Definition
Bacillus subtilis, Heubazillus oder Grasbazillus war eines der ersten grampositiven Bakterien, die untersucht wurden. Er ist ein aerober, stäbchenförmiger, sporenbildender Mikroorganismus, der sich in extremer Kälte, Hitze und sogar in desinfizierter Umgebung ausbreiten kann. Er gelangt über den Boden in den Magen-Darm-Trakt von Tieren und Menschen. Es gibt mehr als 200 Bacillus-Arten, von denen die meisten keine Krankheiten verursachen. Nicht-pathogene Formen werden häufig in der Biotechnologie verwendet, darunter Bacillus subtilis.
Bacillus Subtilis Morphologie
Die Morphologie von Bacillus subtilis beschreibt stäbchenförmige, Gram-positive Bakterien, die sowohl bei positiven als auch bei negativen Gram-Färbetechniken sichtbar werden. Ein Bakterienstäbchen ist ein symmetrischer Zylinder mit abgerundeten Enden. Ein signifikanter Druckunterschied über die Zytoplasmamembran drückt die Zellwand in eine bestimmte Form.
Bacillus subtilis Bakterien haben starre Zellwände, die aus einem dicken Peptidoglykan (Zucker- und Aminosäuremolekül) namens Murein bestehen. Diese Steifheit trägt dazu bei, die Stäbchenform der Zelle aufrechtzuerhalten, und kann einem hohen intrazellulären Druck standhalten. Das Bild unten zeigt, dass Gram-positive Bakterien eine viel dickere Peptidoglykanschicht haben (in lila).
B. subtilis enthält nur ein doppelsträngiges DNA-Molekül in einem zirkulären Chromosom. Ein zirkuläres Chromosom ist typisch für Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten von Pflanzen. Kürzlich entdeckte filamentbildende Proteine verlaufen entlang der längeren Achse der stäbchenförmigen Zellen und schieben die ursprüngliche und replizierte DNA während der Zellteilung an die beiden Enden. Die Stäbchenform hilft Bakterien auch, durch wässrige Umgebungen zu gleiten oder sich zu bewegen, und bietet regelmäßige Bausteinformen, die die Bildung von Biofilmen erleichtern.
Bakteriengruppen können nach bestimmten Anordnungen kategorisiert werden. Eine Anordnung ist ein mikrobiologischer Begriff, der sich auf artspezifische Bakteriengemeinschaften bezieht. Eine Anordnung kann z.B. aus zwei Bakterien (Diplo), Ketten (Strepto) oder Palisaden (Seite-an-Seite-Haufen) bestehen. B. subtilis ist am häufigsten singulär angeordnet.
Die Gram-Färbung, benannt nach ihrem Entwickler Hans Christian Gram, ist eine Methode zur morphologischen Identifizierung. Bei Gram-positiven Bakterienstämmen färbt sich das Peptidoglykan in der Zellwand bei der Färbung mit Kristallviolett purpurblau. Diese Reaktion tritt auch bei Gram-negativen Bakterien auf; aufgrund des wesentlich geringeren Peptidoglycan-Gehalts bleiben die Zellproben jedoch nicht violett, wenn eine rosafarbene Gegenfärbung (Safranin) hinzugefügt wird.
Gram-positive Bazillen sind stäbchenförmige, sporenbildende Arten, die in extrem rauen Umgebungen über lange Zeiträume überleben können. Das liegt daran, dass sich diese Bakterien (einschließlich B. subtilis ) unter Stress in Sporen verwandeln und in einen Ruhezustand übergehen. Eine Kolonie von Bacillus subtilis überlebte sechs Jahre lang auf der Außenseite eines NASA-Satelliten.
Die Koloniemorphologie von B. subtilis bezieht sich darauf, wie sie in großen Mengen erscheint. Als Gruppe wird dieses Bakterium als gezackte Zweige mit undurchsichtigem weißem oder blassgelbem Flaum beobachtet.
Bacillus Subtilis Verwendung
Die Verwendung von B. subtilis umfasst Forschung und die teilweise nachgewiesene Aufnahme in Nahrungsergänzungsmittel. Labors verwenden B. subtilis bei der Erforschung und Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Infektionen. Das Bakterium wird auch im Gesundheitswesen und im Gaststättengewerbe verwendet, insbesondere bei der Prüfung der Sauberkeit bestimmter Arbeitsflächen und Materialien. Bacillus subtilis ist auch auf dem Etikett vieler Probiotika aufgeführt.
Das interessanteste Einsatzgebiet dieses Bakteriums ist jedoch die Verwendung als Alternative zu antimikrobiellen Medikamenten. Angesichts der zunehmenden Antibiotikaresistenz wird neuen Therapien für bakterielle Infektionen große Aufmerksamkeit geschenkt. Die Fähigkeit von B. subtilis, Bacteriocine – Peptide mit antimikrobieller Wirkung – zu produzieren, macht es zu einem potenziellen Mittel gegen bakterielle Infektionen.
Bacteriocine können großen Temperaturschwankungen widerstehen und das Wachstum von Kolonien anderer Bakterienarten verlangsamen oder sogar zerstören. Aus diesem Text geht hervor, dass bis zu 5 % des Genoms von B. subtilis für die Produktion von antimikrobiellen Verbindungen (AMCs) bestimmt sind. Dies gibt den Forschern eine Menge Material an die Hand, mit dem sie arbeiten können, um ein Bakteriozid herzustellen, gegen das pathogene Bakterien nicht resistent werden.
Zu den Bakteriozinen aus B. subtilis gehören das lanthioninhaltige Peptidantibiotikum (lantibiotisches Peptid) namens Subtilin und ein Antibiotikum namens Subtilosin. Subtilosin hat eine nachgewiesene antimikrobielle Aktivität gegen Gram-negative und Gram-positive Bakterien sowie anaerobe und aerobe Mikroorganismen. Besonders wirksam ist es gegen Enterococcus faecalis, Enterobacter aerogenes, Streptococcus pyogenes und Shigella sonnei. Subtilin wirkt tendenziell effektiver gegen gramnegative Bakterien und Pilze. Beide erfordern das Vorhandensein eines Zink-Cofaktors, um wirksam zu sein.
Bacillus subtilis Bakteriozine können ein viel breiteres Spektrum an potenziell pathogenen Bakterien beeinflussen als die Bakteriozine anderer, häufiger verwendeter Bakterien wie Lactobacillus. Wissenschaftler haben Bacillus subtilis-Bakteriozine erfolgreich zur Behandlung von diabetischen Fußgeschwüren eingesetzt. Während sich die aktuelle Forschung zu intravenösen, intranasalen, intraperitonealen und subkutanen Bakteriozin-Medikamenten noch in der Testphase befindet, sind diese intrazellulären antibakteriellen Wirkstoffe bereits in Form von B. subtilis-haltigen probiotischen Getränken oder Pillen in den Supermarktregalen zu finden.
TProbiotische Nahrungsergänzungsmittel sind billig in der Herstellung und müssen nicht gekühlt werden, wenn sie in Form von Sporen verpackt sind. Einmal im Darm angekommen, werden diese Sporen aktiv und siedeln sich an. Da Bacillus subtilis-Biofilme im Wurmdarm die Lebensdauer des Wurms zu verlängern scheinen, erhoffen sich viele Anwender beim Menschen den gleichen Effekt.
Eine weitere Verwendung von B. subtilis ist die Abwasserbehandlung. Der pH-Wert des Abwassers muss normalisiert werden, der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) und die Gesamtkonzentration an Schwebstoffen (TSS) müssen gesenkt werden, und es darf kein überschüssiges Chlorid enthalten. Im Labor waren natürlich vorkommende B. subtilis-Enzyme in der Lage, den pH-Wert zu normalisieren, den CSB-Wert um über 87 % zu senken, den TSS-Wert um über 90 % zu reduzieren und fast 50 % des Chlorids zu entfernen. Diese Ergebnisse haben zu neuen biologischen Abbautechniken für die Abwasserbehandlung beigetragen und zur Entwicklung eines als Bioaugmentation bekannten Verfahrens beigetragen.
Bacillus subtilis kann auch Polyethylen (Kunststoffpolymere) abbauen. B. subtilis und einige andere Bakterienarten sind in der Lage, Polyethylen als einzige Kohlenstoff- (Energie-) Quelle zu nutzen. Da diese Bakterien Kohlenstoff extrahieren und Wärme produzieren, werden die Kunststoffpolymere langsam abgebaut.
Ohne die Unterstützung durch synthetische Chemikalien ist B. subtilis nicht der schnellste Stamm – er reduziert das Trockengewicht des Kunststoffs um etwa 1,75 % über einen Zeitraum von 30 Tagen. In Kombination mit einem anderen Bakterium namens Pseudomonas aeruginosa sind beide Bakterientypen jedoch effizienter.
Die Zukunft könnte eine Lösung für Mikroplastik in Form spezifischer Bakterienkombinationen bieten, bei denen, ähnlich wie wir zytotoxische Medikamente zur Bekämpfung bestimmter Krebsarten kombinieren, kunststoffverdauende Kombinationen zum Abbau verschiedener Arten von Polyethylen verwendet werden können.
