Bacillus subtilis

Bacillus subtilis on grampositiivne, katalaas-positiivne bakter, mida leidub mullas ning inimeste ja mäletsejate seedetraktis. Perekonna batsill liige B. subtilis on vardakujuline ning suudab moodustada tugevaid, kaitsvaid endospoore, mis aitavad bakteril taluda ekstreemseid keskkonnatingimusi. B. subtilis on ajalooliselt klassifitseeritud obligaatse aeroobina, kuigi on olemas ka tõendeid, et tegemist on fakultatiivse anaeroobiga. B. subtilis't peetakse kõige paremini uuritud grampositiivseks bakteriks ja samuti on ta ka hea mudelorganism bakteriaalse kromosoomi replikatsiooni ning raku diferentseerumise uurimiseks. Ta on üks olulisemaid baktereid sekreteeritud ensüümide tootmises ja bakter on kasutusel biotehnoloogaettevõtetes.

Kirjeldus 
Bacillus subtilis on grampositiivne, vardakujuline ning katalaas-positiivne bakter. Algselt andis bakterile nimetuse Christian Gottfried Ehrenberg, milleks oli Vibrio subtilis, 1872. aastal muutis Ferdinand Cohn bakteri nimeks Bacillus subtilis. Bacillus subtilis on varda või õngeridva kujuga, umbes 4–10 mikromeetrit (μm) pikad, 0,25–1,0 μm diameetriga ja raku mahtuvusega 4,6 fL statsionaarses faasis. Nagu ka teised sama perekonna bakterid, on ka B. subtilis võimeline moodustama endospoore, et ekstreemsetes keskkonnatingimustes (äärmuslik temperatuur ja kuivus) ellu jääda. B. subtilis on fakultatiivne anaeroob, kuigi bakterit teati obligaatse aeroobina kuni aastani 1998. B. subtilis on flagellaat ning tänu oma viburile on ta võimeline liikuma kiiresti vedelikes. B. subtilis on vastuvõtlik geneetilisele manipulatsioonile ja tänu sellele on ta tuntud mudelorganism laboratoorseteks uuringutest, sealhulgas eriti spooride uurimiseks, mis on lihtsustatud näide raku diferentseerumisest.

Kasvukoht 
Bacillus subtilis on enamasti leitav mulla ülemistes kihtides ning samuti eksisteerib bakter ka inimese soolestikus. 2009. aastal uuriti spooride leitavust mullas (umbes 106 spoori grammi kohta), võrreldes spooride leitavusega inimese väljaheidetes (umbes 104 spoori grammi kohta). Inimese väljaheidetest leitud spooride arv oli liiga kõrge, et olla omastatud ainult saastatud toidu kaudu.

Paljunemine 
B. subtilis on võimeline jagunema sümmeetriliselt kaheks tütarrakuks kui ka asümmeetriliselt tootes üksiku endospoori, mis on elujõuline veel aastakümneid ja resistentne ebasoodsatele keskkonnatingimustele nagu põud, soolsus, kõrge pH, kiirgus ja solvendid. Endospoor moodustub (toitainete puudumise) stressi tagajärjel ning organism püsib keskkonnas elus kuni tingimused muutuvad soodsamaks. Enne sporulatsiooni võivad rakud moodustada viburi, muutudes liikuvaks, võtta keskkonnast DNA-d või toota antibiootikume. Selline reageerimine stressile näitab bakteri katset leida toitaineid, otsides seda soodsamast keskkonnast. Selleks kasutab rakk uut kasulikku geneetilist materjali, mida on saanud keskkonnast. Materjali võib ta ka kasutada lihtsalt konkurentsi hävitamisel.

Stressitingimustel, näiteks toitainete puudusel, läbib B. subtilis sporulatsiooni. Seda protsessi on põhjalikult vaadeldud ja tänu sellele on bakter hea mudelorganism sporulatsiooni uurimiseks.

Genoom 
Bakteris on umbes 4000 geeni, millest ainult 192 on hinnatud hädavajalikuks ning 79 geeni oli ennustatud vajalikuks. Suur osa olulistest geenidest asub bakteri metabolismivähestes domeenides, umbes pooled on seotud informatsiooni töötlusega, üks viiendik seotud raku ümbrise sünteesiga ning raku kuju ja jagunemise määramisega, üks kümnendik seotud raku energeetikaga.

B. subtilis'e alamtüve QB928 täielikult sekveneeritud genoom on 4 146 839 DNA aluspaari pikk ning tal on olemas 4292 geeni. QB928 tüvi on laialdaselt kasutatud geneetilistes uuringutes tänu mitmesuguste markerite olemasolule [arol(aroK)906 purE1 dal(alrA)1 trpC2].

Mitmed kodeerimata RNA-d kirjeldati aastal 2009 B. subtilis'e genoomis, sealhulgas Bsr RNA-d. Analüüsid on näidanud, et B. subtilise liikmed ilmutavad märkimisväärset genoomilist mitmekesisust.

Kasutusalad

1900. aastatel 
B. subtilis'e kultuurid olid populaarsed kogu maailmas kui immunostimuleeriva ainena seedetrakti ja kuseteede haiguste raviks, enne kui antibiootikume maailmale tutvustati. B. subtilis oli 1950ndatel kasutusel alternatiivse ravimina, mis pärast seedimist oluliselt stimuleerib laia skaalaga immuunset aktiivsust, sealhulgas aktiveerib spetsiifiliste antikehade IgM, IgG ja IgA sekretatsiooni. CpG dinukleotiidide vabanemine indutseerib leukotsüütide ja tsütokineesi INF A/Y tootmise aktiivsust, mis on oluline tsütotoksilisuse arenguga kasvajarakkude suunas. Alates 1946. aastast oli Ameerikas ja Euroopas B. subtilis märgitud kui immunostimulaatorse ravina soolestiku ja kuseteede haigustes nagu rotaviirus ja shigelloos.

Alates 1960. aastatest oli B. subtilis tuntud testitava liigina kosmoselendude eksperimentides. Endospoorid võivad kuni kuus aastat kosmoses elus püsida, kui need on kaetud tolmuosakestega, mis kaitseb neid päikese otsese UV-kiirguse eest. Bakterit on kasutatud kui ekstremofiili ellujäämisindikaatorina avakosmoses "Exobiology Radiation Assembly", "EXOSTACK"  ja "EXPOSE" orbiidi missioonidel.

2000. aastatel 
 On kasutusel mudelorganismina laboratoorsetes uuringutes, mis on suunatud grampositiivsete spoore moodustavate bakterite omaduste uurimisele. Põhilised mehhanismid vastupidavate spooride moodustumisel on nähtud B. subtilise spooride teke vaatlustel. 
 Tänu oma headele fermentatsiooniomadustele (toote saagikus 20–25 grammi liitri kohta) on B. subtilist kasutatud mitmesuguste ensüümide tootmisel, nagu näiteks amülaas ja proteaas. 
 Teisi ensüüme, mis on produtseeritud B. subtilise ja Bacillus licheniformise poolt, on laialdaselt kasutusel lisanditena pesupesemisvahendites. 
 Seda on kasutatud, et toota hüaluroonhapet, mis on kasutusel tervisehoius ja kosmeetikas. 
 Monsanto on isoleerinud B. subtilisest geeni, mis ekspresseerib külm-šokk proteiin B-d ja on selle ühendanud nende põuakindla maisi hübriidiga MON 87460. Uus hübriid sai heaks kiidetud müügiks Ameerika Ühendriikides 2011. aasta novembrist. 
 Isoleeriti B. subtilise uudsed tüved, mis suudavad kasutada 4-fluorotrüptofaani (4FTrp), aga mitte kanoonilist trüptofaani (Trp) paljundamise jaoks. Kuna Trp on kodeeritud ühe koodoniga, siis on tõendeid, et Trpi on võimalik ümber asustada 4FTrp poolt geneetilises koodis. Eksperimendid näitasid, et kanooniline geneetiline kood on muteeritav.

Identifitseerimine 
Alljärgnev tabel on B. subtilise identifitseerimiseks läbi teatud testide.

Viited 

Firmicutes