Według Klaenhammera (1) 99% bakterii posiada zdolność do wytwarzania co najmniej jednej bakteriocyny. Zdolność tę zaobserwowano najpierw u bakterii Gram-ujemnych, a dopiero później u bakterii Gram-dodatnich (1). Bakteriocyny to peptydy lub białka o zróżnicowanych właściwościach biochemicznych, masie cząsteczkowej, mechanizmie działania, spektrum aktywności oraz lokalizacji i sekwencji genu (2). Posiadają aktywność antydrobnoustrojową skierowaną przeciwko tym samym szczepom bakterii, w których są produkowane, bądź też przeciwko szczepom z blisko spokrewnionych gatunków. Bakteriocyny syntezowane są rybosomalnie, wydzielane na zewnątrz komórki i produkowane przez bakterie w celu wyeliminowania lub zahamowania rozwoju innych bakterii. W 1925 roku zostało udokumentowane pierwsze odkrycie wskazujące na to że bakterie produkują cząsteczki antydrobnoustrojowe. Wtedy to belgijski mikrobiolog Andre Gratia, badając Escherichia coli zauważył obecność substancji o wysokiej specyficzności antybiotycznej, której aktywność skierowana była przeciwko innym osobnikom ze szczepu tego samego gatunku (3). Aktywność antybiotyczna została następnie znaleziona także w innych gatunkach Enterobacteriaceae. Zaproponowano także nazwę dla tych substancji, pochodzącą od nazwy pierwszego organizmu z którego je wyizolowano, czy E. coli, a mianowicie kolicyny. Ogólnie nomenklatura bakteriocyn zazwyczaj bazuje na nazwach organizmów, które je produkują, np. monocyna z Listeria monocytogenes. W 1952 roku Jacob zaproponował wspólną nazwę dla białkowych substancji o wysokiej specyficzności antybakteryjnej skierowanej głównie przeciwko przedstawicielom tego samego szczepu, co producenci – bakteriocyny (4). Ta nazwa obowiązuje do dziś.

Badania na poziomie molekularnym wykazały, że synteza bakteriocyn zachodzi pod kontrolą genów zlokalizowanych w DNA plazmidowym lub chromosomalnym (5). Mikroorganizmy posiadają jednocześnie geny determinujące odporność na bakteriocyny produkowane przez producenta. Tym samym geny kodujące aktywne białko oraz kodujące odporność na nie są wspólnie ekspresjonowane. Poza tym ekspresjonowane są również geny odpowiedzialne za transport bakteriocyny z komórki, czasami również enzymy uczestniczące w potranslacyjnej modyfikacji bakteriocyn.

Największą i najlepiej do tej pory poznaną grupą bakteriocyn są bakteriocyny produkowane przez bakterie fermentacji mlekowej. Sztandarowym przedstawicielem tej grupy jest nizyna pochodząca z Lactoccocus lactis.

Efektem olbrzymiej różnorodności bakteryjnych populacji występujących wspólnie na danym obszarze jest specyficzna konkurencja zachodząca między tymi populacjami. W porównaniu z innymi organizmami żywymi zjawiska te charakteryzują się znacznie większą intensywnością. W szczególności nieprzeciętne zróżnicowanie komórek bakteryjnych i ich właściwości, szybki wzrost, pozwoliły na zamieszkanie i skolonizowanie różnorodnych środowisk przez różne gatunki i szczepy. W określonych warunkach środowiskowych, w których niektóre bakterie wykazują możliwość syntezy składników, takich jak bakteriocyny czy antybiotyki, których to obecność jest w stanie hamować rozwój konkurentów, stawia populację producenta na wyższym poziomie rozwojowym. Choć większa część bakterii zamieszkująca wszelkie środowiska wykazuje bakteriocynogenność (6), dokładna rola bakteriocyn w różnych populacjach nie została jeszcze poznana. Jasne jest iż, bakteriocyny stanowią podstawowy arsenał wykorzystywany przez bakterie konkurujące ze sobą. Zarówno badania in vivo,jak i in vitro wykazały, że większość szczepów w modelowych populacjach była producentami bakteriocyn (7). Bakteriocyny odgrywają także dużą rolę w ustalaniu terytorium zajmowanego przez konkretną kolonię bakterii (7). Przykładem mogą tu być bakterie Myxococcus. Przedstawiciele tego rodzaju zazwyczaj wchodzą w interakcje socjalne ze sobą nawzajem. Jednakże, bardzo ciężko jest znaleźć dwa gatunki Myxococcus, zajmujące to samo terytorium. Jeżeli dwa gatunki Myxococcus, np. M. xanthus orazM. virescens, zostaną razem zaszczepione na pożywkę agarową, to odseparują się od siebie, i stworzą własne monospecyficzne terytoria (8). Powodem takiego niecodziennego fenomenu są bakteriocyny. Co więcej w pożywkach płynnych tych dwóch gatunków przeważać będzie M. virescens. To także jest pośrednio związane z produkcją bakteriocyn i prawdopodobnie wyjaśnia powszechne liczniejsze występowanie M. virescens w przyrodzie.

Bakteriocyny są często mylnie porównywane z antybiotykami. Główną cechą różniącą te dwa typy substancji jest ich biosynteza. Kolejną ważną cechą odróżniającą antybiotyki i bakteriocyny jest ich spektrum działania, które jednocześnie limituje używanie zarówno bakteriocyn, jak i antybiotyków w przemyśle, bądź w medycynie. Antybiotyki nie mogą być używane na przykład jako dodatek do żywności, gdyż z racji swego szerokiego spektrum aktywności, oprócz szczepów patogennych,  mogą likwidować także szczepy naturalnie występujące w danych produktach. Bakteriocyny zaś, z powodzeniem mogą zostać użyte jako dodatek do żywności kontrolujący i regulujący, wzrost i rozwój patogenów w jedzeniu. Tabela 1 ukazuje główne różnice pomiędzy antybiotykami a bakteriocynami.

Pomimo iż, dokładny stopień wzajemnych powiązań i interakcji, kompleksowość tych oddziaływań na poziomie ekologicznym i ewolucyjnym, nie są do końca jasne, można śmiało stwierdzić, iż bakteriocyny odgrywają fundamentalną rolę w dynamice rozwoju bakteryjnych populacji.

Klasyfikacja bakteriocyn

Klasyfikacja i nomenklatura bakteriocyn zmieniała się bardzo szybko i często w XX wieku. Początkowo bakteriocyny zdefiniowane były jako bakteryjne peptydy i białka, których wydzielenie powodowało śmierć komórki producenta, posiadające precyzyjny zakres aktywności i wiążące się do specyficznych receptorów komórkowych. Z czasem, odkryto związek syntezy bakteriocyn z obecnością plazmidów w komórkach. Fakt ten stał się kolejną cechą opisującą te związki. W roku 1957 Frederiq, bazując na wówczas najlepiej znanych kolicynach, ułożył klasyfikację która brała pod uwagę specyficzność adsorpcji do docelowych komórek, oraz specyfikę wykazywanej odporności (10). Podział ten nie był doskonały gdyż ciągle poznawano nowe detale w biologii bakteriocyn pozwalające precyzyjniej ustalać nowe grupy i podgrupy. W 1965 roku Reeves przedstawił listę szesnastu klas bakteriocyn bazującą na nazwach gatunków które je produkowały (11). Tak więc kolicyny były bakteriocynami pochodzącymi od E. coli, pestycyna z  Yersinia pestis, monocyna z Listeria monocytogenes itp. Dwa lata później Bradley, jako kryterium klasyfikacji przyjął różnice strukturalne cząsteczek bakteriocynowych (12). Podzielił on bakteriocyny na dwie duże grupy, różniące się przede wszystkim masą cząsteczkową. W pierwszej grupie znajdowały się cząsteczki o niskiej masie cząsteczkowej, zazwyczaj termostabilne, nie tworzące osadu się podczas ultrawirowania, oraz nie dające się dobrze zanalizować pod mikroskopem elektronowym. Druga grupa obejmowała większe cząsteczki, łatwo sedymentujące, termolabilne, odporne na działanie trypsyny, i nadające się do analizy mikroskopem elektronowym. Jednak taka klasyfikacja, oparta tylko na różnicach morfologicznych, mogła prowadzić do pomyłek. Bakterie bowiem, mogą syntezować różne białka podobne pod względem budowy i uorganizowania do bakteriocyn, które w rzeczywistości bakteriocynami nie są. Z czasem gdy odkryto szereg bakteriocyn produkowanych przez bakterie Gram-dodatnie, zaistniała potrzeba sprecyzowania samej definicji bakteriocyn i stworzenia klasyfikacji biorącej pod uwagę różne właściwości tych związków. Pojawiły się bowiem nowe odkrycia dowodzące np., iż bakteriocyny bakterii Gram-dodatnich w większości nie posiadają specyficznego receptora, koniecznego do związania się z błoną komórki wrażliwej, który to powszechnie występuje w kolicynach. Bakterie Gram-dodatnie charakteryzuje również dużo większe spektrum aktywności niż w przypadku bakteriocyn z bakterii Gram-ujemnych. Transport wewnątrzkomórkowy i sposób wydzielania także są odmienny. Ponadto brak zewnętrznej błony komórkowej i różne poziomy odporności na własne bakteriocyny wykazały, iż bakteriocyny produkowane przez bakterie Gram-dodatnie należy klasyfikować odrębnie(13, 14). Wśród artykułów przeglądowych można spotkać się z bardzo ogólnym podziałem bakteriocyn na kolicyny, czyli bakteriocyny bakterii Gram-ujemnych, oraz bakteriocyny bakterii Gram-dodatnich. Ostatecznie szczegółowa klasyfikacja jest dużo bardziej skomplikowana i porusza kilka aspektów ułatwiających skategoryzowanie bakteriocyn w poszczególne grupy. Klasyfikacja bakteriocyn opiera się na zróżnicowaniu struktury chemicznej, masy cząsteczkowej, wrażliwości na działanie enzymów, obecności modyfikowanych aminokwasów oraz mechanizmie działania.

Bakteriocyny bakterii Gram-dodatnich

Najpopularniejszym, najczęściej spotykanym i używanym podziałem bakteriocyn Gram-dodatnich jest podział zaproponowany przez Klaenhammera w 1993 roku (1). Wśród bakteriocyn bakterii Gram-dodatnich uwzględnia on cztery główne klasy, wewnątrz których tworzą się podklasy (tabela 2).

Większość bakteriocyn produkowanych przez bakterie Gram-dodatnie jest kationowymi białkami, o charakterze hydrofobowym lub amfipatycznym. W podziale Klaenhammera pierwszą grupę stanowią tzw. lantybiotyki. Lantybiotyki są niewielkimi peptydami (< 5 kDa) a swoją nazwę zawdzięczają obecności rzadko spotykanego aminokwasu – lantioniny. W ich skład wchodzą także inne rzadkie aminokwasy jak, α – metylolantionina (MeLan), dehydroalanina, czy kwas dehydroaminomasłowy. Analizując różnice w strukturze chemicznej oraz aktywności, lantybiotyki podzielić można na dwie klasy (15). Typ A lantybiotyków obejmuje fibrylarne peptydy, dodatnio naładowane, których aktywność przejawia się poprzez tworzenie porów w błonie cytoplazmatycznej docelowych bakterii. Do typu B zalicza się globularne peptydy, o ładunku ujemnym, bądź w ogóle nie posiadające ładunku, których aktywność antybiotyczna polega na inhibicji specyficznych enzymów. Wszystkie lantybiotyki typu B produkowane są przez bakterie Gram-dodatnie, których DNA charakteryzuje się wysokim udziałem par G+C. Nie stwierdzono aby lantybiotyki typu B produkowane były przez bakterie fermentacji mlekowej LAB (Lactic acid bacteria) (16).

Do kolejnej klasy, największej w całej klasyfikacji, należą bakteriocyny nielantybiotykowe. Ogólnie, są to niewielkie termostabilne peptydy (< 10 kDa), nieposiadające charakterystycznej dla pierwszej klasy bakteriocyn lantioniny. Zazwyczaj mają charakter kationowy lub amfifilowy, niszczą komórki docelowych organizmów głównie poprzez permeabilizację błony komórkowej. Zakres aktywności obejmuje bakterie Gram-dodatnie o niskiej zawartości par G+C takie jak bakterie LAB, czy bakterie należące do rodzajów Listeria, Enterococcus i Clostridium. Z racji ich różnorodności podzielone zostały na cztery podklasy:

Trzecia klasa bakteriocyn obejmuje cząsteczki, o dużej masie cząsteczkowej, łatwo ulegające degradacji i inaktywacji pod wpływem wysokiej temperatury. Ich aktywność antybiotykowa wyraża się inaczej niż w innych klasach bakteriocyn, bowiem nie działają na komórki wrażliwe poprzez uszkodzenie ich błony komórkowej. Nie zostały jeszcze do końca poznane i dokładniej scharakteryzowane, dlatego stanowią przedmiot intensywnych badań.

Do ostatniej klasy bakteriocyn bakterii Gram-dodatnich zalicza się bakteriocyny, które do pełni swojej aktywności wymagają obecności reszty lipidowej bądź węglowodanowej. Przykładem są glikoproteiny: leukocyna S i laktocyna 27. Podobnie jak w przypadku bakteriocyn przynależnych do klasy trzeciej, bakteriocyny klasy czwartej też nie zostały dobrze poznane, zwłaszcza na poziomie biochemicznym.

Bakteriocyny bakterii Gram-ujemnych

Podział bakteriocyn bakterii Gram-ujemnych jest mniej obszerny (tabela 3). Charakterystyczne dla bakteriocyn bakterii Gram-ujemnych jest to, iż ich spektrum działania jest dużo węższe niż w przypadku lantybiotyków, czy bakteriocyn nielantybiotykowych. W wielu przypadkach zarówno producent, jak i szczepy wrażliwe należą do tej samej rodziny, a przede wszystkim do tego samego gatunku(18).

Największą grupę stanowią kolicyny. Syntezowane są przez ponad połowę szczepów E. coli, a także przez bakterie z rodzaju Shigella, oraz Serratia. Inne rodziny Enterobacteriaceae także produkują bakteriocyny, takie jak pestycyny – bakteriocyny wytwarzane przez Yersinia pestis, czy marcescyny – bakteriocyny syntetyzowane przez Serratia marcescens.

Kolicyny są dużymi białkami o masie cząsteczkowej wahającej się od 25 kDa do 80 kDa. Ich spektrum aktywności jest dość wąskie, i zazwyczaj wykazywane jest wobec bakterii przynależnych do blisko spokrewnionych szczepów (19). Docelowe bakterie, na które działają kolicyny zawierają na powierzchni komórek specyficzny receptor kolicynowy, do którego kolicyny się wiążą. W porównaniu z bakteriocynami bakterii gramdodatnich, kolicyny wykazują również wiele różnic, jeśli chodzi o uorganizowanie klastrów genowych i operonów odpowiedzialnych za ich syntezę. Sposób regulacji ich biosyntezy jest również odmienny. Bakteriobójcze działanie kolicyn polega na tym, iż formują one w błonie cytoplazmatycznej wrażliwych komórek kanały jonowe. Proces ten powoduje depolaryzację błony. Czasem kolicynowa aktywność antydrobnoustrojowa wyraża się poprzez degradację, bądź hamowanie syntezy peptydoglikanu w ścianie komórkowej docelowych bakterii (18). Warto zaznaczyć, iż synteza i eksport kolicyn są zabójcze dla komórki producenta i powodują jej lizę.

Kolejną odrębną klasę bakteriocyn syntezowanych przez bakterie Gram-ujemne stanowią mikrocyny. Są one niskocząsteczkowymi peptydami, których aktywność skierowana jest głównie przeciw osobnikom z blisko spokrewnionych szczepów. Mikrocyny syntezowane są przez bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, a wszystkie poznane dotychczas syntetyzujące mikrocyny gatunki, z wyjątkiem Klebsiella pneumoniae, należą do gatunku E. coli (20). Mikrocyny różnią się między sobą mechanizmami działania, strukturą i genetyką. Ze względu na te różnice podzielone zostały na dwie klasy. Pierwsza klasa obejmuje niewielkie (< 5 kDa) peptydy, które ulęgają modyfikacjom potranslacyjnym i atakują głównie struktury wewnątrzkomórkowe. Druga klasa to nieco większe peptydy (7-10 kDa), które nie ulęgają modyfikacjom potranslacyjnym, zaś ich aktywność antybiotyczna wyraża się poprzez uszkadzanie i niszczenie błony komórkowej docelowych komórek. W przeciwieństwie do kolicyn, synteza mikrocyn nie jest letalna dla producenta. Związki te wykazują pewne cechy wspólne z niskocząsteczkowymi bakteriocynami syntetyzowanymi przez bakterie Gram-dodatnie, takie jak termostabilność, hydrofobowość i odporność na ekstremalne warunki.

Nizyna