Bakteriyosinler, Kullanım Alanları ve Etki Mekanizmaları


Ebrar Güneş – Moleküler Biyoloji ve Genetik, İstanbul Teknik Üniversitesi

Bakteriler alan, besin gibi etkenler için rekabet içerisindedirler. Bu rekabet için birçok mekanizmaya sahiptirler. Bu mekanizmalardan bir tanesi de bakteriyosinlerdir. Bakteriyosinler ile ilk kez 1925 senesinde E. coli tarafından salınan colicin’in tespiti ile tanışılmıştır.[1] Bakteriyosinler bir tür antimikrobiyal peptidlerdir. Bakteriyosinler hücre içerisinde sentezlendikten sonra aktivite gösterecekleri bölgelere, hücre dışına taşınırlar.[2] Yoğunluklu olarak Gram pozitif bakteri türlerini etkileseler de Gram negatif bakterileri etkileyen türleri de vardır. Patojen bakterilere ya da yiyeceklerin bozunumunu sağlayan bakterilere de etki gösterdiği için gıdaların korunmasında diğer koruyucu maddeler ile birlikte kullanılır. Gıda korunumu için çoğunlukla laktik asit bakterileri tarafından üretilen bakteriyosinler kullanılmaktadır. Bakteriyosinlerin gıda korunumu için kullanılması biyolojik temelli bir koruma yöntemi olduğu için kimyasal ve ısıl işlemlere karşın besin içeriği açısından daha zengin, daha az asidik ve tuz içeriği sağlar. Gıda sektörü haricinde bakteriyosinler ilaç ve kozmetik sektöründe de etkin olarak kullanılmaktadır. Bunlara ek olarak, özellikle patojen bakteriler için hibrit ve genetiği değiştirilmiş bakteriyosinler üzerine çalışılmaktadır.[3] Antibiyotiklere alternatif olarak bakteriyofajlar, bakteriyosinler ve başka metotlar üzerinde aktif olarak çalışılmaktadır.

Bakteriyosinler antimikrobiyal peptid oldukları için yapısal olarak 4’e ayrılırlar. Bunlar amfipatik ɑ-sarmal yapı, β yaprak yapı, uzatılmış doğrusal ve karışık peptid zincir yapılarıdır.[4]


A) Amfipatik ɑ-sarmal yapıdan oluşan uzatılmış peptit zinciri, B) β yaprak yapısında düzenlenmiş peptit zinciri, C) Uzatılmış doğrusal peptit zinciri, D) Karışık peptit zinciri yapısı[5]
Şekil 1: Antimikrobiyal peptitlerin yapısal çeşitleri.

Bakteriyosinlerin Sınıflandırılması

Bakteriyosinler sınıflandırılırken diğer bakterileri öldürme yöntemlerine (gözenek oluşturması, nükleaz aktivitesi, peptidoglikan üretimini engellemesi), genetik özelliklerine (büyük plasmid, küçük plasmid kromozomal), moleküler ağırlıklarına ve kimyasal özelliklerine (büyük protein, peptit, şeker kısmı olan/olmayan, lantiyonin gibi amino asit içeren) ve üretim yöntemlerine (ribozomal, ribozomal üretim sonrası modifikasyonlar, ribozomal olmayan) göre sınıflandırılırlar.[5]

Sınıf I

Yapılarında “lantiyonin” amino asidi bulunduğu için lantibiyotikler olarak adlandılırlar.[6] Lantiyonin’in yanı sıra metillantiyonin amino asit türevlerini içeren türler de vardır. Lantibiyotikler modifikasyon açısından diğer bakteriyosin gruplarına göre en kapsamlı modifikasyonu geçirir. Sınıf I kendi içerisinde A ve B olmak üzere ikiye ayrılır.[5]

  • Sınıf IA

Hidrofobik polipeptit yapıdadırlar. Katyonik ve membran aktif peptitlerdir. Fermantasyon işlemi sırasında Gram pozitif laktik asit bakterileri tarafından sentezlenirler. Sınıf IA, bakteriyosinler arasında en çok kullanılan bakteriyosini barındırır, Nisin. Nisin’i Loctococcus lactis bakterisi üretir. Nisin lantiyonin, metillantiyonini didehidroalanin ve didehidroaminobütirikasit dahil olmak üzere 34 amino asit domainine sahiptir.[5]

Şekil 2: Sınıf IA üyesi Nisin’in birincil yapısı[7]

Bu yaygın olmayan amino asitler, öncül peptitlerin translasyon sonrası modifikasyon yolu ile peptit zincirine dahil edilir. Nisin geniş nir inhibasyon spekturumuna sahiptir. Etkisiz duruma getirdiği bakteri türleri, laktik asit bakterileri gibi gıda bozulmasına bağlı Gram pozitif bakteriler ve Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus ve Clostridium botulinum gibi patojen bakterilerdir. Nisin, 1988 yılında Genel Olarak Güvenli (GRAS) statüsüne layık görülmüştür. Amerika Birleşik Devletleri'nde ve kırktan fazla ülkede gıdalar için doğal biyo-koruyucu olarak kullanılmaktadır. Avrupa'da Nisin, E234 E kodu ile bilinir. Nisin, ürünün rengini, aromasını, kokusunu ve tadını etkilemeden süt ürünlerinde, konserve gıdalarda, meyve sularında, alkollü içeceklerin bazılarında, et ürünlerinde ve fermente gıdalarda kullanılır. Nisin ayrıca Streptococcus pneumoniae, Enterococci ve Clostridium difficile gibi çoklu ilaç direncine sahip bakteri suşlarının büyümesini önleyebileceğini göstermiştir.[8] Şaşırtıcı başka araştırmalarda ise Nisin’in tümörlerin büyümesini inhibe edebileceği gösterilmiştir.[9] Özetle, Nisin geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.[5]

  • Sınıf IB

En çok kullanılan üyesi Mersacidin, Bacillus cinsi bakterilerden üretilir. Mersacidin, Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç İdaresi’nden (FDA) onay alamamış ve Genel Olarak Güvenli (GRAS) statüsüne layık görülmemiştir. Bundan dolayı gıda uygulamaları için kullanılmamaktadır. Mersacidin’in en önemli kullanım alanı, Staphlococcus aureus’a karşı kullanımıdır. Nisin ve antibiyotiklere kıyasla çok düşük konsantrasyonlarında dahi Staphylococcus aureus’a karşı hücre duvarı stres tepkisini güçlü bir şekilde uyardığı gözlemlenmiştir. Metisilin dirençli Staphlococcus aureus’a karşı kullanımı bu benzersiz veriminden ötürü onaylanmıştır.[10]


Sınıf I katyonik lantibiyotikler, elektrostatik kuvvet yoluyla bakteriyel anyonik fosfolipid membrana bağlanır ve peptidin N-terminal bölgesi ile membran arasındaki etkileşim oluşur. Bu alan, hücre membranındaki Lipid II ile bir bağlantıya izin verir. Lipid II bakteri hücre duvarının sentezinde yer alan bir öncü moleküldür. Lantibiyotiklerin Lipid II’ye bağlanması ile peptidoglikan sentezi kesintiye uğrar. Membran geçirgenliği dengesizleşir, gözenek oluşumu gözlemlenir ve iyon dengesi bozulur, tüm bunlarının sonunda bakteri ölüme sürüklenir.[11]


a. Bakteriyosin Lipid II’ye bağlanarak hücre duvarı oluşumunu etkiler ve böylece hücre ölümüne yol açar. b. Hücre membranında gözenek oluşturularak hücre ölüme sürüklenir. [5]
Şekil 3: Nisin ve Mersacidin’in Gram pozitif bakterilere karşı etki mekanizmaları.

Sınıf II

Bu gruptaki bakteriyosinler Sınıf I’den farklı olarak lantiyonin içermezler. Antimikrobiyal aktiviteleri, membran aktif olmalarından kaynaklanmaktadır. Hidrofobik ve / veya amfifilik bölgeler içerirler. 4 alt sınıfa sahiptir, bu alt sınıflar A, B, C ve D’dir.

  • Sınıf IIA

Pediosin PA-1, bu sınıfın en çok çalışılan bakteriyosinidir. Pediococcus acidilactici’den üretilir. Gıda bozucu bakterilere ve Listeria, Bacillus, Clostridium ve Staphylococcus cinsi gibi gıda kaynaklı patojenlere karşı kullanılabildiği için bir gıda biyo-koruyucusudur. N-terminal bölgesinde pediosinlere özgü YGNGYV (sırasıyla, tirozin, glisin, asparjin, glisin, tirozin ve valin) ve C-terminal bölgesinde de hidrofilik ya da amfifilik yapılar içerir. Pediosin PA-1 etki mekanizması, Gram pozitif bakterilerin sitoplazmik membranı üzerindedir. Gözenek oluşturarak hücreyi ölüme sürükler. Geniş pH aralağında aktiflik gösterebilmesi, termostabil özellik göstermesi ve bazı protein parçalayan enzimlere karşı direnç göstermesi gibi benzersiz özelliklere sahiptir.[12,13]

  • Sınıf IIB

Lactococcin G, Lactococcus lactic suşlarından elde edilir ve Lcn-ɑ ve Lcn-ß olmak üzere iki modifiye edilmemiş katyonik peptidden oluşur. Bundan ötürü iki peptitli bakteriyosin adı ile de bilinir.[14] Bu iki polipeptitin primer yapıları birbirinden farklıdır ve her ikisi de hidrofobik ve/veya amfifilik bölgeler içerir. Ayrı ayrı aktivite gösterebildikleri gibi, hedef bakteriyi hasara uğratabilmeleri için eşzamanlı çalışmaları gerekmektedir. Eşzamanlı çalıştıklarında transmembran gözenek oluştururlar ve potasyum iyonlarının hızlı salınması nedeniyle hedef hücrelerde iyon dengesizliğine neden olurlar.[5]

Şekil 4: Lactococcin G yapısı ve etki mekanizması. İki katyonik lipitten, Lcn-ɑ ve Lcn-ß oluşur.[15]

  • Sınıf IIC

Dairesel katyonik lipitlerdir. Bakteriyosinlerin bu dairesel özelliği, diğer doğrusal bakteriyosinlere kıyasla antimikrobiyal aktiviteyi ve stabiliteyi artırmıştır. Bu verimli antimikrobiyal aktivite ve stabilite, bu bakteriyosinin hedef bakterinin sitoplazmik membranına yerleşmesine ve gözenek oluşmasına sebep olmaktadır. Enterococcus faecalis’ten üretilen Enterocin AS-48 bu sınıfın en bilindik bakteriyosinidir. Enterocin AS-48’in Gram negatif bakterilerin hücre dış zarlarını etkisiz hale getirebildiği gösterilmiştir. Escherichia coli ve Salmonella enterica’nın Gram negatif bakterilerine Enterocin AS-48’in etkisi kimyasal koruyucularla kombinasyon edildiği zaman artılmış olunur. Enterocin AS-48'in bir gıda biyo-koruyucu olarak potansiyel uygulamaları, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli ve Salmonella enterica patojenlerine karşıdır.[5]


Şekil 5: Sınıf IIC üyesi Enterocin AS-48’in etki mekanızması. Bakteriyosin hedef bakterinin membranına yerleştirilir ve hücre ölümüne yol açan hücre zarı geçirgenleşmesine neden olur.[5]

  • Sınıf IID

Bu bakteriyosin sınıfı yüksek asidite ve yüksek sıcaklık koşulları altında stabil antimikrobiyal peptitlerdir ve protein parçalayan enzimlere karşı dirençlidirler. Bu sınıfın en iyi örneği Aureocin A53’tür. Aureocin A53, Staphylococcus aureus A53 tarafından üretildiği için bu ismi almıştır. Bu bakteriyosin hedef hücrelerin membranında gözenek oluşturmaktan ziyade membran bozulması yoluyla membran geçirgenliğini etkilemektedir. Aureacin A53, Listeria monocytogenes’e ve Staphylococcus aureus gibi patojenlere antimikrobiyal aktivite gösterir. Gıda koruyucu ve antibiyotiklere alternatif olarak kullanılır ve ilaç biyoteknolojisinde potansiyel uygulamalara sahiptir.[16]

Sınıf III

Bu bakteriyosinler yüksek moleküler ağırlığa sahiptirler ve ısıya karşo kararsız büyük proteinlerdir. Bu sınıf ikiye ayrılmıştır, A ve B. [17]

  • Sınıf IIIA