Jakie są molekularne adaptacje bakterii do środowiska fermentacji roślinnej? Zagadnienie przybliżają nam naukowcy z Wydziału Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie w kolejnym artykule z cyklu „Poznaj świat nauk o żywności”.

Jednym z fascynujących obszarów, na którym bakterie odgrywają kluczową rolę, jest proces fermentacji roślinnych produktów spożywczych. Proces fermentacji oraz korzyści, które z niego wynikają, są powszechnie znane. Jednak to, co rzadko dostaje należną uwagę, to sposób, w jaki środowisko fermentacji wpływa na samą strukturę genetyczną bakterii. W niniejszym artykule opiszemy przykłady molekularnych adaptacji bakterii do środowiska fermentacji roślinnej. 

Początkowym wyzwaniem w procesie fermentacji produktów pochodzenia roślinnego jest niewielka ilość bakterii kwasu mlekowego, które występują naturalnie na powierzchni owoców i warzyw. Dominującymi mikroorganizmami występującymi na powierzchni owoców, warzyw i zbóż są bakterie Gram-ujemne, drożdże i pleśnie. Kluczowe jest stworzenie odpowiednich warunków wspierających rozwój bakterii kwasu mlekowego, takich jak odsunięcie od dostępu tlenu, dostosowana wilgotność, właściwe stężenie soli oraz umiarkowana temperatura. W tym samym czasie, pozostałe mikroorganizmy są kontrolowane poprzez dodatek soli na początku procesu fermentacji oraz poprzez wydzielanie kwasów organicznych przez bakterie kwasu mlekowego. Współzawodnictwo i współdziałanie tych mikroorganizmów decydują o finalnym profilu smakowym i jakości produktu, ukazując fascynujące zmiany w dynamice populacji mikroorganizmów, które przekształcają surowe owoce i warzywa w wyjątkową żywność fermentowaną.

Wszystkie te cechy oraz wiele innych są zapisywane w genomach bakterii kwasu mlekowego, gdzie jesteśmy w stanie wyróżnić specyficzne zmiany. LAB zmieniają swoje genomy, aby dostosować się do środowisk bogatych w składniki odżywcze, zwłaszcza w przypadku fermentowanych produktów spożywczych. W odpowiedzi na sygnały zewnętrzne, bakterie kwasu mlekowego obniżają ekspresję genów związanych z centralnym metabolizmem, jednocześnie aktywując alternatywne szlaki i transport metabolitów. W mniejszym stopniu bakterie kwasu mlekowego wykorzystują geny, które są generalnie przypisane do reakcji na stres. LAB znane są z plastyczności swoich genomów, tracą i/lub nabywają nowe geny, aby dostosować się do konkretnych nisz. Analiza dostępnych genomów LAB sugeruje, że większość utraconych genów jest wynikiem przystosowania się bakterii do środowisk bogatych w składniki odżywcze. Reakcja ewolucyjna na specyficzne warunki środowiska, poskutkowała znaczną redukcją ich genomów. Podczas gdy, referencyjny szczep Escherichia coli K-12 ma rozmiar genomu wynoszący 4,6 milionów par zasad, to statystyczna bakteria kwasu mlekowego posiada znacznie mniej informacji genetycznej w zasobie 2,5 miliona par zasad. 

Wydaje się, że pożądany efekt końcowy, czyli zachowany produkt roślinny, jest wynikiem serii adaptacji mikroorganizmów, by zdobyć konkretną niszę surowego materiału roślinnego. Podstawą metabolizmu LAB jest ich zdolność do szybkiego wykorzystywania dostępnych składników odżywczych roślinnych. Różnorodność ekosystemów warzywnych i owocowych spowodowała ewolucyjne związanie mikroorganizmu ze środowiskiem życia. Poprzez utratę i/lub nabycie nowych genów, bakterie kwasu mlekowego przystosowały się do wielu związków obecnych w ich niszach. Środowiska te dostarczają czynników stymulujących wzrost i niezbędnych węglowodanów, ale tworzą też warunki hamujące wzrost bakterii, np. obecność związków fenolowych, niekorzystne ciśnienie osmotyczne, nietypowe źródła energii, węglowodany nieulegające fermentacji i czynniki fizyczne.

Trzy gatunki z rodzaju Lactococcus: Lc. lactis subsp. lactis, Lc. cremoris i Lc. raffinolactis,  są powszechnie stosowane jako kultury starterowe do produkcji żywności. Wykazano, że częste wykorzystanie tych szczepów jako kultur starterowych spowodowało zmiany w ich genomach, dzieląc je na szczepy “udomowione” i “środowiskowe”. Podczas gdy, szczepy “środowiskowe” wykazują ogromną różnorodność mechanizmów adaptacyjnych, co jest konieczne aby kolonizować produkty żywnościowe pochodzenia roślinnego, ale także bardziej nieprzystępne środowiska, jak powierzchnię owoców czy warzyw. Szczepy związane z niszą roślinną kodują szerszy zakres dróg metabolicznych niż szczepy mleczne (“udomowione”), ponieważ laktoza jest głównym źródłem węgla w mleku, podczas gdy, każda nisza roślinna ma indywidualny skład węglowodanów. Bakterie związane z niszą roślinną posiadają wyjątkowy repertuar genów zaangażowanych w metabolizm pentoz i glukuronianów. Przykładowo, Lc. lactis subsp. lactis szczep KF147 wykazuje obecność szlaków związany z przemianą cukrów roślinnych, takich jak rafinoza i arabinoza, manifestuje wiele dróg degradacji glikozydów oraz szlaki przemiany hemicelulozy, ksylozy i arabinozy, charakterystyczne dla środowisk roślinnych. Ten rodzaj posiada także geny odpowiedzialne za tworzenie biofilmu (egzopolisacharydy), co jest istotne dla przetrwania na powierzchni roślin, oraz możliwość produkcji bakteriocyn, które w pewnym stopniu wydłużają żywotność szczepów Lactococcus podczas fermentacji, ponieważ dominują one na początkowym etapie fermentacji ze względu na ich wrażliwość na niskie pH.

Wyjątkowy jest gatunek Lactiplantibacillus plantarum, zwany “nomadycznym” ze względu na adaptacje do różnorodnych środowisk, w tym do żywności fermentowanej (od kiszonej kapusty, piklowanej kukurydzy, ogórków, rzodkiewek, bananów, pomarańczy i traw po mięso, mleko, wino i układ trawienny). Ze względu na związek między ewolucją, a adaptacją do środowiska, L. plantarum zachował “niepotrzebne geny” i jego genom stał się “uniwersalny” i niezależny od środowiska. Dodatkowo każdy szczep L. plantarum ma indywidualny zestaw genów związanych z transportem i wykorzystaniem cukrów, odpowiadający składowi węglowodanów świeżych i fermentowanych warzyw lub owoców. Szczególnie ważną zdolnością adaptacyjną w przypadku wykorzystywania materiału roślinnego jest zdolność do degradacji skomplikowanych węglowodanów, takich jak amyloza i skrobia.

Środowisko fermentowanych owoców charakteryzuje się wysokim stężeniem cukrów, co prowadzi do ewolucji innej strategii – fruktofilności. Fruktofilne bakterie kwasu mlekowego (FLAB) to  grupa bakterii, które preferują fruktozę w zamiast glukozy jako główne źródło węgla. Ich dostosowanie do środowiska skutkuje wyjątkowo zmniejszonym genomem. Podczas gdy większość Lactobacillus spp. ma średnią wielkość genomu 2,5 Mbp, Apilactobacillus kunkeei (7K4AA) ma wielkość genomu 1,59 Mbp, tak silna redukcja materiału genetycznego zmieniła ich szlak oddechowy. FLAB potrzebują zewnętrznego akceptora elektronów, aby zrównoważyć NAD/NADH; ze względu na brak bifunkcyjnego genu dehydrogenazy alkoholowo/acetaldehydowej adhE. Zwykle bakterie kwasu mlekowego aby dostosować się do niszy roślinnej zachowują lub nawet zwiększają pulę genów głównie związanych z wykorzystaniem węglowodanów, u FLAB jest dokładnie przeciwnie. Porównanie genomów FLAB wykazało wspólne niedobory w genach odpowiadających za metabolizm węglowodanów i szlakach transportu. Warto zaznaczyć, że pomimo ewolucji redukcyjnej genomów fruktofilnych, bakterie te są niezwykle dobrze przystosowane do wysokich stężeń prostych cukrów: glukozy i fruktozy, które dominują w środowisku fermentowanych owoców. Wyjątkowe cechy FLAB i ich adaptacja do środowiska bogatego w cukry proste jest badana na Naszej Uczelni, w projekcie finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, Preludium 15 (2018/29/N/NZ9/00985).

Podsumowując, analiza genomów bakterii kwasu mlekowego ukazuje wyraźny wpływ środowiska na ich ewolucję i adaptację. Niezwykła różnorodność strategii przetrwania oraz adaptacyjnych mechanizmów jest efektem długotrwałego procesu, w którym mikroorganizmy te przystosowały się do warunków fermentacyjnych. Wielość gatunków, ilość bakterii i zróżnicowane strategie stanowią fascynujące pole obserwacji. Śledzenie tych procesów pozwala nam lepiej zrozumieć dynamikę populacji bakterii kwasu mlekowego i otwiera przed nami możliwość wykorzystania ich potencjału.

dr inż. Klaudia Gustaw

Katedra Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka

Wydział Nauk o Żywności i Biotechnologii

[Cykl „Poznaj świat nauki o żywności” to seria artykułów popularnonaukowych przygotowywanych przez naukowców z Wydziału Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie].

Literatura

Di Cagno, R.; Coda, R.; De Angelis, M.; Gobbetti, M. Exploitation of vegetables and fruits through lactic acid fermentation. Food Microbiol. 2013, 33, 1–10.

Filannino, P.; Di Cagno, R.; Gobbetti, M. Metabolic and functional paths of lactic acid bacteria in plant foods: Get out of the labyrinth. Curr. Opin. Biotechnol. 2018, 49, 64–72. 

Martino, M.E.; Bayjanov, J.R.; Caffrey, B.E.; Wels, M.; Joncour, P.; Hughes, S.; Gillet, B.; Kleerebezem, M.; van Hijum, S.A.F.T.; Leulier, F. Nomadic lifestyle of Lactobacillus plantarum revealed by comparative genomics of 54 strains isolated from different habitats. Environ. Microbiol. 2016, 18, 4974–4989.

Gustaw, K.; Niedźwiedź, I.; Rachwał, K.; Polak-Berecka, M. New Insight into Bacterial Interaction with the Matrix of Plant-Based Fermented Foods. Foods 2021, 10, 1603. 

Jung, M.Y.; Lee, C.; Seo, M.J.; Roh, S.W.; Lee, S.H. Characterization of a potential probiotic bacterium Lactococcus raffinolactis WiKim0068 isolated from fermented vegetable using genomic and in vitro analyses. BMC Microbiol. 2020, 20, 1–10.