DOI: https://doi.org/10.3389/fbrio.2025.1726048
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Kamini Pandey وآخرون
الموضوع الرئيسي: إعادة تأهيل الميكروبات والمواد السطحية الحيوية
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة استخراج وتوصيف السطحيّات الحيوية من بروبيوتيك لاكتوباسيلوس الهندي: *لاكتوباسيلوس هيلفيتيكوس* MTCC5463 و*لاكتوباسيلوس رامنوسوس* MTCC5462. تم استخراج السطحيّات الحيوية، التي لها تطبيقات محتملة في الغذاء، والأدوية، والطب الحيوي، من خلال ترسيب الحمض واستخراج المذيبات بعد زراعة البكتيريا في وسائط انتقائية. شملت تقنيات التوصيف قياس التوتر السطحي، ومؤشر الاستحلاب (E24)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وكروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS)، وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR). أظهرت النتائج انخفاضًا كبيرًا في التوتر السطحي من 72 mN/m إلى 38.73 (± 0.05) mN/m لـ *L. هيلفيتيكوس* و41.30 (± 0.04) mN/m لـ *L. رامنوسوس*، مع نشاط استحلابي مرتفع (E24 > 70%) لمجموعة متنوعة من الركائز الكارهة للماء.
تم تحديد السطحيّات الحيوية على أنها غليكوليبيدات، حيث كشفت تحليلات FTIR وGC-MS عن مكونات الأحماض الدهنية الرئيسية، بما في ذلك حمض البوتانويك. دعم طيف NMR هيكل الغليكوليبيد الأمفيبلي الذي يتميز بسلاسل الأحماض الدهنية الأليفاتية الطويلة ومجموعات الميثيلين المجاورة لمجموعات الإستر أو الهيدروكسيل. تمثل هذه الدراسة أول توصيف هيكلي شامل للسطحيّات الحيوية المستمدة من أنواع لاكتوباسيلوس المحلية، مما يشير إلى إمكانياتها للتطبيقات الصيدلانية والبيولوجية المستقبلية على نطاق تجاري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية السطحيّات الحيوية، التي تُعرف غالبًا بأنها “جزيئات خضراء من القرن”، بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية المواتية، بما في ذلك انخفاض السمية وقابلية التحلل البيولوجي. بينما تم دراسة منتجي السطحيّات الحيوية التقليديين مثل الباسيلوس والبيسودوموناس بشكل مكثف، فإن قدرتهم المحتملة على التسبب في الأمراض قد أعاقت تطبيقهم التجاري، خاصة في قطاعات الغذاء والطب الحيوي. في المقابل، ظهرت أنواع لاكتوباسيلوس، المعترف بها عمومًا على أنها آمنة (GRAS)، كبدائل قابلة للتطبيق لإنتاج السطحيّات الحيوية. حددت الأبحاث عدة سلالات من لاكتوباسيلوس قادرة على تصنيع سطحيّات حيوية متنوعة، مثل الغليكوليبوببتيدات والغليكوبروتينات، مما يظهر تنوعها الهيكلي وخصائصها الوظيفية، بما في ذلك الأنشطة المضادة للميكروبات والاستحلاب.
على الرغم من النتائج الواعدة، لا تزال هناك تحديات في زيادة الإنتاج وتحقيق الجدوى الاقتصادية، مع نقص ملحوظ في التركيز على أنواع لاكتوباسيلوس المحلية. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوات من خلال التحقيق في إنتاج السطحيّات الحيوية من سلالتين محليتين من لاكتوباسيلوس، باستخدام تقنيات تحليلية متقدمة مثل طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وكروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS)، وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للتوصيف التفصيلي. تسعى الأبحاث إلى تعزيز فهم السطحيّات الحيوية المستمدة من لاكتوباسيلوس، مما يسهل تصميمها العقلاني وتطبيقها القابل للتوسع في التكنولوجيا الحيوية والرعاية الصحية.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل المنهجية لاختبار إنتاج السطحيّات الحيوية من سلالتين من لاكتوباسيلوس، L. هيلفيتيكوس MTCC5463 (السلالة I) وL. رامنوسوس MTCC5462 (السلالة V). تم الحفاظ على كلا السلالتين عند -80 درجة مئوية في مرق مان، روجوسا، وشارب (MRS). تؤكد الدراسة على أهمية مصادر الكربون والنيتروجين المحددة في تعزيز تخليق السطحيّات الحيوية، حيث تم تحديد المالتوز، والبيبتون، ومستخلص الخميرة كمساهمين رئيسيين في الأيض الميكروبي وتكوين الجزيئات النشطة على السطح.
شمل عملية الفحص زراعة السلالات على أطباق أجار MRS باستخدام تقنية التزريق الرباعي، تلتها الحضانة عند 37 درجة مئوية لمدة 48 ساعة. ثم تم الحفاظ على الثقافات عند 4 درجات مئوية لفترة قصيرة من أجل الحفاظ على الحياة. بالنسبة للتكرار، تم نقل المستعمرات المعزولة إلى مرق MRS معقم وتم حضانتها طوال الليل لتحقيق نمو لوغاريتمي. تم إجراء تحليل منحنى النمو من خلال قياس الكثافة الضوئية عند 600 نانومتر (OD600) على فترات منتظمة، مما يسمح بتحديد مراحل التأخير، والنمو الأسي، والثبات. تم تقييم إنتاج السطحيّات الحيوية من خلال اختبارات متنوعة، بما في ذلك انهيار القطرات، وانتشار الزيت، والتصاق البكتيريا بالهيدروكربونات (BATH)، ومؤشر الاستحلاب، وقياسات التوتر السطحي، مع تكرار التجارب ثلاث مرات لضمان موثوقية النتائج.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النقاط البيانية الرئيسية، والتحليلات الإحصائية، وأي اتجاهات أو أنماط تم ملاحظتها. عادةً ما تدعم النتائج بالأشكال، والجداول، أو الرسوم البيانية التي تمثل البيانات بصريًا، مما يسمح بفهم أوضح لتداعيات النتائج.
في هذا القسم، قد يقارن المؤلفون أيضًا نتائجهم مع الدراسات السابقة، مناقشين أي اتساق أو تناقضات. بالإضافة إلى ذلك، قد يقدمون تفسيرات للنتائج، موصلين إياها بالفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الورقة. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل أهمية النتائج في سياق مجال البحث الأوسع.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم إنتاج السطحيّات الحيوية من سلالتين من لاكتوباسيلوس، L. هيلفيتيكوس MTCC 5463 وL. رامنوسوس MTCC 5462، من خلال اختبارات نوعية وكمية متنوعة. أشارت اختبارات انهيار القطرات وانتشار الزيت إلى نشاط سطحي حيوي كبير، حيث أظهر L. هيلفيتيكوس وقت انهيار قطرات أسرع ومنطقة إزاحة زيت أكبر مقارنةً بـ L. رامنوسوس. أظهر اختبار BATH أن كلا السلالتين أظهرتا التصاقًا أعلى للخلايا بالزيوت المعتمدة على البترول مقارنةً بالزيوت النباتية، مع ملاحظة أعلى التصاق عند 48 ساعة من الزراعة. كشفت اختبارات الاستحلاب أن كلا السلالتين أنتجت سطحيّات حيوية بمؤشرات استحلاب تتجاوز 70% لبعض الزيوت، بينما أكدت قياسات التوتر السطحي انخفاضًا من القيمة المعتادة للماء البالغة 72 mN/m، مما يشير إلى إنتاج فعال للسطحيّات الحيوية.
كشف توصيف السطحيّات الحيوية من خلال كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة (TLC)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وكروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS)، وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) عن طبيعتها الغليكوليبيدية. أظهر تحليل TLC بقعًا مميزة تشير إلى وجود مكونات دهنية وكربوهيدراتية. حددت طيف FTIR مجموعات وظيفية مثل الهيدروكسيل، والكربونيل، وتمتد C-H الأليفاتية، مما يؤكد الخصائص الأمفيبيلية الضرورية لنشاط السطحيّات. سلط تحليل GC-MS الضوء على وجود استرات الأحماض الدهنية طويلة السلسلة وهياكل شبيهة بالدهون الثلاثية، بينما دعمت بيانات NMR الهيكل الغليكوليبيدي، مما يشير إلى أن السطحيّات الحيوية التي أنتجتها كلا السلالتين تمتلك إمكانيات كبيرة للتطبيقات الصناعية بسبب خصائصها النشطة على السطح.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbrio.2025.1726048
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Kamini Pandey et al.
Primary Topic: Microbial bioremediation and biosurfactants
Overview
This study focuses on the extraction and characterization of biosurfactants from two Indian Lactobacillus probiotics: *Lactobacillus helveticus* MTCC5463 and *Lactobacillus rhamnosus* MTCC5462. The biosurfactants, which have potential applications in food, pharmaceuticals, and biomedicine, were extracted through acid precipitation and solvent extraction after culturing the bacteria in selective media. Characterization techniques included surface tension measurement, emulsification index (E24), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The results indicated a significant reduction in surface tension from 72 mN/m to 38.73 (± 0.05) mN/m for *L. helveticus* and 41.30 (± 0.04) mN/m for *L. rhamnosus*, with high emulsification activity (E24 > 70%) for various hydrophobic substrates.
The biosurfactants were identified as glycolipids, with FTIR and GC-MS analyses revealing major fatty acid components, including butanoic acid. NMR spectroscopy further supported the amphiphilic glycolipid structure characterized by long aliphatic fatty acid chains and methylene groups adjacent to ester or hydroxyl groups. This research represents the first comprehensive structural characterization of biosurfactants derived from indigenous Lactobacillus species, suggesting their potential for future pharmaceutical and biomedical applications at a commercial scale.
Introduction
The introduction highlights the significance of biosurfactants, often referred to as “green molecules of the century,” due to their advantageous physicochemical properties, including low toxicity and biodegradability. While traditional biosurfactant producers like Bacillus and Pseudomonas have been extensively studied, their potential pathogenicity has hindered their commercial application, particularly in food and biomedical sectors. In contrast, Lactobacillus species, recognized as Generally Regarded As Safe (GRAS), have emerged as viable alternatives for biosurfactant production. Research has identified various Lactobacillus strains capable of synthesizing diverse biosurfactants, such as glycolipopeptides and glycoproteins, showcasing their structural heterogeneity and functional properties, including antimicrobial and emulsifying activities.
Despite the promising findings, challenges remain in scaling up production and achieving cost-effectiveness, with a notable lack of focus on indigenous Lactobacillus species. This study aims to address these gaps by investigating biosurfactant production from two indigenous Lactobacillus strains, employing advanced analytical techniques like Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy for detailed characterization. The research seeks to enhance the understanding of Lactobacillus-derived biosurfactants, thereby facilitating their rational design and scalable application in biotechnology and healthcare.
Methods
In this section, the methodology for screening biosurfactant production from two Lactobacillus strains, L. helveticus MTCC5463 (strain I) and L. rhamnosus MTCC5462 (strain V), is detailed. Both strains were preserved at -80°C in de Man, Rogosa, and Sharpe (MRS) broth. The study emphasizes the significance of specific carbon and nitrogen sources in enhancing biosurfactant synthesis, with maltose, peptone, and yeast extract identified as key contributors to microbial metabolism and surface-active molecule formation.
The screening process involved culturing the strains on MRS agar plates using a quadrant streaking technique, followed by incubation at 37°C for 48 hours. Cultures were then maintained at 4°C for short-term viability. For subculturing, isolated colonies were transferred to sterile MRS broth and incubated overnight to achieve logarithmic growth. Growth curve analysis was conducted by measuring optical density at 600 nm (OD600) at regular intervals, allowing for the identification of lag, exponential, and stationary phases. Biosurfactant production was assessed through various assays, including drop collapse, oil spreading, bacterial adhesion to hydrocarbons (BATH), emulsion index, and surface tension measurements, with experiments repeated in triplicate to ensure reliability of results.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting key data points, statistical analyses, and any observed trends or patterns. The results are typically supported by figures, tables, or graphs that visually represent the data, allowing for a clearer understanding of the implications of the findings.
In this section, the authors may also compare their results with previous studies, discussing any consistencies or discrepancies. Additionally, they might provide interpretations of the results, linking them to the hypotheses or research questions posed earlier in the paper. Overall, this section serves to convey the significance of the findings in the context of the broader research field.
Discussion
In this study, the biosurfactant production of two Lactobacillus strains, L. helveticus MTCC 5463 and L. rhamnosus MTCC 5462, was evaluated through various qualitative and quantitative assays. The drop-collapse and oil-spreading tests indicated significant biosurfactant activity, with L. helveticus exhibiting a faster drop collapse time and a larger oil displacement zone compared to L. rhamnosus. The BATH assay demonstrated that both strains showed higher cell adherence to petroleum-based oils than to vegetable oils, with peak adherence observed at 48 hours of cultivation. Emulsification assays revealed that both strains produced biosurfactants with emulsification indices exceeding 70% for certain oils, while surface tension measurements confirmed a reduction from the typical water value of 72 mN/m, indicating effective biosurfactant production.
Characterization of the biosurfactants through thin-layer chromatography (TLC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy revealed their glycolipid nature. TLC analysis showed distinct spots indicating the presence of lipid and carbohydrate components. FTIR spectra identified functional groups such as hydroxyl, carbonyl, and aliphatic C-H stretches, confirming the amphiphilic properties essential for surfactant activity. GC-MS analysis highlighted the presence of long-chain fatty acid esters and triglyceride-like structures, while NMR data supported the glycolipid structure, indicating that the biosurfactants produced by both strains possess significant potential for industrial applications due to their surface-active properties.