Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучший обзор» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Актиномицеты — это бактерии, образующие нити (гифы). Скопление гиф называется мицелием. Такая терминологии схожа с терминологией грибов, потому что актиномицеты схожи с ними по своему внешнему строению, но кардинально отличаются строением клетки (актиномицеты — прокариоты, а грибы — эукариоты) и толщиной гиф. Толщина гифы актиномицета составляет 0,4–1,5 мкм, в то время как толщина грибных гиф варьирует от 1,5 до 10 мкм. Так что, рассматривая под микроскопом и сравнивая эти микроорганизмы между собой, их сложно перепутать (рис. 1).

Название «лучистые грибки» (уже устаревшее) актиномицеты в свое время получили за особенности роста: их гифы прорастают из одной точки (споры), словно солнечные лучи.

Прежде всего разберем структуру актиномицетных колоний. На чашке Петри с плотной культуральной средой рост бактерий выражается в формировании отдельных круглых «точек» (колоний) различного цвета (рис. 2 и заглавный рисунок).

Если увеличить колонию под микроскопом и сделать ее продольный разрез, то мы увидим, что часть актиномицетных гиф растет на поверхности желеобразной (агаризованной) питательной среды, а часть уходит внутрь ее — эти бактерии формируют воздушный и субстратный мицелий. Посмотрите на рисунок 2. Неправда ли, характер роста актиномицетов напоминает рост растений: воздушный мицелий вызывает ассоциации со стеблями, а субстратный — с корневой системой?

На гифах воздушного мицелия находятся споры. Споры — это клетки разной формы с плотной клеточной оболочкой. Это могут быть одиночные споры (как у представителей рода Micromonospora), спор может быть небольшое количество (род Actinomadura), и, наконец, спор может быть много (род Streptomyces). А у некоторых родов актиномицетов могут образовываться спорангии — «мешочки», содержащие множество спор (род Streptosporangium). Споры имеют разную форму и поверхность, что является важной характеристикой в видовом определении этих бактерий.

Жизненный цикл актиномицетов схож с жизненным циклом грибов (рис. 3). Подобно тому, как растения прорастают из семян, актиномицетный мицелий берет свое начало из спор, в которых содержится запас питательных веществ, помогающих микроорганизму переживать неблагоприятные условия. Спора, попадая в хорошие условия для жизни (оптимальные температура и влажность, достаточное количество питательных веществ), начинает прорастать, и уже через 10 часов из нее появляются первые нити, через 18 часов образуется так называемый субстратный мицелий, а через двое суток и воздушный. Полностью сформированная колония актиномицетов появляется на 4–21 сутки (в зависимости от внешних условий роста).

Идентификация и систематика актиномицетов

Идентификацию актиномицетов проводят разными способами. В классической микробиологии для их выделения и учета используют метод посева из разведений почвенных суспензий и других материалов на плотную питательную среду. Туда, как правило, добавляют вещества, ограничивающие рост грибов и немицелиальных бактерий. Для предварительной идентификации актиномицетов применяют микроскопию колоний на чашках с питательной средой, затем отдельные колонии отбирают для получения чистых культур. Эти культуры должны обладать специфическими для конкретных таксонов актиномицетов наборами признаков: культуральных (особенности роста на различных средах), фено- и генотипических. Обычно учитывают следующие фенотипические признаки: морфологические (наличие фрагментации мицелия, образование спор на субстратном и/или воздушном мицелии, число спор в цепочках, наличие одиночных спор, спорангиев) и хемотаксономические (присутствие L- или мезо-изомера диаминопимелиновой кислоты (ДАПк) и дифференцирующих сахаров в гидролизатах целых клеток). Далее обращаются к «Определителю бактерий Берджи» (более подробные сведения о таксонах ищут в Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology), а также к современным публикациям по систематике актиномицетов в научных журналах. И конечно, современная идентификация предполагает обязательный учет молекулярно-генетических признаков — как минимум, определение последовательности гена 16S рРНК.

Итак, общая картина того, что представляют собой актиномицеты, уже начала вырисовываться. Теперь можно обратиться к истории и поговорить о роли этих организмов в природе.

Бактерии-лекари

Первые актиномицеты были выделены из слезного канала человека в 1874 году. В 80-е годы XIX века начали активно описывать патогенные формы актиномицетов, приводящие к заболеваниям животных и человека. В начале XX века актиномицеты были обнаружены в природных субстратах: почве, воде, сене и пр. В 1939 году советский ученый Н.А. Красильников получил антибиотик, выделяемый актиномицетами — мицетин, а несколькими годами позже З. Ваксман и А. Шац выделили актиномицин и стрептомицин. Последний оказался весьма эффективен против туберкулезной палочки, что сделало прорыв в медицине и спасло немало жизней во время Второй мировой войны. За открытие стрептомицина Ваксман в 1952 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Однако радость человечества от получения такого мощного класса лекарств, как антибиотики, была недолгой. Опасные бактерии быстро приспосабливались к действию стрептомицина, пенициллина и иных природных антимикробных веществ, что привело к необходимости химически модифицировать их. Так стали появляться новые поколения антибиотиков, и сейчас человечество лечится больше химически измененными веществами [1], нежели аутентичными.

Параллельно с решением вопросов медицинского использования актиномицетов развивалось и изучение их природных функций, а также велся поиск возможностей их применения в других сферах деятельности человека.

Мы уже знаем, что актиномицеты можно обнаружить везде. Их споры летают в воздухе, они обитают в организме человека. Среди термофильных актиномицетов, способных жить при температуре от 30 °С (с оптимумом 50–60 °С), обнаружены возбудители серьезных аллергических заболеваний дыхательных путей человека и животных. Так, термофильные актиномицеты встречаются в воздухе сигаретных и сигарных фабрик, что представляет серьезную опасность и для рабочих, и для потребителей продукции, так как эти бактерии из воздуха могут попадать в производимую фабриками табачную продукцию и инфицировать человека [2].

Финские ученые провели ряд исследований торфяных подстилок, используемых для скота, на предмет их запыленности и гигиеничности. Они проанализировали сфагновые мхи (в том числе прогретые до температуры 30 °С при хранении) и два образца из частично разложенных осоковых мхов. Последние два образца оказались наиболее опасными. Они содержали в себе термофильные актиномицеты и грибы (аспергиллы, Aspergillus), патогенные для животных [3]. Этих же организмов обнаружили в кормах и подстилках на молочных фермах.

В работе Хелены Ринтала [4] показано, что стрептомицеты (представители рода Streptomyces) могут выделяться и из образцов пыли жилых помещений, скапливаться на фильтрах кондиционеров. Однако пока неизвестно, влияют ли они на здоровье обитателей помещений.

Во время изучения заболеваемости французских фермеров болезнью «фермерское легкое» в исследованных субстратах (сене, силосе и др.) обнаружили патогенные грибы и термофильные актиномицеты, принадлежащие к разным родам, включая Streptomyces.

В кишечнике человека среди микроорганизмов, способных жить в кислородных условиях, доминируют актиномицеты. Их доля составляет около 17% от общей численности бактерий.

Микроскопические технологи

Будущее актиномицетных технологий — за термофильными микроорганизмами, так как их скорости роста и выработки нужных веществ в разы выше, чем у актиномицетов, имеющих оптимум жизнедеятельности при температуре ниже 30 °C. Эти бактерии считаются перспективными инструментами для переработки различного рода загрязнителей (биотрансформации, биодеградации и биоремедиации) [5], [6]. Так, актиномицет Saccharomonospora viridis, выделенный из грибного компоста, способен утилизировать пентахлорфенол, который используется в качестве пропитки для древесины и токсичен для человека [7].

Штаммы Thermoactinomyces lanuginosus благодаря своим ферментам используются в качестве отбеливателей при твердофазной ферментации (solid state fermentation), что значительно удешевляет процесс [8].

Термофильные микроорганизмы способны с достаточно высокими скоростями разлагать остатки пищи. Их можно использовать в биотехнологиях на стадии превращения отходов пищевого производства в биоудобрения. В работах тайваньских ученых показано, что инокуляция сельскохозяйственных отходов, идущих на биоудобрения, термофильными и термотолерантными микроорганизмами повышает скорость созревания компоста и улучшает качество конечного продукта. При изучении биоудобрений хорошие результаты наряду с другими микроорганизмами показал термотолерантный вид Streptomyces thermonitrificans.

В целом, роль термофильных микроорганизмов возрастает по мере развития цивилизации и — как следствие — возникновения «термального загрязнения» [9].

«Зеленые» ликвидаторы

Наиболее «освоены» актиномицетами биотехнологические задачи, связанные с ликвидацией загрязнений окружающей среды устойчивыми соединениями, а также с производством ферментов (в том числе для фармацевтической промышленности). Перечислим некоторые из них.

• Удаление пестицидов. Актиномицеты обладают уникальным метаболизмом, который позволяет удалять пестициды, попавшие в почву после обработки полей. К таким веществам относятся: органохлориды, триазины, органофосфаты, ацетанилиды и другие. Например, алахлор — это весьма токсичный и подвижный гербицид, применяемый для уничтожения сорняков в посевах. Актиномицеты довольно легко справляются с задачей его удаления из почвы.
• Разложение нефтяных продуктов. Нефтяная промышленность по опасности воздействия на окружающую среду занимает третье место из 130 отраслей современного производства. При существующем уровне технологий от 1,0 до 16,5% нефти и продуктов ее переработки теряется при добыче, подготовке, переработке и транспортировке. Величина мировых потерь нефти, содержащей пластовые воды, и товарной нефти (обессоленной) превышает 10⁷ т/год, из них 20% приходится на мировой океан, остальные — на почвы и пресные воды. Наибольшую экологическую опасность представляют аварии: фонтанирование скважин, утечки из резервуаров и трубопроводов при разрывах, пожарах, из-за коррозии и т.д. [10]. Актиномицеты совместно с другими микроорганизмами используют нефть в качестве источника углерода, удаляя ее с поверхности почвы [5], [6].
• Трансформация тринитротолуола. Тринитротолуол — одно из самых распространенных токсичных взрывчатых веществ. Благодаря сочетанию достаточной мощности с низкой чувствительностью он используется для производства тротила. Однако в последнее время тринитротолуол стали заменять другими химическими веществами с аналогичными свойствами, но меньшей токсичностью. Стрептомицет Streptomyces diastaticus был выделен из почв, загрязненных тринитротолуолом. В ходе исследований обнаружили, что он разлагает очень токсичные продукты на нетоксичные, способствуя очищению почв от загрязняющих веществ.
• Промышленное производство ферментов. В настоящее время обсуждается возможность коммерциализации актиномицетных ферментов, разлагающих различные субстраты, что может стать революционным шагом в «зеленых» технологиях. Ведь актиномицеты не требовательны к субстратам, на которых растут, а значит, стоимость таких технологий может быть минимальной. К тому же, выделяемые актиномицетами ферменты могут служить для получения новых веществ, а при условии, что эти бактерии имеют термическую и ионную стабильность, процесс должен быть очень точным и воспроизводимым. В Японии ферменты гидролиза нитрилов Rhodococcus rhodochrous, например, уже применяют для экономичного получения химикатов — в частности акриламида [11].

Ученые активно исследуют почвы экстремальных мест обитания на предмет выявления новых видов актиномицетов, перспективных с точки зрения биотехнологии. Например, английские и чилийские ученые проводят совместные исследования актиномицетов в пустыне Атакама — самой сухой пустыне мира. Аналогичные работы ведутся в пустынных зонах всего мира, в том числе и России [12].

Таким образом, актиномицеты нашли применение во многих — и совершенно разных — направлениях биотехнологии: от использования в медицине до биоремедиации почв [13]. Благодаря своей непритязательности к условиям роста и трудолюбию в разложении плохо доступных другим микроорганизмам и токсичных веществ эти нитчатые бактерии могут произвести революцию в «зеленых» технологиях, как когда-то произвели ее в медицине, дав человечеству антибиотики.

Литература

1. Эволюция наперегонки, или Почему антибиотики перестают работать;
2. Reiman M. and Utti J. (2000). Exposure to microbes, endotoxins and total dust in cigarette and cigar manufacturing: an evaluation of health hazards. Ann. Occup. Hyg. 44, 467–473;
3. Airaksinen S., Heiskanen M.L., Heinonen-Tanski H., Laitinen J., Laitinen S., Linnainmaa M. et al. Variety in dustness and hygiene quality of peat bedding. Ann. Agric. Environ. Med. 12, 53–59;
4. Rintala H. Streptomycetes in indoor inviroments — PCR based detection and diversity: dissertation. — Kuopio, Finland, 2003. — 69 p.;
5. Бактерии-нефтедеструкторы для биоремедиации супесчаных почв Воронежской области;
6. Пределы биодоступности углеводородов в грунтах;
7. Webb M.D., Ewbank G., Perkins J., McCarthy A.J. (2001). Metabolism of pentachlorphenol by Saccharomonospora virodis strains isolated from mushroom compost. Soil Biol. Biochem. 14, 1903–1914;
8. Christopher L., Bissoon S., Singh S., Szendefy J., Szakacs G. (2005). Bleach-enhansing abilites of Thermomyces lanuginosus xylanases produced by soil state fermentation. Process Biochem. 10, 3230–3235;
9. Manzoor S. (2011). Actinomycetes and bioremediation. Biotech Articles;
10. Кураков А.В., Ильинский В.В., Котелевцев С.В., Садчиков А.П. Биоиндикация и реабилитация экосистем при нефтяных загрязнениях. М.: «Графикон», 2006. — 336 с.;
11. Nagasawa T., Nakamura T., Yamada H. (1990). Production of acrylic acid and methacrylic acid using Rhodococcus rhodochrous J1 nitrilase. Appl. Microbiol. Biotechnol. 34, 322–324;
12. Kurapova A.I., Zenova G.M., Sudnitsyn I.I., Kizilova A.K., Manucharova N.A., Norovsuren Zh. et al. (2012). Thermotolerant and thermophilic actinomycetes from soils of Mongolia desert steppe zone. Microbiology. 1, 98–108;
13. Nawani N., Aigle B., Mandal A., Bodas M., Ghorbel S., Prakash D. (2013). Actinomycetes: role in biotechnology and medicine. Biomed. Res. Int. 2013, 687190.