Mechanisms of Enhancing Bacteriocin Synthesis by Members of the Lactobacillaceae

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background: Bacteriocins produced by lactic acid bacteria (LAB) are natural antimicrobial peptides capable of effectively inhibiting the growth of pathogenic and antibiotic-resistant microorganisms. Their application in the food, medical, and biotechnological industries requires stable and high-yield production. Enhancing the productivity of producer strains is a key factor for expanding the industrial use of bacteriocins.Purpose: A comparative analysis of biochemical, technological, and genetic factors affecting bacteriocin yield in members of the Lactobacillaceae family, with a focus on practical strategies to enhance their synthesis.Manerials and Methods: A systematic literature review was conducted using the PRISMA protocol, covering publications from 2015–2025. The study analyzed the effects of cultivation conditions (pH, temperature, medium composition, agitation rate), carbon and nitrogen sources, and interspecies microbial interactions. Special attention was given to genetic engineering, including regulated expression systems and CRISPR-Cas9. Co-culturing methods and quorum-sensing inducers were also evaluated.Results: Optimization of the growth medium, selection of carbohydrate and nitrogen supplements, and the use of biological inducers (PlnA, AI-2) were found to increase bacteriocin yield by 30–70%. Co-cultivation with Bacillus subtilis enhanced the expression of gene clusters regulating plantaricin synthesis. Heterologous expression using nisin-based systems enabled the production of active PlnJ and PlnK peptides with pronounced antimicrobial activity. Analysis of Lactiplantibacillus plantarum strains revealed that maximum cell density, achieved between 28 and 34 hours, correlated with peak bacteriocin production. Genetic engineering technologies, particularly CRISPR-Cas9, demonstrated high potential for improving production strains.Conclusion: The findings indicate that a combined approach can significantly increase bacteriocin yields. A rational strategy, tailored to strain characteristics, production goals, and technical feasibility, ensures efficient scalability without increasing production costs.

作者简介

I. Sokolov

Russian Biotechnological University

Email: radek.sokolov1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4574-6853

V. Nsanova

Russian Biotechnological University

Email: Adekemore@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-2008-5631

V. Vinogradov

Russian Biotechnological University

Email: maxvin-96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-8214-8569

M. Kanochkina

Russian Biotechnological University

Email: kanoch@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6077-5957
SPIN 代码: 2584-6474

参考

  1. • Aasen, I. M., et al. (2000). Influence of nutrients, temperature and pH on bacteriocin production by Lactobacillus sakei. Applied Microbiology and Biotechnology, 53(2), 159–166. doi: 10.1007/s002530050003
  2. • Abanoz, H. S., Kunduhoglu, B. (2021). Antimicrobial activity of bacteriocins against food pathogens. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(4), 3315–3337. doi: 10.1111/1541-4337.12769
  3. • Abo-Amer, A. E. (2011). Optimization of bacteriocin production by Lactobacillus acidophilus AA11, a strain isolated from Egyptian cheese. Annals of Microbiology, 61(3), 445–452. doi: 10.1007/s13213-010-0157-6
  4. • Alvarez-Sieiro, P., et al. (2016). Bacteriocins of lactic acid bacteria: extending the family. Applied Microbiology and Biotechnology, 100(7), 2939–2951. doi: 10.1007/s00253-016-7343-9
  5. • Anastasiadou, S., et al. (2008). Growth and metabolism of a meat isolated strain of Pediococcus pentosaceus in submerged fermentation. Enzyme and Microbial Technology, 43(6), 448–454. doi: 10.1016/j.enzmictec.2008.05.007
  6. • Anthony, T., et al. (2009). Influence of medium and fermentation conditions on bacteriocin production by Bacillus licheniformis AnBa9. Bioresource Technology, 100(2), 872–877. doi: 10.1016/j.biortech.2008.07.027
  7. • Balciunas, E. M., et al. (2023). Novel bacteriocins from Enterococcus spp.: biotechnological potential. Biotechnology Letters, 45(2), 189–201. doi: 10.1007/s10529-022-03327-9
  8. • Bharti, V., et al. (2015). Bacteriocin: A novel approach for preservation of food. International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 7(9), 1–10.
  9. • Cabo, M. L., et al. (2001). Effects of aeration and pH gradient on nisin production. Enzyme and Microbial Technology, 29(4–5), 264–273. doi: 10.1016/S0141-0229(01)00378-7
  10. • Cheigh, C.-I., et al. (2002). Influence of growth conditions on the production of a nisin-like bacteriocin by Lactococcus lactis subsp. lactis A164. Journal of Biotechnology, 95(3), 225–235. doi: 10.1016/S0168-1656(02)00010-X
  11. • Daba, H., et al. (1993). Influence of growth conditions on production and activity of mesenterocin 5 by a strain of Leuconostoc mesenteroides. Applied Microbiology and Biotechnology, 39(2), 166–173. doi: 10.1007/BF00228601
  12. • De Arauz, L. J., et al. (2009). Nisin biotechnological production and application: a review. Trends in Food Science & Technology, 20(3–4), 146–154. doi: 10.1016/j.tifs.2009.01.056
  13. • De Carvalho, A. A. T., et al. (2009). The effect of carbon and nitrogen sources on bovicin HC5 production by Streptococcus bovis HC5. Journal of Applied Microbiology, 107(1), 339–347. doi: 10.1111/j.1365-2672.2009.04212.x
  14. • De Vuyst, L. (1994). Lactostrepcins, bacteriocins produced by Lactococcus lactis strains. In: Bacteriocins of Lactic Acid Bacteria, 291–299. Boston, MA: Springer US.
  15. • Dobson, A. et al. Bacteriocin production: a probiotic trait? // Applied and Environmental Microbiology. – 2012. – Vol. 78, № 1. – P. 1-6. doi: 10.1128/AEM.05576-11
  16. • Dominguez, A. P. M., et al. (2007). Cerein 8A production in soybean protein using response surface methodology. Biochemical Engineering Journal, 35(2), 238–243. doi: 10.1016/j.bej.2007.01.019
  17. • Garsa, A. K., et al. (2014). Bacteriocin production and different strategies for their recovery and purification. Probiotics and Antimicrobial Proteins, 6(1), 47–58. doi: 10.1007/s12602-013-9153-z
  18. • Geisen, R., et al. (1993). Bacteriocin production of Leuconostoc carnosum LA54A at different combinations of pH and temperature. Journal of Industrial Microbiology, 12(3–5), 337–340. doi: 10.1007/BF01584211
  19. • Gharsallaoui, A., et al. (2020). Structural and functional insights into class IIa bacteriocins. Biochemical Journal, 477(1), 1–15. doi: 10.1042/BCJ20190475
  20. • Gong, X., et al. (2023). Immobilized cell systems for bacteriocin production. Bioresource Technology, 370, 128523. doi: 10.1016/j.biortech.2022.128523
  21. • Guerra, N. P., & Pastrana, L. (2001). Enhanced nisin and pediocin production on whey with nitrogen sources. Biotechnology Letters, 23(8), 609–612. doi: 10.1023/A:1010324910806
  22. • Guerra, N. P., et al. (2008). Modelling biphasic growth and pediocin production by Pediococcus acidilactici in fed-batch cultures. Biochemical Engineering Journal, 40(3), 465–472. doi: 10.1016/j.bej.2008.02.001
  23. • Holzapfel, W. H., Wood, B. J. B. (Eds.). (2018). Lactic Acid Bacteria: Biodiversity and Taxonomy (2nd ed.). Hoboken: Wiley-Blackwell. P. 632. doi: 10.1002/9781118995255
  24. • Kim, W. S., et al. (1997). The effect of nisin concentration and nutrient depletion on nisin production of Lactococcus lactis. Applied Microbiology and Biotechnology, 48(4), 449–453. doi: 10.1007/s002530051078
  25. • Liu, G., et al. (2022). CRISPR-Cas9 engineering of Lactococcus lactis for enhanced nisin yield. ACS Synthetic Biology, 11(3), 1123–1135. doi: 10.1021/acssynbio.1c00567
  26. • Liu, G., Nie, R., Liu, Y., Li, X., Duan, J., Hao, X., Shan, Y., & Zhang, J. (2022). Bacillus subtilis BS-15 Effectively Improves Plantaricin Production and the Regulatory Biosynthesis in Lactiplantibacillus plantarum RX-8. Frontiers in microbiology, 12, 772546. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.772546
  27. • Ljungh, A., Wadstrom, T. (Eds.). (2021). Lactobacillus Molecular Biology (4th ed.). Norfolk: Caister Academic Press. P. 298. doi: 10.21775/9781913652619
  28. • Luesink, E. J., et al. (1998). Transcriptional regulation of the las and gal operons in Lactococcus lactis. Molecular Microbiology, 30(4), 789–798. doi: 10.1046/j.1365-2958.1998.01111.x
  29. • Mataragas, M., et al. (2002). Characterization of two bacteriocins produced by Leuconostoc mesenteroides L124 and Lactobacillus curvatus L442, isolated from dry fermented sausages. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 18(9), 847–856. doi: 10.1023/A:1021239008582
  30. • Mataragas, M., Metaxopoulos, J. and Drosinos, E. H. 2002. Characterization of two bacteriocins produced by Leuconostoc mesenteroides L124 and Lactobacillus curvatus L442, isolated from dry fermented sausages. World Journal of Microbiology and Biotechnology 18 (9):847–56. doi: 10.1023/A:1021239008582.
  31. • Miao, J., et al. (2015). Optimization of culture conditions for the production of antimicrobial substances by probiotic Lactobacillus paracasei subsp. tolerans FX-6. Journal of Functional Foods, 18, 244–253. doi: 10.1016/j.jff.2015.07.011
  32. • Montville, T. J., Matthews, K. R. (2021). Food Microbiology: An Introduction (4th ed.). Washington: ASM Press. P. 598. doi: 10.1128/9781555819974
  33. • Moretro, T., et al. (2000). Production of sakacin P by Lactobacillus sakei in defined medium. Journal of Applied Microbiology, 88(3), 536–545. doi: 10.1046/j.1365-2672.2000.00994.x
  34. • Motta, A. S., & Brandelli, A. (2003). Influence of growth conditions on bacteriocin production by Brevibacterium linens. Applied Microbiology and Biotechnology, 62(2–3), 163–167. doi: 10.1007/s00253-003-1292-9
  35. • Mozzi, F., et al. (2020). Biotechnology of Lactic Acid Bacteria: Novel Applications (2nd ed.). Hoboken: Wiley. P. 432. doi: 10.1002/9781119593132
  36. • Nes, I. F., et al. (2020). Bacteriocins of Lactic Acid Bacteria: Microbiology, Genetics and Applications. Hoboken: Wiley. P. 356. doi: 10.1002/9781119599819
  37. • Papagianni, M., & Sergelidis, D. (2013). Effects of the presence of the curing agent sodium nitrite on bacteriocin production by Weissella paramesenteroides DX. Enzyme and Microbial Technology, 53(1), 1–5. doi: 10.1016/j.enzmictec.2013.04.003
  38. • Papagianni, M., et al. (2007). Investigating the relationship between the specific glucose uptake rate and nisin production in cultures of Lactococcus lactis. Enzyme and Microbial Technology, 40(6), 1557–1563. doi: 10.1016/j.enzmictec.2006.10.035
  39. • Parente, E., & Hill, C. (1992). A comparison of factors affecting the production of two bacteriocins from lactic acid bacteria. Journal of Applied Bacteriology, 73(4), 290–298. doi: 10.1111/j.1365-2672.1992.tb04980.x
  40. • Parente, E., & Ricciardi, A. (1994). Influence of pH on the production of enterocin 1146 during batch fermentation. Letters in Applied Microbiology, 19(1), 12–15. doi: 10.1111/j.1472-765X.1994.tb00891.x
  41. • Parente, E., et al. (1994). Influence of pH on growth and bacteriocin production by Lactococcus lactis subsp. lactis 140Nwc. Applied Microbiology and Biotechnology, 41(4), 388–389.
  42. • Pattnaik, P., et al. (2001). Purification and characterization of a bacteriocin-like compound (Lichenin) produced anaerobically by Bacillus licheniformis. Journal of Applied Microbiology, 91(4), 636–645. doi: 10.1046/j.1365-2672.2001.01429.x
  43. • Pattnaik, P., et al. (2005). Effect of environmental factors on production of lichenin by Bacillus licheniformis 26L-10/3RA. Microbiological Research, 160(2), 213–218. doi: 10.1016/j.micres.2005.01.006
  44. • Salminen, S., et al. (2022). Lactic Acid Bacteria: Microbiological and Functional Aspects (5th ed.). Boca Raton: CRC Press. P. 688. doi: 10.1201/9781003049223
  45. • Savadogo, A. (2019). Bacteriocins and Food Safety. London: Academic Press. P. 284. doi: 10.1016/C2017-0-02385-7
  46. • Schirru, S., et al. (2014). Comparison of bacteriocins production from Enterococcus faecium strains in cheese whey and MRS medium. Annals of Microbiology, 64(1), 321–331. doi: 10.1007/s13213-013-0667-0
  47. • Settanni, L., & Corsetti, A. (2008). Application of bacteriocins in vegetable food biopreservation. International Journal of Food Microbiology, 121(2), 123–138. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2007.09.001
  48. • Shin, J. M., et al. (2021). Heterologous expression of bacteriocins using lactic acid bacteria. Metabolic Engineering, 67, 1–10. doi: 10.1016/j.ymben.2021.05.007
  49. • Sonomoto, K., Yokota, A. (Eds.). (2021). Lactic Acid Bacteria: Engineering and Applications (2nd ed.). Berlin: Springer. P. 498. doi: 10.1007/978-981-33-6236-9
  50. • Stiles, M. E., Holzapfel, W. H. (2022). Lactic Acid Bacteria: Microbiological and Functional Aspects (5th ed.). Boca Raton: CRC Press. P. 712. doi: 10.1201/9781003049223
  51. • Todorov, S. D., et al. (2006). Effect of medium components on bacteriocin production by Lactobacillus plantarum strains ST23LD and ST341LD, isolated from spoiled olive brine. Microbiological Research, 161(2), 102–128. doi: 10.1016/j.micres.2005.06.006
  52. • Todorov, S. D., et al. (2010). Characterization of bacteriocins produced by two strains of Lactobacillus plantarum isolated from Beloura and Chourico, traditional pork products from Portugal. Meat Science, 84(3), 334–343. doi: 10.1016/j.meatsci.2009.08.053
  53. • Vignolo, G. M., et al. (1995). Influence of growth conditions on the production of lactocin 705 by Lactobacillus casei CRL 705. Journal of Applied Bacteriology, 78(1), 5–10. doi: 10.1111/j.1365-2672.1995.tb01665.x
  54. • Xu, Y., Yang, L., Li, P., & Gu, Q. (2019). Heterologous expression of Class IIb bacteriocin Plantaricin JK in Lactococcus lactis. Protein expression and purification, 159, 10–16. https://doi.org/10.1016/j.pep.2019.02.013
  55. • Yang, R., & Ray, B. (1994). Factors influencing production of bacteriocins by lactic acid bacteria. Food Microbiology, 11(4), 281–291. doi: 10.1006/fmic.1994.1032
  56. • Yang, S. C., et al. (2023). Next-generation bacteriocins: expanding the synthetic biology toolbox. Nature Reviews Chemistry, 7(2), 1–18. doi: 10.1038/s41570-022-00450-1
  57. • Zamfir, M., et al. (2000). Production kinetics of acidophilin 801 by Lactobacillus acidophilus IBB 801. FEMS Microbiology Letters, 190(2), 305–308. doi: 10.1111/j.1574-6968.2000.tb09303.x
  58. • Гусева, Т. Б., Солдатова, С. Ю., & Караньян, О. М. (2021). Органолептическая оценка молочных консервов: особенности проведения и интерпретации результатов. Товаровед продовольственных товаров, 10, 726–729. doi: 10.33920/igt-01-2110-01
  59. • Егоров, Н. С. (2020). Основы биотехнологии молочнокислых бактерий. СПб.: Профессия. С. 328.
  60. • Лоозе, В. В., Костромина, Т. Г., & Солдатова, С. Ю. (2024). Новые возможности научных исследований сохранности государственных запасов в многолетней мерзлоте. Научное обеспечение технологического развития и повышения конкурентоспособности в пищевой и перерабатывающей промышленности (с. 69–74). Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова.
  61. • Солдатова, С. Ю., Филатова, Г. Л., & Куликовская, Т. С. (2019). Листериоз - эмерджентная инфекция с пищевым путем передачи. Вестник Нижневартовского государственного университета, 2, 110–117.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».