مهندسی فاژ در صنایع شیر و لبنبات

صنعت لبنیات شامل طیف وسیعی از فرآورده‌ها و محصولات غذایی است که به عنوان گروهی از مواد غذایی مغذی و نیز مستعد آلودگی باکتریایی در نظر گرفته می‌شوند. آلودگی‌های ایجاد شده در محصولات لبنی توسط هر دو ارگانیسم‌های فاسدکننده و بیماری‌زا ممکن است رخ دهد. بنابراین ضروری است که ایمنی غذایی و کیفیت محصولات لبنی به بهترین شکل حفظ شود. استفاده از فاژهای لیتیک مهندسی شده برای باکتری باسیلوس سرئوس از جدیدترین دستاوردها و تکنیک‌های کنترل میکروبی صنایع لبنی است که در ادامه به معرفی آن می‌پردازیم.

پاستوریزاسیون شیر و لبنیات

یکی از روش‌ها برای از بین بردن میکروارگانیسم‌های موجود در شیر پاستوریزاسیون است. پاستوریزه کردن، فرایندی است که طی آن مواد غذایی را حرارت داده تا میکروب‌های موجود در آن‌ها همچون انواع باکتری، ویروس، پروتوزوآ، کپک و… کشته شوند. لوئی پاستور، دانشمند فرانسوی به همراه کلاد برنارد در بیستم آوریل سال ۱۸۶۲م، برای اولین بار اقدام به انجام عمل پاستوریزاسیون نمودند.

پاستوریزاسیون برای از بین بردن اکثر میکروارگانیسم‌های مهم موجود در شیر کافی است اما تحقیقات به تازگی نشان داده که میکروارگانیسم‌هایی از جمله باسیلوس سرئوس می‌تواند از پاستوریزاسیون جان سالم به در ببرد. بنابراین، پاستوریزاسیون به تنهایی برای از بین بردن ارگانیسم‌های نامطلوب موجود در شیر و لبنیات موثر نیست. اما راهکار چیست؟

تازه‌ترین بررسی‌های صورت گرفته در این زمینه پیشنهاد می‌کنند که باکتریوفاژها می‌توانند به عنوان روش موثرتری برای کنترل و تشخیص ارگانیسم‌های نامطلوب موجود در شیر استفاده شوند. اما پیش از پرداختن به نحوه‌ی انجام این روش، بهتر است ابتدا تعریفی از باکتریوفاژ داشته باشیم.

باکتریوفاژ چیست؟

 در سال‌های ۱۹۱۵و ۱۹۱۷ دو دانشمند به نام‌های فردریک تاوورت و فلیکس دهرله  در ضمن آزمایش‌های خود به‌طور اتفاقی به وجود باکتریوفاژ‌ها پی بردند. باکتریوفاژها (باکتری‌خوارها) یا به اختصار فاژها، ویروس‌هایی هستند که به باکتری‌ها حمله کرده و آن‌ها را از بین می‌برند. این ویروس‌ها قادر هستند تا میزبان باکتریایی خود را آلوده و لیز کنند و بنابراین می‌توانند به عنوان یک عامل ضد میکروبی طبیعی عمل کنند.

به طور کل باکتریوفاژها در همه جا حاضر بوده و در هر جایی که باکتری وجود داشته باشد، امکان حضور این ویروس‌ها نیز وجود دارد. باکتریوفاژها از رایج‌ترین و متنوع‌ترین موجودات در بیوسفر به شمار می‌روند و تخمین زده می‌شود که بیش از 1031 باکتریوفاژ بر روی سیاره زمین وجود داشته باشد؛ این تعداد از مجموع موجودات دیگر ساکن بر روی زمین به ویژه باکتری‌ها، بیشتر است. باکتریوفاژ‌ها  براساس نوع اسید نوکلئیک، ظاهر و اندازه دسته بندی می‌شوند. انواع باکتریوفاژ براساس ساختار به سه شکل زیر تقسیم می‌شوند:

• بیست وجهی مانند MS2
• مارپیچی یا رشته ای مانند M13
• فاژهای دارای سر و دم مانند T4و λ

فاژها ازانواع ساختارهای باکتریایی از جمله پلی ساکارید‌ها، پروتئین‌های سطحی و پرچم‌ها جهت حمله به سلول‌های باکتریایی استفاده می‌کنند. کوکتل فاژ، از باکتریوفاژ‌های چندگانه تشکیل می‌شود که هر کدام به ساختار متمایزی از سلول هدف حمله کرده و وارد سلول می‌شوند؛ تشکیل گروه‌های فاژی در مقایسه با تک فاژها ممکن است به نحو موثرتری ورود به سلول را تسهیل کنند.

برای درک بهتر نحوه عملکرد باکتریوفاژ‌ها  قصد داریم شما را با چرخه زندگی‌ ‌آن‌ها آشنا کنیم.

چرخه زندگی باکتریوفاژ

فاژها دارای دو نوع چرخه زندگی متمایز بوده که به شرح زیر می‌باشند:

• چرخه لیتیک

چرخه بیماری‌زا یا لیتیک که طی آن با لیز کردن باکتری میزبان و آزادسازی ویریون‌ها به پایان می‌رسد. مراحل تکثیر یک فاژ عبارتند از جذب، نفوذ، سنتز اجزای فاژ، مونتاژ، بلوغ و رهاسازی ذرات فاژ تولید شده.

جذب

• دم ذرات فاژ از طریق برخورد تصادفی به گیرنده‌های خاص ویروس در سلول میزبان متصل می‌شود.
• جذب یک فرآیند منحصربه‌فرد است که به وجود گروه‌های شیمیایی مکمل در مکان‌های گیرنده روی سطح باکتری و صفحه پایه انتهایی فاژ بستگی دارد.
• در شرایط عالی، جذب فرآیندی است که تکمیل آن تنها چند دقیقه طول می‌کشد.
• هر جزء روی سطح باکتری می‌تواند به عنوان گیرنده فاژ عمل کند. ویژگی میزبان فاژ در سطح جذب تعیین می‌شود.
• حتی سویه های باکتریایی که در برابر عفونت توسط فاژ کامل مقاوم هستند، می توانند با تزریق مستقیم DNA فاژ، به صورت تجربی آلوده شوند.

نفوذ

• پس از جذب، اکثر فاژها اسید نوکلئیک خود را به سیتوپلاسم باکتری تزریق می‌کنند در حالی که کپسید پروتئینی خود را بیرون می‌گذارند.
• مشابه تزریق با سرنگ، نفوذ شبیه تزریق است. شش پین دم با سطح سلول میزبان تماس برقرار می‌کنند و پس از جذب، صفحه فاژ را به طور ایمن به آن متصل می‌کنند.
• سپس غلاف دم انقباضی منقبض می‌شود و قسمت داخلی توخالی دم لوله را به دیواره سلولی باکتری هدایت می‌کند.
• سپس DNA فاژ از لوله توخالی داخلی دم عبور می‌کند.
• سر و دم خالی فاژ در خارج از باکتری به عنوان پوسته یا “شبح” پس از نفوذ باقی می‌ماند.
• وجود لیزوزیم در دم فاژ، که سوراخی در دیواره سلولی باکتری برای ورود به هسته فاژ ایجاد می‌کند، ممکن است باعث نفوذ باکتری شود.
• هنگامی که باکتری‌ها با ذرات فاژ با تعدد زیاد مخلوط می‌شوند (یعنی تعداد بسیار زیادی فاژ در هر سلول باکتری)، سوراخ‌های زیادی روی سلول باکتری ایجاد می‌شود و در نتیجه محتویات سلولی از بین می‌رود. بدون تکثیر ویروسی، لیز باکتری‌ها اتفاق می‌افتد. این به عنوان لیز خارجی شناخته می‌شود.

 سنتز اسید نوکلئیک فاژ و پروتئین

• ساخت اجزای فاژ به محض نفوذ اسید نوکلئیک فاژ به سلول میزبان آغاز می‌شود.
• اولین محصولاتی که تولید می‌شوند (که به آنها پروتئین‌های اولیه گفته می‌شود) آنزیم‌های مورد نیاز برای ساخت ترکیبات پیچیده‌ای هستند که منحصر به فاژ هستند.
• متعاقباً پروتئین‌های دیررس مانند زیر واحدهای پروتئینی سر و دم فاژ تولید می‌شوند.
• در این مدت، سنتز پروتئین، DNA و RNA باکتری متوقف می‌شود و سلول برای تولید اجزای ویروسی تحت فشار قرار می‌گیرد.
• ژن‌های دیررس تنها پس از تکرار DNA فاژ بیان می‌شوند.
• اجزای ساختاری ذرات فاژ جدید، از جمله سر، دم و الیاف آنها، توسط محصولات ژنی دیرینه کدگذاری می‌‍شوند.
• لیزوزیم فاژ، که دیواره سلولی باکتری را تجزیه می‌کند تا ذرات فاژ بالغ را آزاد کند، نیز یک محصول دیررس است.

مونتاژ و بلوغ

• به منظور ایجاد ذره فاژ نتاج بالغ، پروتئین‌های ساختاری و اسید نوکلئیک فاژ در طول مسیرهای خاصی جمع می‌شوند.
• در سلول باکتری، DNA فاژ، پروتئین سر و پروتئین دم به طور مستقل تولید می‌شوند.
• DNA به صورت چند وجهی فشرده شده و در سر بسته می‌شود. سپس ساختارهای دم وارد می‌شوند.
• این فرآیند مونتاژ اجزای فاژ در یک ذره فاژ بالغ عفونی به عنوان بلوغ شناخته می‌شود.

انتشار

• در پایان فاز درون سلولی، بسیاری از فاژها سلول‌های میزبان خود را لیز می‌کنند.
• به طور معمول، فاژهای نتاج بالغ با لیز سلول باکتری آزاد می‌شوند.
• در طی تکثیر فاژ، دیواره سلولی باکتری ضعیف شده و به شکل کروی در می‌آید.
• دیواره سلولی ضعیف شده توسط آنزیم‌های فاژ پاره یا لیز می‌شود و در نتیجه فاژهای دختر بالغ آزاد می‌شوند.

• چرخه لیزوژنیک

طی چرخه لیزوژنیک، DNA فاژ در ژنوم باکتری ادغام و به طور همزمان با آن تکثیر می‌شود؛ این تکثیر بدون آسیب به سلول میزبان بوده و بر خلاف فاژهای بدخیم که منجر به لیز سلول میزبان می‌شود، فاژهای لیزوژنیک باعث پاره شدن و از بین رفتن باکتری میزبان نمی‌شوند.

• پس از ورود به سلول میزبان، اسید نوکلئیک یک فاژ لیزوژنیک به کروموزوم باکتری وارد می‌شود.
• اسید نوکلئیک فاژ لیزوژنیک به نام پروفاژ شناخته می‌شود.
• پروفاژ به طور همزمان با کروموزوم میزبان تکثیر می‌شود. این رفتار تحت عنوان لیزوژنی و باکتری‌ حامل پروفاژ تحت عنوان باکتری لیزوژن یا لیزوژن شناخته می‌شود. علت ایت نام‌گذاری این است که پروفاژ توانایی لیز کردن باکتری میزبان خود را حفظ می‌کند. فاژهایی که می‌توانند وارد این رابطه شوند به عنوان فاژهای معتدل شناخته می‌شوند.

در بیشتر موارد، پروفاژ در ژنوم باکتری ادغام می‌شود، اما می‌تواند به طور مستقل نیز زندگی کند. فرآیند لیزوژنیزاسیون تأثیر کمی بر متابولیسم باکتری دارد.

پروفاژ ویژگی‌های جدیدی به باکتری لیزوژن می‌دهد. این فرآیند به عنوان تبدیل لیزوژنیک یا فاژی شناخته می‌شود. در برخی موارد، فاژهای معتدل به بیماری‌زایی باکتری‌های گرم مثبت (مانند باسیلوس سرئوس) و گرم منفی جدا شده از محیط‌های بالینی کمک می‌کنند. انواع C و D کلستریدیوم بوتولینوم تنها زمانی که به ترتیب با فاژهای CE b و DE b آلوده می شوند، سم تولید می کنند.

در طول تکثیر باکتری‌های لیزوژنیک، پروفاژ ممکن است از برخی سلول‌ها جدا شود؛ پروفاژ جدا شده همانندسازی لیتیک را آغاز کرده و ذرات فاژ دختر را آزاد می‌کند. فاژهای جدید، این توانایی را دارند تا به سلول‌های باکتریایی دیگر حمله کرده و آن‌ها را آلوده کنند.

چگونه می‌توان فاژها را در صنایع مورد استفاده قرار داد؟

در صنعت هزینه‌های هنگفتی برای از بین بردن فاژها و جلوگیری از تکثیر آن‌ها صورت می‌گیرد. اما استفاده اخیر فاژها در درمان و جلوگیری از مسمومیت غذایی و بیماری‌های میکروبی اسهال خونی و همچنین نگهداری مواد غذایی رویکرد جدیدی را درعرصه صنعت غذا ایجاد کرده‌است. برای مثال استفاده از کوکتل فاژی که پیش‌تر اشاره شد، در نگهداری مواد غذایی برای جلوگیری ازباکتری‌ها یا پاتوژن‌ها استفاده شده که از روش‌های نوین نگهداری مواد غذایی به صورت سرد می‌باشد.

سال‌های اخیر گزارش‌های متعددی در مورد استفاده موفقیت آمیز از باکتری‌خوار‌ها در زمینه‌های مختلف از جمله  کاربرد باکتریوفاژها در صنایع غذایی و دارویی گزارش شده است که به عنوان روش‌های سبز در نظر گرفته می‌شوند. اکنون چندین شرکت در حال تجاری سازی باکتریوفاژها یا محصولات مبتنی بر باکتریوفاژ برای اهداف درمانی هستند. سایر کاربردهای آن به شرح زیر است:

• کاربرد باکتریوفاژ در بهداشت و ایمنی مواد غذایی
• کاربرد باکتریوفاژها در صنایع لبنی
• کشاورزی
• آبزی پروری
• کاربرد باکتریوفاژها در درمان عفونت‌های باکتریایی
• کاربرد باکتری‌خوار در بیوکنترل پاتوژن‌های مواد غذایی

شناسایی و غیر فعالسازی باکتریوفاژها در صنایع لبنی بسیار حائز اهمیت است. چرا که محصولات لبنی بالاترین سرانه مصرف در هر کشور را به خود اختصاص داده و مسمومیت‌های ناشی از حضور آلودگی در آن‌ها می‌تواند بسیار خطرساز باشد. شیر، به عنوان یک محیط مایع، انتشار فاژ را تسهیل می‌کند و احتمال برخورد با باکتری‌ها را افزایش می‌دهد. گزارش شده است که امکان ترکیب لیزین‌های فاژ با اسپورهای بیماری‌زا در شیر وجود دارد. اسپورهای بیماری‌زای موجود در شیر ممکن است در پاستوریزاسیون زنده مانده، جوانه زده و در تجهیزات کارخانه‎های فرآوری لبنیات بیوفیلم تشکیل دهند. افزودن فاژها یا پروتئین‌های فاژی به شیر بعد از فرآیند پاستوریزاسیون می‌تواند یک روش موثر برای کنترل اسپورهای جوانه زده باشد.

همان‌طور که در ابتدا نیز ذکر شد، از فاژها می‌توان در صنایع نیز استفاده کرد. در ادامه قصد داریم تا به بررسی یک از جدیدترین دستاوردها در حوزه‌ی صنعت شیر و محصولات لبنی، با استفاده از فاژهای مهندسی شده‌ی باسیلوس سرئوس بپردازیم.

باسیلوس سرئوس

باسیلوس سرئوس، باسیلی گرم مثبت است و معمولا در خاک ، مواد غذایی و اسفنج‌های دریایی یافت می‌شود. در حالی که سویه‌هایی از این باکتری می‌توانند به عنوان پروبیوتیک برای حیوانات عمل کنند، برخی دیگر از سویه‌ها پاتوژن بوده و از عفونت های چشمی، مجاری تنفسی و زخم‌ها نیز جداسازی شده‌اند.

پاتوژنسیتی باسیلوس سرئوس اغلب با حضور در مواد غذایی بروز کرده و به دلیل ماهیت هاگزایی و توانایی تولید اسپور می‌توانند باعث ایجاد مسمومیت غذایی در افراد شوند. این باکتری می‌تواند به سرعت در دمای اتاق به تعداد زیاد تکثیر شده و سمومی را در ماده‌ی غذایی تولید کند؛ پس از مصرف ماده‌ی غذایی آلوده توسط شخص، توکسین موجود در غذا، دو نوع بیماری گوارشی ممکن است ایجاد شود:

• سندرم استفراغ
• سندرم اسهال

سندرم اسهال و استفراغ زمانی اتفاق می‌افتد که به ترتیب انتروتوکسین‌ و سرولید‌ در روده به دنبال خوردن غذای آلوده به باسیلوس سرئوس تولید ‌شوند.

مهندسی فاژ

فاژهای مهندسی شده برای هدف قرار دادن باکتری‌های مضر خاص طراحی شده اند و در عین حال باکتری‌های مفید را دست نخورده باقی می‌گذارند. توسعه و مهندسی چنین فاژهایی شامل مراحل مختلفی از جمله شناسایی باکتری‌های هدف، جداسازی فاژهای خاص برای باکتری‌های هدف، و اصلاح فاژها برای سازگاری با مواد و محصولات مثل محصولات لبنی می‌باشد. در این مرحله قصد داریم تا با جدید‌ترین دست‌اورد صنعت مهندسی فاژ به وسیله باکتری باسیلوس سرئوس صحبت کنیم.

فاژ مهندسی شده باکتری باسیلوس سرئوس

استفاده از فاژها در صنایع غذایی به منظور کنترل آلودگی‌های باکتریایی در برخی از کشورها مورد تایید و استفاده قرار گرفته است. با این حال، استفاده گسترده‌تر‌ از این فاژها، محدودیت‌ها و مشکلاتی را نیز به دنبال دارد. به عنوان مثال، تداوم استفاده از فاژهای عفونی در صنایع غذایی می‌تواند منجر به ظهور باکتری‌های مقاوم شود که در طولانی مدت می‌تواند تأثیرات منفی را به دنبال داشته باشد؛ علاوه بر این، اثربخشی فاژ‌ها را در برابر سویه‌های مختلف محدود می‌کند.

نتیجه تحقیقات نشان داده فاژهای مهندسی شده، به طور موثری تعداد باکتری‌های باسیلوس سرئوس را در شیر کاهش داده و از تکثیر مجدد آن‌ها جلوگیری می‌کنند. در واقع در این پژوهش‌ها از فاژها به عنوان ویروس‌های فعال استفاده می‌شود تا با ورود آن‌ها به باسیلوس سرئوس، باکتری را به سویه‌ی مهندسی شده‌ی قابل کنترل‌تر، ایمن‌تر و کارآمدتری تبدیل کنند.

در فرآیند انجام مهندسی فاژ، ژنی که مسئول تولید پروتئین‌های متصل شونده به گیرنده‌های باکتری است (appendage gene) از ژنوم فاژ حذف می‌شود؛ حذف این ژن باعث تولید ذرات فاژی جدید دارای نقص ساختاری در محل زوائد (appendages) می‌شود که در نهایت منجر به از بین رفتن عفونت پس از حذف میزبان خواهد شد.

همچنین، در طول آماده‌سازی فاژ از واسطه‌های پلاسمیدی برای بیان این پروتئین‌ها (appendage proteins) استفاده می‌شود که امکان تغییر طیف میزبان‌ها بدون درج ژن را برای فاژ فراهم می‌کند. این استراتژی به استفاده از فاژهای مهندسی شده در صنایع غذایی کمک‌های فراوانی خواهد کرد. مثلا می‌تواند پس از حذف میزبان، منجر به نابودی عفونت یا اثرگزاری باکتری بر روی محصولات شود.

نویسنده: هلیا مشهدی‌باقر‌کرباسی

ویراستار: ستاره سنگری

منابع:

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK459121/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_cereus
3. http://www.bccdc.ca/health-info/diseases-conditions/bacillus-cereus
4. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37517118/
5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8308837/#:~:text=Overview%20of%20engineered%20phages.,have%20been%20designed%20and%20produced.
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage
7. https://mahamax.com/%D8%A8%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C-%D9%87%D8%A7-%DA%AF%D8%B1%D9%85-%D9%85%D8%AB%D8%A8%D8%AA-%D9%88-%D9%85%D9%86%D9%81%DB%8C-%D9%88-%D8%B7%D8%B1%DB%8C%D9%82%D9%87-%D8%B1%D9%86%DA%AF-%D8%A2%D9%85#:~:text=%DA%AF%D8%B1%DA%86%D9%87%20%D9%87%D8%B1%20%D8%AF%D9%88%20%DA%AF%D8%B1%D9%88%D9%87%20%DB%8C%D8%B9%D9%86%DB%8C,%D8%B6%D8%AE%D8%A7%D9%85%D8%AA%20%D8%A2%D9%86%20%D8%A8%D9%87%20%D8%AD%D8%AF%D8%A7%D9%82%D9%84%20%D9%85%DB%8C%D8%B1%D8%B3%D8%AF%20.
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage
9. https://mahamax.com/%D8%A8%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C-%D9%87%D8%A7-%DA%AF%D8%B1%D9%85-%D9%85%D8%AB%D8%A8%D8%AA-%D9%88-%D9%85%D9%86%D9%81%DB%8C-%D9%88-%D8%B7%D8%B1%DB%8C%D9%82%D9%87-%D8%B1%D9%86%DA%AF-%D8%A2%D9%85#:~:text=%DA%AF%D8%B1%DA%86%D9%87%20%D9%87%D8%B1%20%D8%AF%D9%88%20%DA%AF%D8%B1%D9%88%D9%87%20%DB%8C%D8%B9%D9%86%DB%8C,%D8%B6%D8%AE%D8%A7%D9%85%D8%AA%20%D8%A2%D9%86%20%D8%A8%D9%87%20%D8%AD%D8%AF%D8%A7%D9%82%D9%84%20%D9%85%DB%8C%D8%B1%D8%B3%D8%AF%20.
10. https://microbiologynote.com/fa/%D8%A8%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D9%88%D9%81%D8%A7%DA%98%D9%87%D8%A7/#bacteriophage-classification-and-examples