Definitie
Bacillus subtilis, hooibacil, of grasbacil, was een van de eerste Gram-positieve bacteriën die werden bestudeerd. Het is een aëroob, staafvormig sporenvormend micro-organisme dat zich kan verspreiden in extreme koude, hitte en zelfs gedesinfecteerde omgevingen. Via de bodem komt het in het maagdarmkanaal van dieren en mensen terecht. Er bestaan meer dan 200 Bacillus-soorten; de meeste veroorzaken geen ziekte. Niet-pathogene vormen worden vaak gebruikt in de biotechnologiesector, waaronder Bacillus subtilis.
Bacillus Subtilis Morphology
Bacillus subtilis morfologie beschrijft staafvormige, Gram-positieve bacteriën die te zien zijn op zowel positieve als negatieve Gram-kleuringstechnieken. Een bacteriële staaf is een symmetrische cilinder met afgeronde uiteinden. Een aanzienlijk drukverschil over het cytoplasmamembraan duwt de celwand in een specifieke vorm.
Bacillus subtilis-bacteriën hebben stijve celwanden die bestaan uit een dik peptidoglycan (suiker- en aminozuurmolecuul) dat mureïne wordt genoemd. Deze stijfheid helpt om de staafvorm van de cel te behouden en is bestand tegen hoge intracellulaire druk. Op de afbeelding hieronder is te zien hoe Gram-positieve bacteriën een veel dikkere peptidoglycaanlaag hebben (in paars).
B. subtilis bevat slechts één dubbelstrengs DNA-molecuul dat in een cirkelvormig chromosoom zit. Een cirkelvormig chromosoom is typerend voor bacteriën, mitochondriën en chloroplasten van planten. Onlangs ontdekte filament-vormende eiwitten lopen langs de lange as van staafvormige cellen en duwen origineel en gerepliceerd DNA naar elk uiteinde tijdens de celdeling. De staafvorm helpt bacteriën ook bij het glijden of bewegen door waterige omgevingen en zorgt voor regelmatige bouwsteenvormen die de vorming van biofilms vergemakkelijken.
Bacteriegroepen kunnen worden gecategoriseerd volgens specifieke rangschikkingen. Een rangschikking is een microbiologische term die verwijst naar soortspecifieke bacteriegemeenschappen. Een rangschikking kan bijvoorbeeld bestaan uit twee (diplo) bacteriën, ketens (strepto), of palissaden (clusters van links naar rechts). B. subtilis is het vaakst enkelvoudig in rangschikking.
De Gram-beits, genoemd naar de ontwikkelaar Hans Christian Gram, is een methode voor morfologische identificatie. Bij Gram-positieve bacteriestammen wordt het peptidoglycaan in de celwand paarsblauw wanneer het met kristalviolet wordt gekleurd. Deze reactie treedt ook op bij Gram-negatieve bacteriën; door het aanzienlijk lagere peptidoglycaangehalte blijven celmonsters echter niet paars wanneer een roze tegenkleuring (safranine) wordt toegevoegd.
Gram-positieve bacillen zijn staafvormige, sporenproducerende soorten die gedurende lange perioden in extreem barre omstandigheden kunnen overleven. Dit komt doordat deze bacteriën (waaronder B. subtilis ) onder stress veranderen in sporen en in een slapende toestand komen. Een kolonie Bacillus subtilis overleefde zes jaar lang aan de buitenkant van een NASA-satelliet.
De koloniemorfologie van B. subtilis verwijst naar hoe deze in grote hoeveelheden verschijnt. Als groep wordt deze bacterie waargenomen als grillige vertakkingen van ondoorzichtig wit of lichtgeel pluis.
Bacillus Subtilis Gebruiken
Het gebruik van B. subtilis omvat onderzoek en gedeeltelijk bewezen opname in voedingssupplementen. Laboratoria gebruiken B. subtilis bij het bestuderen en vinden van nieuwe behandelingen voor infecties. De bacterie wordt ook gebruikt in de gezondheids- en cateringsector, met name bij het testen hoe schoon bepaalde werkoppervlakken en materialen zijn. Bacillus subtilis staat ook vermeld op het etiket van veel probiotica.
Het interessantste van de mogelijke toepassingen van deze bacterie is echter het gebruik als alternatief voor antimicrobiële geneesmiddelen. Nu antibioticaresistentie toeneemt, krijgen nieuwe therapieën voor bacteriële infecties veel aandacht. Het vermogen van B. subtilis om bacteriocinen te produceren – peptiden die antimicrobiële activiteit bezitten – maakt hem tot een potentiële behandeling tegen bacteriële infectie.
Bacteriocinen zijn bestand tegen grote temperatuurschommelingen en vertragen de groei van of vernietigen zelfs kolonies van andere soorten bacteriën. Deze tekst vertelt ons dat tot 5% van het B. subtilis-genoom is gewijd aan de productie van antimicrobiële verbindingen (AMC’s). Dit geeft onderzoekers veel materiaal om mee te werken in de race om een bacteriocide te produceren waartegen pathogene bacteriën niet resistent worden.
Bacteriocines van B. subtilis omvatten het lanthionine-bevattende peptide-antibioticum (lantibiotic peptide) genaamd subtiline en een antibioticum genaamd subtilosine. Subtilosine heeft bewezen antimicrobiële activiteit tegen Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën, alsmede anaërobe en aërobe micro-organismen. Het is vooral werkzaam tegen Enterococcus faecalis, Enterobacter aerogenes, Streptococcus pyogenes, en Shigella sonnei. Subtiline werkt meestal doeltreffender tegen Gram-negatieve bacteriën en schimmels. Beide vereisen de aanwezigheid van een zink-cofactor om effectief te zijn.
Bacillus subtilis bacteriocinen kunnen een veel breder scala van potentieel ziekteverwekkende bacteriën beïnvloeden dan de bacteriocinen van andere, meer algemeen gebruikte bacteriën zoals Lactobacillus. Wetenschappers hebben met succes bacteriocines van Bacillus subtilis gebruikt om diabetische voetzweren te behandelen. Terwijl het huidige onderzoek naar intraveneuze, intranasale, intraperitoneale en subcutane bacteriocinemedicijnen zich nog in de testfase bevindt, zijn deze intracellulaire antibacteriële middelen al in de schappen van de supermarkt terechtgekomen in de vorm van B. subtilis-bevattende probiotische drankjes of pillen.
TProbiotische voedingssupplementen zijn goedkoop te produceren en hoeven niet te worden gekoeld wanneer ze in de vorm van sporen worden verpakt. Eenmaal in de darm worden deze sporen actief en koloniseren ze. Aangezien de biofilms van Bacillus subtilis in de darmen van wormen de levensduur van de worm lijken te verlengen, hopen veel menselijke gebruikers op hetzelfde effect.
Een ander gebruik van B. subtilis is bij de behandeling van afvalwater. De pH van afvalwater moet worden genormaliseerd, het chemisch zuurstofverbruik (CZV) en de totale concentraties van zwevende deeltjes (TSS) moeten worden verlaagd, en het water moet vrij zijn van overtollig chloride. In het laboratorium waren natuurlijk voorkomende B. subtilis-enzymen in staat de pH te normaliseren, de COD met meer dan 87% te verlagen, de TSS met meer dan 90% te verlagen en bijna 50% van het chloride te verwijderen. Deze resultaten hebben bijgedragen tot nieuwe biologische afbraaktechnieken voor rioolwater en afvalwaterzuivering, en hielpen bij de ontwikkeling van een proces dat bekend staat als bioaugmentatie.
Bacillus subtilis kan ook polyethyleen (plastic polymeren) afbreken. B. subtilis en enkele andere bacteriesoorten zijn in staat polyethyleen te gebruiken als hun enige koolstof(energie)bron. Terwijl deze bacteriën koolstof onttrekken en warmte produceren, worden de plastic polymeren langzaam afgebroken.
Zonder de steun van synthetische chemicaliën is B. subtilis niet de snelste stam – hij vermindert het drooggewicht van plastic met ongeveer 1,75% over een periode van 30 dagen. Echter, wanneer gekoppeld aan een andere bacterie genaamd Pseudomonas aeruginosa presteren beide soorten bacteriën efficiënter.
De toekomst biedt wellicht een oplossing voor microplastics in de vorm van specifieke bacteriecombinaties waarbij, net zoals we cytotoxische geneesmiddelen combineren om specifieke vormen van kanker te bestrijden, plastic-verterende combinaties kunnen worden gebruikt om verschillende soorten polyethyleen af te breken.
