БИОТЕХНОЛОГИИ

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОРФОЛОГИИ АКТИНОМИЦЕТОВ

Актиномицеты (ветвящиеся бактерии, лучистые грибки) - большая группа прокариотных микроорганизмов, по морфологии и развитию разделяющаяся на высшие и низшие формы. К высшим относятся организмы с хорошо развитым септированным или не септированным мицелием и особыми органами плодоношения. По наличию мицелия и строению органов плодоношения высшие актиномицеты напоминают мицелиальные грибы. Низшие актиномицеты имеют палочковидные и кокковидные клетки. Способность к образованию мицелия выражена у них лишь в тенденции клеток к ветвлению и проявляется в строго определенных условиях. К низшим актиномицетам относятся, например, виды рода Mucobacterium. Среди высших актиномицетов ведущее место по численности в природных субстратах занимают виды рода Actinomyces (Streptomyces); при последующем изложении - актиномицеты.

Актиномицеты играют важную роль в процессах почвообразования и создания плодородия почв. Им приписывают различные функции в оздоровлении почв. Актиномицеты трансформируют и разрушают сложные органические соединнения (целлюлозу, гумус, хитин, лигнин и другие), недоступные многим другим микроорганизмам. Почти все (или даже все) виды рода Аctinomycеs oбразуют специфические продукты жизнедеятельности, обладающие антибиотическими свойствами.

По мнению польских ученых, которые подробно изучали вопрос о том, где и как образуются биологически активные вещества, биосинтез антибиотиков высокопродуктивными штаммами актиномицетов, может быть связан с образованием в клетках многочисленных мембранных структур типа мезосом, трубочек и "цистерн".

Некоторые виды являются возбудителями заболеваний растений, животных и человека.Виды рода Actinomyces (Streptomyces) имеют хорошо развитый мицелий, нити которого не септированы и не расчленяются с возрастом на палочки и кокки . Диаметр мицелия колеблется в пределах 0,5-1,5 мкм. На плотных агаризованных средах актиномицеты образуют плотные кожистые колонии различной структуры и внешнего строения - гладкие, бугристые, складчатые, бородавчатые, плоские, пленчато- морщинистые. Колонии срастаются с субстратом при помощи субстратного мицелия - нитей, отходящих от нижней поверхности колонии и развивающихся в толще среды. На поверхности колоний вырастает воздушный мицелий, на концах которого образуются спороносцы со спорами . Споры служат для размножения. Спороносцы бывают прямые и спирально закрученные. Спирали имеют разную длину и разное число завитков. Неспиральные спороносцы могут быть очень короткими в виде щетинок, удлиненными, волнистыми или длинными. Споры формируются одновременно на всем протяжении спороносца и бывают овальными, шаровидными, палочковидными, с округлыми или обрезанными краями. У некоторых видов на спорах образуются выросты (шипы) различной формы.

Культуры актиномицетов пигментированы или бесцветны. Среди пигментированных встречаются синие, фиолетовые, красно- оранжевые, оранжевые, желтые, зеленые, бурые, иногда черные актиномицеты. Неокрашенные виды различаются по цвету воздушного мицелия, который может быть серым, белым, розоватым, голубовато-зеленоватым, коричневым или оливковым.

Актиномицеты относятся к гетеротрофным организмам. В качестве источников углерода используют сахара, спирты, органические кислоты, полисахариды, жиры, аминокислоты, белки и другие соединения. Источником азота для актиномицетов служат нитраты, аммонийные соли, нитриты, мочевина, аминокислоты, пептон, белки. Способность использовать то или иное соединение неодинакова у разных видов и штаммов актиномицетов.

Актиномицеты в подавляющем большинстве - аэробы, но среди них есть микроаэрофилы и небольшое число видов, которые могут жить в анаэробных условиях. Актиномицеты получают энергию при окислении органических веществ. Преобладающее число актиномицетов относится к мезофилам, термофилы встречаются редко. Для нормального роста большинства актиномицетов требуется нейтральная или слабощелочная реакция среды. Однако в кислых почвах обнаруживаются кислотолюбивые актиномицеты, с оптимальным ростом при рН 5,5-6,0 и не развивающиеся при рН около 7,5. Есть и щелочелюбивые актиномицеты.

Выявление и учет численности видов рода Actinomyces (Streptomyces) проводят высевом исследуемого материала на среду Чапека или крахмально-аммиачный агар. В среде Чапека источниками углерода и азота служат соответственно глюкоза или сахароза и NaNO3; в крахмало-аммиачной среде - крахмал и (NH₄)₂SO₄. Для создания благоприятной кислотности в среды добавляют мел. Культивирование осуществляют в аэробных условиях. Среда Чапека и крахмально-аммиачный агар не элективны для актиномицетов. На этих средах хорошо растут не только актиномицеты, но и многие бактерии. Однако актиномицеты легко отличаются от других микроорганизмов характерными плотными, компактными колониями, имеющими мицелиальное строение и срастающимися с субстратом. Количество актиномицетов в субстратах определяют по методу Коха (подсчитывают количество колоний актиномицетов в каждой чашке Петри).

2. АКТИНОМИЦЕТЫ КАК ОБЪЕКТ БИОТЕХНОЛОГИИ

Наибольший интерес для биотехнологии актиномицеты представляют как продуценты антибиотических веществ. Получено много ценных препаратов, применяемых в химиотерапии, в сельскохозяйственной практике и в пищевой промышленности.

В результате детального изучения культуры актиномицета Actinomyces violaceus, выделенного из почвы в 1939 г. было получено антибиотическое вещество - мицетин.

В 1941 г. в лаборатории Ваксмана был выделен антибиотик актиномицин, образуемый Actinomyces antibioticus. Выделение и изучение этих антибиотиков явилось преддверием к открытию Ваксманом и его сотрудниками в 1944 г. замечательного антибиотического препарата стрептомицина, образуемого культурой Act. griseus. Они предложили называть актиномицеты стрептомицетами и объединили их в особый род Streptomyces. Однако, как отмечал Красильников (1965), нет необходимости для этой группы лучистых грибков вводить новое родовое название, а необходимо сохранить за ними термин Actinomyces. В настоящее время придерживаются терминологии предложенной Красильниковым; продуцент стрептомицета называют Act. streptomycini, а все актиномицеты - Actinomyces.

Открытие стрептомицина и выяснение его ценных лечебных качеств явилось мощным толчком в исследовании актиномицетов и поисков среди них продуцентов новых антибиотических веществ. Были открыты такие антибиотики, как хлоромицетин (хлорамфеникол), неомицин, хлортетрациклин, тетрациклин и многие другие биологически активные соединения, образуемых актиномицетами. Подробнее рассмотрим антибиотики, имеющие наиболее важное практическое значение.

2.1.АМИНОГЛИКОЗИДНЫЕ АНТИБИОТИКИ

В группу аминогликозидных антибиотиков включаются биологически активные соединения, содержащие в молекулах гликозидные связи. К этим антибиотикам относятся стрептомицины, неомицины, каномицины, гентамицины, гигромицин и некоторые другие вещества.

2.1.1.СТРЕПТОМИЦИН

Актиномицет, продуцирующий стрептомицин, как и другие виды актиномицетов, может размножаться с помощью спор или отдельных участков мицелия. Большое влияние на биосинтез антибиотика оказывает состав питательной среды, в первую очередь, источников азота и углерода. Наиболее благоприятным источником азота для развития актиномицета являются аммонийные соли; источником углерода - глюкоза; животные жиры или растительные масла способствуют увеличению биомассы актиномицетов. Процессы жизнедеятельности продуцента стрептомицина, не могут протекать без наличия в среде таких компонентов, как фосфор, железо, кальций.

2.1.2.НЕОМИЦИНЫ

Ваксман и Лешевалье в 1949 г. из культуры Act. fradiae, изолированной из почвенного образца, выделили новый антибиотик неомицин. При изучении этого антибиотического вещества было установлено, что оно состоит из смеси антибиотиков, которая получила название "неомицинового комплекса" (неомицины В, С, D, Е и F). В группу неомицинов входят родственные антибиотические вещества олигосахаридной природы: собственно неомицины, в том числе колимицин, мицерин, софрамицин, флавомицин, а также канамицины, гентамицины.

Группа неомицинов образуется рядом актиномицетов: Act. fradiae, Act. albogriseolus, Act. kanamyceticus и др. В медицинской практике неомицин используется в качестве местного препарата в дерматологии, хирургии, оториноларингологии (для лечения заболеваний наружного и среднего уха, различных инфекций полости рта), при лечении некоторых заболеваний глаз, а также для борьбы со стафилококковом носительством сред медицинского персонала родильных домов.

К неомицинам следует отнести колимицин, образуемый Act. fradiae; мицерин и некоторые другие антибиотики. Колимицин и мицерин по химической природе и по биологическим свойствам близки к неомицину.

2.1.3.КАНАМИЦИНЫ

Умезаева с сотрудниками в 1957 г. описал антибиотик канами

цин, образуемый Act. kanamyceticus. Этот актиномицет образует три антибиотика: канамицин А, канамицин В и канамицин С. Канамицин А благодаря своим положительным свойствам нашел применение в медицине. Он используется в качестве противотубиркулезного препарата; с успехом может применяться для борьбы со стафиллококовыми заболеваниями, а также для лечения сибирской язвы, гонореи и других инфекций, не поддающих лечению другими антибиотиками.

2.1.4.ГЕНТАМИЦИНЫ

Гентамицины (А, G1, G1а и G2) образуется культурой Micromonospora purpurea. Комплекс антибиотиков обладает широким спектром биологического действия. Он подавляет развитие грамположительных и грамотрицательных бактерий, в том числе Proteus, Pseudomonas; не окзавыет действия на грибы.

Все вышерассмотренные антибиотики (стрептомицины, группа неомицинов) относятся к аминогликозидным соединениям. Их объединяет не только близкое строение, но и механизм биологического действия, связанный с нарушением считывания генетического кода.

2.1.5.ГИГРОМИЦИН

Питтенжер с сотрудниками в 1953 г. выделил из культуры Actinomyces hygroscopicus антибиотик гигромицин. Это антибиотическое вещество обладает широким антимикробным спектром: подавляет развитие грамположительных, грамотрицательных и кислотоустойчивых бактерий, а также некоторых актиномицетов.

Штаммы ряда бактерий, приобретшие устойчивость к стрептомицину или пенициллину, остаются чувствительными к гигромицину.

2.2.АНТИБИОТИКИ ТЕТРАЦИКЛИНОВОГО РЯДА

В группу антибиотиков тетрациклинового ряда входят вещества,имеющие близкое химическое строение. Тетрациклиновые антибиотики привлекли большое внимание исследователей благодаря их важному практическому значению. Обладая широким антибиотическим спектом (активны в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, риккетсий и ряда крупных вирусов), эти соединения нашли широкое применение в медицинской практике. Кроме того, некоторые из этих антибиотиков с успехом применяются в животноводстве как стимуляторы роста сельскохозяйственных животных и птиц. Ценность тетрациклиновых антибиотиков состоит в том, что они, обладая высокой антибиотической активностью, имеют относительно низкую токсичность.

К тетрациклиновым антибиотикам и родственным им соединениям, образуемым в процессе биосинтеза лишь тремя микроорганизмами (Act. aureofaciens, Act. rimosus, Nocardia sulphurea), относится не менее 34 соединений. На основе тетрациклиновых продуктов жизнедеятельности получен ряд полусинтетических препаратов, нашедших применение в медицинской практике.

К наиболее широко известным тетрациклиновым антибиотикам тетрациклин, 6-диметилтетрациклин,7-хлортетрациклин,7-хлор-6-диметилтетрациклин, 7-бромтетрациклин, 5-окситетрциклин, а также метациклин и доксициклин, полученные в результате химической модификации молекулы окситетрациклина.

Тетрациклиновые антибиотики обладают способностью избирательно накапливаться в опухолевых тканях. При облучении опухолевых тканей, содержащих тетрациклины, они начинают флуорисцировать. Этот метод нашел широкое применение при диагностике больных раком желудка.

2.2.1.ХЛОРАМФЕНИКОЛ

В 1947 г. Эрлихом выделен штамм актиномицета Act. venezuelae образующий антибиотик хлорамфеникол. Культура актиномицета - продуцента хлорамфеникола хорошо растет на обычных питательных средах. Колонии Act. venezuelae обычно бесцветные, иногда с нижней стороны желтовато-бурые или бурые в зависимости от состава среды. Микроскопическое строение актиномицета напоминает строение проактиномицета. Молодой растущий мицелий образуется тонкими несептированными нитями, которые затем распадаются на отдельные участки различной длины, как это наблюдается и у проактиномицетов.

Хлорамфеникол образуется при развитии актиномицета на различных по составу средах. Наилучшие выходы антибиотика получаются при глубинном росте Act. venezuelae при 27-280С на среде, содержащей пептон, глицерин и поваренную соль. Антибиотик образуется также и при развитии актиномицета на синтетических средах, в состав которых входят в качестве источника азота серин, а в качестве источника углерода глицерин и лактат натрия. Определенную положительную роль в биосинтезе антибиотика играют ионы железа, цинка и магния.

Применение хлорамфеникола. Хлорамфеникол подавляет развитие бактерий, относящихся к родам Aerobacter, Staphylococcus, Streptococcus, Diplococcus, Proteus, Bacillus, Yibrio и др., подавляет также развитие риккетсий, в том числе риккетсий сыпного типа, и некоторых крупных вирусов. Антибиотик является специфическим средством для лечения брюшного тифа, дизентирии, бруцеллеза.

2.2.2.АКТИНОМИЦИНЫ

В 1940 г. Ваксманом и Вудрафом был выделен из культуры Act. antibioticus актиномицин. Это красно-оранжевое вещество с высокой антибиотической активностью в отношении грамположительных бактерий и в меньшей степени активен по отношению к грамотрицательным бактериям. Спустя 15 лет после открытия актиномицина, названного актиномицином А, было установлено, что этот антибиотик образуется различными видами актиномицетов. Разнообразие типов актиномицинов обусловлено различным аминокислотным составом их полипептидных цепочек.

2.3.АНТИБИОТИКИ-МАКРОЛИДЫ

Исследователи проявляют большой интерес к антибактериальным продуктам метаболизма различных видов актиномицетов, имеющим слабощелочные свойства и большую молекулярную массу. Вудвард (1957) назвал эту группу соединений макролидами.

Антибиотики-макролиды характеризуются наличием в их молекулах макроциклического лактонного кольца, связанного с одним или несколькими углеводными остатками. Углеводными остатками обычно являются аминосахара.

В группу макролидных антибиотиков входит значительное число соединений, из которых наиболее хорошо изучены пикромицин, эритромицин, магнамицин, метимецин, спирамицин, олендомицин.

2.3.1.ЭРИТРОМИЦИН

Впервые эритромицин был получен из культуральной жидкости Act. erytreus. В состав среды,используемой для получения этого антибиотика, входит: кукурузный экстракт, сульфат аммония, глюкоза, хлористый натрий, углекислый кальций, кашалотовый жир.

Эритромицин используют при лечении многих инфекций, вызываемых стафилококками, стрептококками и пневмококками; при лечении пневмоний, скарлатины, тонзиллитов, сепсиса, раневых инфекций, дифтерии, ожогов и др. заболеваний.

2.3.2.МАГНАМИЦИН

Магнамицин (карбомицин) выделен из культуры актиномицета Act.halstedii в 1952 г. Магнамицин применяется в медицинской практике при лечении заболеваний дыхательных путей, мочеполовых органов, а также некоторых кожных заболеваний.

2.3.3.ОЛЕАНДОМИЦИН

Олеандомицин выделен из культуры Actinomyces antibioticus в 1954 году. Применяют при лечении пневмоний, гнойных плевритов, тонзилитов, ларингитов, скарлатины, гонореи, раневых инфекций.

2.3.4.ЛЕВОРИН

Леворин образуется в процессе развития Act. levoris. Актиномицет - продуцент этого антибиотика, выделен из почвы в 1956 году Цыгановым и др.

Леворин относится к группе полиеновых макролидов, макролактонное кольцо которого состоит из полиенового хромофора с семью сопряженными двойными связями.

Как показали исследования, наиболее благоприятными условиями образования леворина являются среды, содержащие соевую муку и хлопковый жмых. Леворин наряду с другими антибиотиками (нистатин, кондицидин, трихомицин) обладает высокой противогрибковой активностью.

Леворин нашел применение при заболеваниях, вызываемых дрожжеподобными грибами (при межпальцевых эрозиях, поражениях складок кожи, слизистых оболочек рта, при кандидозе желудочно-кишечного тракта).

2.3.5.НОВОБИОЦИН

Новобиоцин - антибиотик актиномицетного происхождения, относящийся к группе кислородсодержащих гетероциклических соединений. Актиномицет, его продуцирующий, в ходе длительных исследований был назван Act. spheroides или Act. niveus.

Образование новобиоцина происходит при развитии актиномицета как на относительно простых синтетических средах, так и на натуральных средах неопределенного состава, где в качестве компонентов используются соевая мука, кукурузный экстракт, дрожжевые продукты, хлопковая мука или барда. В качестве синтетической среды для развития актиномицета и образования новобиоцина используется среда, которая содержит следующие компоненты: глюкоза, аммоний лимоннокислый, К₂НРО₄, MgSO₄, NaCl, CaCl₂, FeSO₄, ZnSO₄.

Антибиотик применяется при лечении заболеваний, вызываемых формами микробов, устойчивыми к другим антибиотикам. Он успешно применяется при лечении раздичных форм пневмоний, энтероколитов, ангин, раневых инфекций и др. заболеваний.

2.3.6.РИФАМИЦИНЫ

Из культуры Act. mediterranei в 1959 г. Sensi с соавторами выделен противобактериальный антибиотик рифамицин.

При развитии актиномицета в натуральной среде, содержащей кукурузный экстракт, соевую муку и другие компоненты, образуется одновременно не менее пяти антибиотиков-рифамицины А, В, С, D и Е. Эту смесь антибиотических веществ, которая весьма не стабильна назвали рифамициновым комплексом. Наиболее стабильным компонентом является рифамицин В; при различных условиях культи вирования актиномицета он может являться предшественником таких антибиотиков, как рифамицин О, S, SV. Наиболее биологически активный и ценный вариант - рифамицин SV. В общем, строение рифамицинов резко отличается от строения других известных антибиотиков. По характеру алифатической части рифамицин SV напоминает макролиды. В результате химической модификации рифамицина SV удалось получить полусинтетический препарат рифампицин (римактан) с более ценными свойствами по сравнению с исходным антибиотиком. Ценным свойством рифампицина является способность подавлять развитие грамположительных форм бактерий, приобретших устойчивость к другим антибиотикам.