X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Цианобактерии или синезелёные во́доросли - тип крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающегося выделением кислорода. Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу. Они относятся к числу наиболее сложно организованных и морфологически дифференцированных прокариотных микроорганизмов.

Они широко представлены на Земле. Некоторые из них процветают пресноводных водоемах (реках, озерах и водохранилищах), тогда как другие - в солоноватых и гиперсоленых местообитаниях. Они встречаются в холодных или горячих источниках, а также в средах, где развитие эукариотических организмов затруднено. Разнообразие цианобактерий также отражается на множестве структурных и функциональных аспектов морфологии их клеток и вариации метаболических стратегий.

Цианобактерии существуют как отдельные клетки или в колониях. Известны разветвленные и неразветвленные нитевидные формы, которые могут находиться в трихоме или пучках с оболочкой или без нее.

Цианобактерии можно рассматривать в качестве своеобразных «клеточных фабрик» с альтернативными способами обмена веществ, а также уникальной способностью к переключению из одного режима в другой. В мембранах тилакоидов при участии солнечного света происходит продукция свободной энергии. Генеррированные высокоэнергетические интермедиаты АТФ и НАДФ вовлекаются в пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина) для осуществления необходимого обмена питательных веществ. Немодифицированная цианобактериальная клетка инвестирует фиксированный углерод в рост, выживание и генерацию новой биомассы. Эта цианобактериальная «клеточная фабрика» в процессе метаболизма может вложить около 50% произведенного углеродсодержащего продукта на поддержание выживших клеток, которые питаются естественным метаболизмом. Кроме того, некоторые из этих фототрофных микроорганизмов образуют гетероцисты и способны производить азот, участвуя таким образом в круговороте азота.

Цианобактерии являются продуцентами различных биоактивных молекул, продукция которых обеспечила этим организмам эволюционные преимущества. Метаболиты этих микроорганизмов имеют многообещающее будущее в научных исследованиях и медицинской практике. Производимые цианосоединения относятся к нескольким химическим классам, пептидам, алкалоидам, терпеноидам, макролидам, поликетидам, жирным кислотам, нуклеозидам и др., рассматриваются современной наукой в качестве источников новых лекарственный соединений.

Одной из биотехнологически значимых субстанций являются нерибосомальные пептиды, т.е. биологически активные пептиды, образуемые микроорганизмами без участия рибосом. Их антимикробная и противоопухолевая активность вызвала заинтересованность ряда специалистов.

Это небольшие пептидные молекулы (20 - 50 а.о.), несущие большое количество гидрофобных/ ароматических остатков, а также положительно заряженных остатков (общий заряд +1 - +11). Известна их фунгицидная, инсектицидная, противовирусная, цитотоксическая (гемолитическая) активность.

Нерибосомальные пептиды синтезируются за счет работы мультиэнзимных комплексов – нерибосомальных из пептидсинтетаз и поликитидсинтетаз. Пептидсинтетазы, обеспечивающие нерибосомальный синтез пептидов, отличаются консервативной модульной структурой. Каждый модуль состоит из каталитических доменов, ответственных за аденилирование, образование тиоэфира и конденсацию специфических аминокислот. Конформация белкового комплекса определяет в каждой бактерии состав получающихся пептидов. Дополнительные домены, необходимые для модификаций аминокислотных остатков, таких как эпимеризация, гетероциклизация, окисление, формилирование, восстановление или N-метилирование, могут быть также включены в модуль. Совокупно эти биосинтетические особенности приводят к высокому многообразию цианобактериальных пептидов: линейные -спиральные пептиды, богатые определенной аминокислотой (гистидином, пролином и т.п.); пептиды, имеющие сложную пространственную организацию, содержащие дисульфидные мостики, тиоэфирные циклы и др.

Основной мишенью действия антимикробных пептидов является клеточная мембрана. Специфичность действия определяется липидным составом мембраны. Антимикробные пептиды в присутствии липидной мембраны образуют амфифильную структуру, в которой заряженные (полярные) и гидрофобные группы пространственно разделены. Некоторые пептиды атакуют специфические мембранные или внутриклеточные мишени, что приводит к образованию пор и вздутий в мембране клеток. В результате внутрь атакуемой клетки проникает большее количество пептидов, приводя к разрушению ее целостности (механизм self-promoting uptake). Отсутствие привыкания у микроорганизмов к данным соединениям создает преимущество в их использовании в антимикробной терапии.

В настоящее время такие цианопептиды как борофицин, кавагупипептин А и В, лингбиязозрин A, мускорид A, сципролин A, сцитонемин A и тенуецикламид А-D были зарегистрированы как активные соединения против определенных патогенных бактерий. Рядом фармацевтических компаний предложены антимикробные препараты Noscomin (производный Nostoc commune), а также Hapalindole T из Fischerella sp. В качестве противовирусных соединений - Циановирин Н из Nostoc ellipsosporum и Агглютинин из Oscillatoria agardhii.

Кроме антимикробных метаболитов интерес представляют цианотоксины. Цианобактерии являются источниками токсинов. Они синтезируют (микроцистины и нодулярины), гепато- и цитотоксины (цилиндроспермопсины), нейротоксины (анатоксин_a, анатоксин_a(S), и сакситоксины) и др.

Способность цианотоксинов адресно связываться с клетками-мишенями тканей человека могут быть использованы при разработке препаратов для таргентной медицины. В частности, цианотоксины могут иметь применение при лечении онкологических заболеваний.

В качестве коммерческих противоопухолевых препаратов предлагаются Социстинамид А, полученный из Lyngbya majuscule; Бизебромоамид – из Lyngbya sp., а также Доластатин 10 – из Symploca sp.

Таким образом, цианобактерии являются продуцентами структурно новых типов метаболитов, часть из которых может быть использована для антимикробной, противовирусной и протиопухолевой терапии.

Список литературы

Кокшарова О.А. Применение методов молекулярной генетики и микробиологии в экологии и биотехнологии цианобактерий // Микробиология, 2010. Т. 79, №6. С. 734-747.

Dittmann E., B.A. Neilan B.A., Borner T. Molecular biology of peptide and polyketide biosynthesis in cyanobacteria // Applied Microbiology Biotechnology, 2001. V. 57. P. 467-473.

Neilan Brett A., Dittmann Elke, Rouhiainen Leo, Bass R. Amanda, Schaub Verena, Sivonen Kaarina, Borner Thomas Nonribosomal peptide synthesis and toxigenicity of cyanobacteria // Journal of bacteriology, 1999. №7. P. 4089-4097.

Выражаю благодарность своему научному руководителю д.м.н., профессору Немцевой Наталии Вячеславовне за помощь в подготовке работы.

Код для цитирования: Скопировать