แบคทีริโอซิน (bacteriocin) : สารถนอมอาหารทางเลือกที่ปลอดภัยจากเชื้อแบคทีเรียที่ใช้ในกระบวนการหมัก

 ดร. ดวงเดือน สุวรรณจินดา,

                

             ในประเทศไทยมีผลิตภัณฑ์อาหารหมักพื้นบ้านหลายชนิด เช่น แหนม ที่ทำโดยภูมิปัญญาชาวบ้านในอดีตโดยอาศัยแบคทีเรียที่ติดมากับวัตถุดิบ จนกระทั่งพัฒนามาเป็นอุตสาหกรรมในปัจจุบันโดยใช้ต้นเชื้อแบคทีเรีย ในกระบวนการหมักนี้มีการใช้ประโยชน์จากแบคทีเรียกลุ่มแลคติก (lactic acid bacteria) เช่น แบคทีเรียในสกุล  Lactobacillus, Pediococcus และ Lactococcus เป็นต้น  ท่านทราบหรือไม่ว่านอกจากแบคทีเรียกลุ่มแลคติกจะผลิตกรดแลคติกออกมาทำให้อาหารหมักมีรสเปรี้ยวแล้ว แบคทีเรียกลุ่มแลคติกยังสามารถช่วยเพิ่มคุณค่าของอาหารหมักในด้านความปลอดภัยและอายุการเก็บรักษาได้ เนื่องจากแบคทีเรียกลุ่มนี้สร้างสารที่เรียกว่า แบคทีริโอซิน (bacteriocin) ออกมาด้วย  ลองศึกษาความหมาย คุณสมบัติ กลไกการออกฤทธิ์ การทดลองเพื่อคัดเลือกหาแบคทีเรียที่สร้างแบคทีริโอซิน การจัดจำแนก และตัวอย่างของแบคทีริโอซินต่อไปนี้ แล้วพิจารณาว่าแบคทีริโอซินน่าจะมีประสิทธิภาพในการช่วยเพิ่มความปลอดภัย ช่วยยืดอายุการเก็บรักษาอาหารหมัก และแบคทีริโอซินน่าจะมีศักยภาพในการเป็นสารถนอมอาหารทางเลือกที่ปลอดภัยได้หรือไม่ อย่างไร จากรายงานผลการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ต่อไปนี้

                แบคทีริโอซิน (bacteriocin) เป็นสารที่มีโครงสร้างทางเคมีเป็นโปรตีนหรือเป็ปไทด์ซึ่งแบคทีเรียหลายชนิดสร้างขึ้นและหลั่งออกมาฆ่าแบคทีเรียชนิดอื่นโดยเฉพาะแบคทีเรียที่มีความใกล้ชิดกันทางพันธุกรรม หรือ มีความต้องการทางชีวภาพคล้ายๆกัน เช่น อาหาร หรือแหล่งที่อยู่อาศัย เพื่อให้ตัวเองสามารถมีชีวิตอยู่รอดได้หรือใช้สารอาหารได้ดีขึ้น

                แบคทีริโอซินมีคุณสมบัติแตกต่างจากสารปฏิชีวนะ (antibiotic) ในแง่ที่ออกฤทธิ์อย่างจำเพาะเจาะจงกับแบคทีเรียเป้าหมายซึ่งเป็นสายพันธุ์ที่คล้ายคลึงกับเชื้อที่สร้างสารดังกล่าวเป็นส่วนใหญ่ และเนื่องจากแบคทีริโอซินมีโครงสร้างทางเคมีเป็นโปรตีนหรือเป็ปไทด์ แบคทีริโอซินจึงถูกย่อยสลายได้ด้วยเอ็นไซม์ เช่น ทริปซิน (trypsin) หรือ แอลฟา ไคโมทริปซิน (a-chymotrypsin) แบคทีริโอซินจึงถูกย่อยสลายได้ในระบบย่อยอาหารของมนุษย์  นอกจากนี้แบคทีริโอซินออกฤทธิ์ได้ภายใต้สภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ค่าความเป็นกรด (pH) ช่วงหนึ่งเท่านั้น แบคทีริโอซินจึงได้รับการจัดจำแนกอยู่ในกลุ่มสารที่ปลอดภัย (GRAS, generally recognized as safe)

        แบคทีเรียสร้างแบคทีริโอซินออกมาในรูปที่ยังไม่ออกฤทธิ์ จากนั้นจะมีการส่งแบคทีริโอซินออกจากเซลล์แบคทีเรียผู้สร้างพร้อมกับการตัดส่วนต้นออก จึงได้เป็นแบคทีริโอซินที่พร้อมจะออกฤทธิ์ทำลายแบคทีเรียเป้าหมาย แต่จะถูกทำให้ไม่ออกฤทธิ์ต่อแบคทีเรียผู้สร้างเอง ดังรูปที่ 1

                                รูปที่ 1 แผนภาพแสดงการสร้าง การตัด และการส่งแบคทีริโอซินออกนอกเซลล์ผู้สร้าง (Ennahar et al., 2000)


              แบคทีริโอซินสามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรียโดยการทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเป็นสาเหตุให้เซลล์สูญเสียไอออน และ แรงขับเคลื่อนประจุ ทำให้เซลล์ตายในที่สุด (Jack, Tagg, & Ray, 1995) ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างในส่วนต่างๆของแบคทีริโอซิน (a)  ส่วนของแบคทีริโอซินที่มีหน้าที่ในการจำตำแหน่งรับจำเพาะบนเยื่อหุ้มเซลล์เป้าหมาย การจัดวางตัวและการสอดแทรกของแบคทีริโอซินที่ก่อให้เกิดรูซึ่งเป็นการทำลายเยื่อหุ้มเซลล์เป้าหมาย (b-c) (Ennahar et al., 2000)

             โดยปกตินักวิจัยจะทำการทดลองเพื่อคัดเลือกหาแบคทีเรียกลุ่มแลคติกที่สร้างแบคทีริโอซินจากอาหารหมักด้วยวิธีการทดสอบทางจุลชีววิทยาโดยการราดเชื้อตัวทดสอบลงบนโคโลนีของแบคทีเรียกลุ่มแลกติกที่แยกมาจากอาหารหมักแล้วสังเกต clear zone ซึ่งเป็นการทดสอบเบื้องต้นเพื่อสังเกตกิจกรรมที่แบคทีริโอซินฆ่าแบคทีเรียเป้าหมาย เช่นเดียวกับผลการทดลองของผู้เขียน ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงผลการทดสอบทางจุลชีววิทยาโดยการราดเชื้อตัวทดสอบ (Lactobacillus plantarum) ลงบนโคโลนีของแบคทีเรียกลุ่มแลกติกที่แยกมาจากอาหารหมัก ลูกศรสีดำชี้ clear zone ของแบคทีเรียกลุ่มแลกติกที่สร้างแบคทีริโอซิน (Suwanjinda et al., 2007)

          Klaenhammer (1993) ได้จัดจำแนกแบคทีริโอซินออกเป็น 3 กลุ่ม (class I, class II, class III) ตามลักษณะโครงสร้างปฐมภูมิ ดังนี้

          Class I (Lantibiotic) เป็นโปรตีนที่มีขนาดเล็ก (มวล<5 kDa) ทนความร้อน แบคทีริโอซินในกลุ่มนี้มีการเปลี่ยนแปลงภายหลังการสร้างโดยการดึงน้ำออกจาก serine และ threonine ได้เป็น didehydroalanine (Dha) และ didehydrobutyrine (Dhb) ซึ่งต่อมามีการเติม cysteine โดยใช้หมู่ SH เติมที่ C=C ของ Dha หรือ Dhb เกิดเป็น thioether amino acid ซึ่งมีคุณสมบัติทนกรดด้วย เรียกว่า lanthionine ตัวอย่างของแบคทีริโอซินในกลุ่มนี้คือ nisin ซึ่งสร้างโดยเชื้อแบคทีเรีย Lactococcus  lactis

          Class II เป็นแบคทีริโอซินที่มีขนาดเล็ก (มวล<10 kDa) ทนความร้อน แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงภายหลังการสร้างเหมือนที่เกิดใน class I ซึ่งจำแนกต่อไปได้อีกเป็นกลุ่มย่อย (subclasses) ดังนี้

           Subclass IIa เป็นแบคทีริโอซินที่มีลำดับกรดอะมิโนอนุรักษ์ (conserve) คือ YGNGV ที่ด้าน N-terminus ตัวอย่างของแบคทีริโอซินในกลุ่มนี้คือ pediocin ที่ผลิตโดย LAB หลายชนิด ได้แก่ Pediococcus pentosaceus และ P. acidilactici นอกจากนี้ยังมีแบคทีริโอซินชนิดอื่น เช่น plantaricin 423 ซึ่งสร้างโดยเชื้อ Lactobacillus  plantarum 423

           Subclass IIb เป็นแบคทีริโอซินที่การออกฤทธิ์จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อสายโพลีเป็ปไทด์สองสาย ที่ไม่มีโครงสร้างปฐมภูมิที่คล้ายคลึงกันเลยมาประกอบกันเพื่อทำงานร่วมกัน ตัวอย่างของแบคทีริโอซินในกลุ่มนี้ เช่น plantaricin EF และ JK ซึ่งสร้างโดยเชื้อ Lb. plantarum C11 Subclass IIc เป็นแบคทีริโอซินที่มี secondary-independent leader peptide ซึ่ง C-terminus ของแบคทีริโอซินประกอบด้วย ATP-binding cassette ที่ทำหน้าที่ในการส่งแบคทีริโอซินออกนอกเซลล์ ตัวอย่างของแบคทีริโอซินในกลุ่มนี้ เช่น lactococcin A ซึ่งสร้างโดยเชื้อแบคทีเรีย Lc. lactis และ plantaricin A ซึ่งสร้างโดยเชื้อ Lb. plantarum C11 เช่นกัน

Class III เป็นโปรตีนขนาดใหญ่ (มวล>30 kDa) ไม่ทนความร้อน ยังไม่มีการศึกษากันมากนัก ตัวอย่างของแบคทีริโอซินในกลุ่มนี้ คือ helveticin J ซึ่งสร้างโดยเชื้อแบคทีเรีย Lc. helveticus 481

            จะเห็นว่าแบคทีเรียชนิดหนึ่งอาจจะสร้างแบคทีริโอซินได้มากกว่าหนึ่งชนิด เช่น

            Lb. plantarum, Lc. lactis และแบคทีเรียต่างชนิดกันสามารถสร้างแบคทีริโอซินชนิดเดียวกันได้ เช่น P. pentosaceus, P. acidilactici

            เนื่องจากแบคทีเรียที่เป็นประโยชน์ที่ใช้ในการหมักอาหารเพื่อให้เกิดความเปรี้ยวในอาหารหลายชนิดที่เราบริโภคในชีวิตประจำวันมักเป็นเชื้อในกลุ่มแลคติก และในกลุ่มนี้หลายสายพันธุ์จะสร้างแบคทีริโอซิน เช่น แบคทีเรียในสกุล  Lactobacillus, Pediococcus และ Lactococcus ดังกล่าวข้างต้น จึงสามารถนำมาใช้เป็นประโยชน์ในการควบคุมทางชีวภาพ เช่น มีการประยุกต์ใช้แบคทีริโอซินในอุตสาหกรรมอาหารโดยการผสมแบคทีริโอซิน หรือ เชื้อที่สร้างแบคทีริโอซินในอาหารเพื่อฆ่าเชื้อที่ไม่ต้องการที่อาจปนเปื้อนมาและทำให้อาหารบูดเน่า และยังสามารถใช้ฆ่าเชื้อก่อโรคที่มักพบในอาหารนั้น  ดังตัวอย่างที่พบในปัจจุบันที่มีการใช้แบคทีริโอซินเพื่อฆ่าเชื้อในอาหาร เช่น ใช้ nisin ผสมในอาหารเพื่อฆ่าเชื้อ Listeria monocytogenes  ดังนั้นแบคทีริโอซินจึงน่าจะมีศักยภาพในการเป็นสารถนอมอาหารทางเลือกที่ปลอดภัย

เอกสารอ้างอิง:

Ennahar, S., Sashihara, T., Sonomoto, K., & Ishizaki, A. (2000). Class IIa bacteriocins: biosynthesis, structure and activity. FEMS Microbiology Reviews, 24(1), 85-106.

Jack, R. W., Tagg, J. R., & Ray, B. (1995). Bacteriocins of Gram-positive bacteria. Microbiological Reviews, 59(2), 171-200.

Klaenhammer, T. R. (1993). Genetics of bacteriocins produced by lactic acid bacteria. FEMS Microbiology Reviews 12(1-3), 39-85.

Suwanjinda, D., Eames, C., & Panbangred, W. (2007). Screening of lactic acid bacteria for bacteriocins by microbiological and PCR Methods, Biochemistry and Molecular Biology Education 35(5), 364-369.