatite A presenta un andamento caratterizzato da flessioni e ampi incrementi di dimensioni epidemiche. L’ultimo picco riportato a livello nazionale è quasi totalmente attribuibile ad un’estesa epidemia che in Puglia si è protratta per circa due anni (1996-1997)