DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1465373
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39845052
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Peilin Yao وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروبيوتيك والأطعمة المخمرة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدمات الكبيرة في فهم الأغشية الحيوية لبكتيريا Lactobacillus، التي تُعرف بفوائدها البروبيوتيك وتطبيقاتها في إنتاج الغذاء. بينما ترتبط الأغشية الحيوية عادةً بالبكتيريا المسببة للأمراض، تظهر أغشية Lactobacillus الحيوية خصائص حماية ذاتية تعزز عمليات التخمير والقدرة على التحمل تحت ظروف متنوعة. تناقش المراجعة الدور التنظيمي للإحساس بالعدد في تشكيل الأغشية الحيوية وتبرز إمكانيات البروبيوتيك من الجيل الرابع، التي تم تطويرها من خلال تكنولوجيا الأغشية الحيوية، كنهج جديد لتطبيقات البروبيوتيك.
في الختام، بينما حددت الأبحاث حول أغشية Lactobacillus الحيوية خصائصها المفيدة – مثل تعزيز التصاق البكتيريا، وزيادة مقاومة الإجهاد، ومنع استعمار مسببات الأمراض – لا تزال هناك عدة تحديات قائمة. تركز الدراسات الحالية بشكل أساسي على سلالات Lactobacillus، مع استكشاف محدود للأغشية الحيوية في أجناس أخرى مثل Bifidobacterium وStreptococcus. تشمل القضايا الرئيسية انخفاض قابلية الخلايا العائمة، وانفصال الخلايا السطحية، وفهم غير مكتمل للآليات التنظيمية. علاوة على ذلك، تم تقييم بقاء البروبيوتيك من الجيل الرابع فقط في المختبر، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق. ومع ذلك، تقدم التقدمات في تقنيات مثل المولتيومكس وتحرير الجينات فرصًا لاستكشاف أعمق لأغشية Lactobacillus الحيوية، مما قد يؤدي إلى تحسين جودة المنتجات، والنكهة، وتطوير منتجات ذات قيمة عالية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة تعريف وأهمية البروبيوتيك، مع التركيز بشكل خاص على Lactobacillus spp.، التي تُعرف بفوائدها الصحية عند تناولها بكميات كافية (FAO/WHO، 2002). تعتبر هذه الكائنات الدقيقة أساسية في مجموعة متنوعة من المنتجات الغذائية، بما في ذلك الألبان، واللحوم، والأطعمة المخمرة مثل الزبادي والكيمتشي، بسبب قدرتها على تنظيم الفلورا المعوية، وخفض الرقم الهيدروجيني، ومنع الكائنات الدقيقة الضارة (Garnier et al.، 2020؛ Mathur et al.، 2020). يتطلب النشاط البروبيوتيكي الفعال عادةً تناولًا يوميًا يبلغ حوالي $10^8$ إلى $10^9$ وحدة تشكيل مستعمرات (CFU) (Liu et al.، 2019).
تسلط الورقة أيضًا الضوء على التقدمات في تعزيز مقاومة الإجهاد للبروبيوتيك من خلال طرق متنوعة، مثل استخدام العوامل الواقية، والسكريات القليلة، وإعادة تركيب الجينات، وتغليف الأغشية الحيوية (Sánchez et al.، 2017؛ Dong et al.، 2023؛ Wang et al.، 2013a؛ Salas-Jara et al.، 2016). توفر الأغشية الحيوية، التي هي مجتمعات معقدة تتكون من البروبيوتيك، مزايا في الالتصاق بالأسطح المعوية وزيادة المقاومة للعوامل الضاغطة (Salas-Jara et al.، 2016). تؤكد المقدمة على الحاجة إلى مراجعة شاملة لأغشية Lactobacillus الحيوية لفهم آلياتها التنظيمية بشكل أفضل وإمكانياتها في تخمير الغذاء وصحة الإنسان، نظرًا للمعرفة المجزأة في هذا المجال.
نقاش
تتناول قسم النقاش في الورقة البحثية الآليات التنظيمية التي تكمن وراء تشكيل الأغشية الحيوية في أنواع Lactobacillus، مع التركيز على أدوار أنظمة الإحساس بالعدد (QS)، وخاصة نظام QS المعتمد على AI-2، ومسارات الإشارة للرسائل الثانية مثل cyclic di-AMP (c-di-AMP) وcyclic di-GMP (c-di-GMP). يسهل نظام QS التواصل بين البكتيريا، مما يمكنها من تنسيق السلوكيات بناءً على كثافة السكان. ومن الجدير بالذكر أن جين luxS، الذي يعد جزءًا أساسيًا في تخليق AI-2، قد أظهر تأثيرًا متغيرًا على تشكيل الأغشية الحيوية عبر سلالات Lactobacillus المختلفة. على سبيل المثال، أظهرت الطفرات التي تم حذف جين luxS انخفاضًا في تشكيل الأغشية الحيوية، بينما زادت التعبيرات الزائدة لجين luxS من ذلك، مما يدل على أهميته التنظيمية. بالإضافة إلى ذلك، تم الإشارة إلى أن c-di-GMP له دور في تعزيز نضوج الأغشية الحيوية من خلال تثبيط الحركة وزيادة تخليق السكريات الخارجية، على الرغم من أن دوره المحدد في تشكيل أغشية Lactobacillus الحيوية لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ.
تناقش القسم أيضًا تعقيد تشكيل الأغشية الحيوية، مع تسليط الضوء على مشاركة عدة جينات وعوامل بيئية مثل الكارهية للماء، والرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وتوافر المغذيات. تؤثر هذه العوامل على التصاق واستقرار أغشية Lactobacillus الحيوية، والتي تعتبر حاسمة لفعاليتها البروبيوتيكية. كما تلاحظ الورقة أن الأغشية الحيوية تعمل كهياكل واقية، مما يعزز قدرة Lactobacillus على التحمل ضد الضغوط البيئية، بما في ذلك الحموضة والعوامل المضادة للميكروبات. ترتبط هذه المقاومة للإجهاد بنظام QS، وخاصة من خلال جين luxS، الذي يعدل تخليق الجزيئات الإشارية التي تعزز البقاء في ظل الظروف الضارة. تؤكد النتائج على الإمكانية للاستفادة من هذه الآليات التنظيمية لتحسين تطبيق أغشية Lactobacillus الحيوية في إنتاج الغذاء والصحة، مع معالجة التحديات المتعلقة بالتلف والتلوث.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1465373
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39845052
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Peilin Yao et al.
Primary Topic: Probiotics and Fermented Foods
Overview
The section provides an overview of the significant advancements in the understanding of Lactobacillus biofilms, which are recognized for their probiotic benefits and applications in food production. While biofilms are commonly associated with pathogenic bacteria, Lactobacillus biofilms exhibit self-protective characteristics that enhance fermentation processes and resilience under various conditions. The review discusses the regulatory role of quorum sensing in biofilm formation and highlights the potential of fourth-generation probiotics, developed through biofilm technology, as a novel approach to probiotic applications.
In conclusion, while research on Lactobacillus biofilms has identified their beneficial properties—such as promoting bacterial adhesion, enhancing stress resistance, and preventing pathogen colonization—several challenges remain. Current studies predominantly focus on Lactobacillus strains, with limited exploration of biofilms in other genera like Bifidobacterium and Streptococcus. Key issues include low viability of planktonic cells, detachment of surface cells, and incomplete understanding of regulatory mechanisms. Furthermore, the survival of fourth-generation probiotics has only been assessed in vitro, necessitating further investigation. However, advancements in technologies such as multiomics and gene editing present opportunities for deeper exploration of Lactobacillus biofilms, which could lead to improved product quality, flavor, and the development of high-value products.
Introduction
The introduction of the paper discusses the definition and significance of probiotics, particularly focusing on Lactobacillus spp., which are recognized for their health benefits when consumed in adequate amounts (FAO/WHO, 2002). These microorganisms are essential in various food products, including dairy, meat, and fermented foods like yogurt and kimchi, due to their ability to regulate intestinal flora, lower pH, and inhibit harmful microbes (Garnier et al., 2020; Mathur et al., 2020). Effective probiotic activity typically requires a daily intake of approximately $10^8$ to $10^9$ colony-forming units (CFU) (Liu et al., 2019).
The paper also highlights advancements in enhancing the stress resistance of probiotics through various methods, such as the use of protective agents, oligosaccharides, gene recombination, and biofilm encapsulation (Sánchez et al., 2017; Dong et al., 2023; Wang et al., 2013a; Salas-Jara et al., 2016). Biofilms, which are complex communities formed by probiotics, offer advantages in adhering to intestinal surfaces and enhancing resistance to stressors (Salas-Jara et al., 2016). The introduction emphasizes the need for a comprehensive review of Lactobacillus biofilms to better understand their regulatory mechanisms and potential applications in food fermentation and human health, given the fragmented knowledge in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the regulatory mechanisms underlying biofilm formation in Lactobacillus species, emphasizing the roles of quorum sensing (QS) systems, particularly the AI-2 mediated QS system, and second messenger signaling pathways such as cyclic di-AMP (c-di-AMP) and cyclic di-GMP (c-di-GMP). The QS system facilitates communication among bacteria, enabling them to coordinate behaviors based on population density. Notably, the luxS gene, which is integral to AI-2 synthesis, has been shown to influence biofilm formation variably across different Lactobacillus strains. For instance, luxS knockout mutants exhibited reduced biofilm formation, while overexpression of luxS enhanced it, indicating its regulatory significance. Additionally, c-di-GMP has been implicated in promoting biofilm maturation by inhibiting motility and enhancing exopolysaccharide synthesis, although its specific role in Lactobacillus biofilm formation remains underexplored.
The section further discusses the complexity of biofilm formation, highlighting the involvement of multiple genes and environmental factors such as hydrophobicity, pH, temperature, and nutrient availability. These factors influence the adhesion and stability of Lactobacillus biofilms, which are crucial for their probiotic efficacy. The paper also notes that biofilms serve as protective structures, enhancing the resilience of Lactobacillus against environmental stresses, including acidity and antimicrobial agents. This stress resistance is linked to the QS system, particularly through the luxS gene, which modulates the synthesis of signaling molecules that enhance survival under adverse conditions. The findings underscore the potential for leveraging these regulatory mechanisms to improve the application of Lactobacillus biofilms in food production and health, while also addressing challenges related to spoilage and contamination.