Đặc điểm hình thái, sinh lý, sự chuyển hóa, phân loại và tiềm năng ứng dụng của vi khuẩn Bacillus subtilis và vi khuẩn Bacillus pumilus trong nông nghiệp xanh tại Thành phố Hà Nội

Tóm tắt

Chi Bacillus bao gồm các vi khuẩn Gram dương, hình que, có khả năng hình thành nội bào tử (endospore) chịu nhiệt và phân bố rộng rãi trong các hệ sinh thái từ đất, nước biển đến đường tiêu hóa động vật và sinh vật biển. Bài báo tổng quan này hệ thống hóa toàn diện các đặc điểm hình thái, sinh lý chuyển hóa kỵ khí tùy tiện, di truyền học tạo bào tử và tiềm năng ứng dụng công nghiệp/probiotic của hai loài tiêu biểu: Bacillus subtilis và Bacillus pumilus. B. subtilis đóng vai trò là sinh vật mô hình trong nghiên cứu nhân đôi nhiễm sắc thể, biệt hóa tế bào và là nhà máy tế bào thương mại tiết ngoại bào enzyme với năng suất đạt 20–25 g/L (van Dijl & Hecker, 2013). Trong khi đó, B. pumilus thể hiện năng lực thích ứng sinh thái cực đoan, chống chịu bức xạ UV, hóa chất diệt khuẩn và tiết các peptide kháng khuẩn có giá trị. Phân tích phân loại học đa pha kết hợp profile ester methyl axit béo toàn bộ tế bào (FAME) và giải trình tự gen 16S rDNA (kích thước amplicon ~454–500 bp) xếp cả hai loài vào Nhóm 1 (B. subtilis group) với độ tương đồng chuỗi đạt 99–100% (Ash et al., 1991; Parvathi et al., 2009). Đặc biệt, đánh giá an toàn vi sinh ghi nhận dữ liệu thực nghiệm mang tính bước ngoặt về sự xuất hiện của gen độc tố nôn mửa cesB (kích thước amplicon 635 bp, độ tương đồng nucleotide 96%) ở chủng B. pumilus NIOB 133 phân lập từ cá cửa sông tại Cochin, Ấn Độ (Parvathi et al., 2009). Mặc dù Bacillus spp. được trao trạng thái an toàn GRAS (US FDA) và QPS (EFSA), và thử nghiệm lâm sàng trên người của chủng B. subtilis CU1 (liều 2 tỷ bào tử/ngày với phác đồ 10 ngày uống, 18 ngày nghỉ mỗi tháng kéo dài 4 tháng) chứng minh tính an toàn tuyệt đối (Lefevre et al., 2017), các nguy cơ rủi ro sinh học như hiện tượng nhầy ruột bánh mì và nhiễm trùng cơ hội đặt ra yêu cầu bắt buộc phải đánh giá an toàn sinh học ở cấp độ chủng (strain-specific assessment) dựa trên công nghệ giải trình tự toàn bộ hệ gen (WGS).

Từ khóa: Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, 16S rDNA, FAME, Sporulation, cesB, Probiotic.

Tài liệu Tham khảo (References - Standard APA)

1. Agata, N., Ohta, M., Mori, M., & Isobe, M. (1995). A novel dodecadepsipeptide, cereulide, is an emetic toxin of Bacillus cereus. FEMS Microbiology Letters, 129(1), 17-20.
2. Aunpad, R., & Na-Bangchang, K. (2007). Pumilicin 4, a novel bacteriocin with anti-MRSA and anti-VRE activity produced by newly isolated bacteria Bacillus pumilus strain WAPB4. Current Microbiology, 55(4), 308-313.
3. Ciprandi, G., Scordamaglia, A., Venuti, D., Caria, M., & Canonica, G. W. (1986). In vitro effects of Bacillus subtilis on the immune response. Chemioterapia, 5(6), 404-407.
4. Dauner, M., Storni, T., & Sauer, U. (2001). Bacillus subtilis metabolism and energetics in carbon-limited and excess-carbon chemostat culture. Journal of Bacteriology, 183(24), 7308-7317.
5. EFSA Panel on Biological Hazards (BIOHAZ). (2010). Scientific opinion on the maintenance of the list of QPS microorganisms intentionally added to food or feed (2010 update). EFSA Journal, 8(12), 1944.
6. Ehling-Schulz, M., Fricker, M., & Scherer, S. (2004). Identification of emetic toxin-producing Bacillus cereus strains by a novel molecular assay. FEMS Microbiology Letters, 232(2), 189-195.
7. Errington, J., & Aart, L. T. (2020). Microbe Profile: Bacillus subtilis: model organism for cellular development, and industrial workhorse. Microbiology, 166(5), 425-427.
8. From, C., Hormazabal, V., & Granum, P. E. (2007). Food poisoning associated with pumilacidin-producing Bacillus pumilus in rice. International Journal of Food Microbiology, 115(3), 319-324.
9. Higgins, D., & Dworkin, J. (2012). Recent progress in Bacillus subtilis sporulation. FEMS Microbiology Reviews, 36(1), 131-148.
10. Horneck, G., Klaus, D. M., & Mancinelli, R. L. (2010). Space microbiology. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 74(1), 121-156.
11. Johnson, B. A., Anker, H., & Meleney, F. L. (1945). Bacitracin: A new antibiotic produced by a member of the B. subtilis group. Science, 102(2650), 376-377.
12. Lefevre, M., Racedo, S. M., Denayrolles, M., Ripert, G., Desfougères, T., Lobach, A. R., ... & Urdaci, M. C. (2017). Safety assessment of Bacillus subtilis CU1 for use as a probiotic in humans. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 83, 54-65.
13. Losick, R. M. (2020). Bacillus subtilis: A bacterium for all seasons. Current Biology, 30(19), R1146-R1150.
14. McKenney, P. T., Driks, A., & Eichenberger, P. (2013). The Bacillus subtilis endospore: Assembly and functions of the multilayered coat. Nature Reviews Microbiology, 11(1), 33-44.
15. Nakano, M. M., & Zuber, P. (1998). Anaerobic growth of a "strict aerobe" (Bacillus subtilis). Annual Review of Microbiology, 52(1), 165-190.
16. Nieminen, T., Rintaluoma, N., Andersson, M., Taimisto, A. M., Ali-Vehmas, T., Seppälä, A., Priha, O., & Salkinoja-Salonen, M. (2007). Toxinogenic Bacillus pumilus and Bacillus licheniformis from mastitic milk. Veterinary Microbiology, 124(3-4), 329-339.
17. Parvathi, A., Krishna, K., Jose, J., Joseph, N., & Nair, S. (2009). Biochemical and molecular characterization of Bacillus pumilus isolated from coastal environment in Cochin, India. Brazilian Journal of Microbiology, 40(2), 269-275.
18. Paul, S. I., & Rahman, M. M. (2022). Draft genome sequence of Bacillus subtilis YBS29, a potential fish probiotic that prevents motile Aeromonas septicemia in Labeo rohita. Microbiology Resource Announcements, 11(10), e00915-22.
19. Paul, S. I., Rahman, M. M., Salam, M. A., Khan, M. A., & Islam, M. T. (2021). Identification of marine sponge-associated bacteria of the Saint Martin's island of the Bay of Bengal emphasizing on the prevention of motile Aeromonas septicemia in Labeo rohita. Aquaculture, 545, 737156.
20. Pepe, O., Blaiotta, G., Moschetti, G., Greco, T., & Villani, F. (2003). Rope-producing strains of Bacillus spp. from wheat bread and strategy for their control by lactic acid bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 69(4), 2321-2329.
21. Podstawka, A. (1945). Bacillus licheniformis Tracy I | DSM 603, ATCC 10716, NCIB 8874 | BacDiveID:686. BacDive - the Bacterial Diversity Metadatabase.
22. Rahman, M. M., Paul, S. I., Akter, T., Tay, A. C., Foysal, M. J., & Islam, M. T. (2020). Whole-genome sequence of Bacillus subtilis WS1A, a promising fish probiotic strain isolated from marine sponge of the Bay of Bengal. Microbiology Resource Announcements, 9(39), e00641-20.
23. Rasko, D. A., Rosovitz, M. J., Okstad, O. A., Fouts, D. E., Jiang, L., Cer, R. Z., Kolstø, A. B., Gill, S. R., & Ravel, J. (2007). Complete sequence analysis of novel plasmids from emetic and periodontal Bacillus cereus isolates reveals a common evolutionary history among the B. cereus-group plasmids, including Bacillus anthracis pXO1. Journal of Bacteriology, 189(1), 52-64.
24. Slonczewski, J., Foster, J., & Zinser, E. (2020). Microbiology: An evolving science (5th ed.). W. W. Norton & Company.
25. Stephens, C. (1998). Bacterial sporulation: A question of commitment? Current Biology, 8(2), R45-R48.
26. Tan, I. S., & Ramamurthi, K. S. (2014). Spore formation in Bacillus subtilis. Environmental Microbiology Reports, 6(3), 212-225.
27. van Dijl, J. M., & Hecker, M. (2013). Bacillus subtilis: From soil bacterium to super-secreting cell factory. Microbial Cell Factories, 12(1), 3.