Бактеріоцини

Зміст

Перелік умовних позначень

Rec A – рекомбінантний  білок

Lex A – репресорний  білок

ДНК – дезоксирибонуклеїнова  кислота

ColDF13 – плазміда

Вступ

     Вивчення  взаємовідносин між мікроорганізмами дозволило виділити явище антагоністичної  активності пов’язаної з синтезом бактеріоцинів.

     Бактеріоциногенність  є однією з найбільш поширених  систем захисту бактерій. Згідно з Klaenhammer, 99% усіх відомих мікрорганізмів здатні синтезувати, принаймні, хоча б один вид бактеріоцинів. Для деяких видів  бактерій можна спостерігати утворення  від 10 до 100 різних антибактеріальних  пептидів. Сучасний рівень знань про  бактеріоцини характеризується значною  неоднорідністю – одні кілерні фактори  вивчені досконало (коліцини, лактоцини), тоді як про інші відомо лише частково.

     Лізогенні системи в яких спостерігається  одночасне виділення бактеріоцинів  декількох типів є унікальними  системами для дослідження бактеріоциногенності [5].

     Бактеріоцини  – речовини бактеріального походження, білкової природи, виділяються більшістю  бактерій і характеризуються кілерною активністю відносно філогенетично  споріднених мікроорганізмів[1].

     В даний час основна увага приділяється дослідженню особливостей молекулярно-генетичної організації бактеріоцинів. Натомість, механізм індукції та виділення бактеріоцинів, основні способи їх впливу на чутливі  клітини мікроорганізмів, а також  значення даних кілерних факторів в  екології бактерій залишаються малодослідженими. Тому зважаючи на значну перспективу  застосування бактеріоцинів вивчення цих процесів є актуальним і потребує більш детального дослідження.

     Значне  розповсюдження мульти- та  панрезистентних  штамів мікроорганізмів значно обмежує  застосування антибіотиків в медицині. Для подолання цього явища  проводиться модифікація уже  відомих антибіотиків і пошук  принципово нових напрямків впливу на антибіотикорезистентні мікроорганізми. Одним із нових напрямків можна  розглядати фармакоензимологію.

     За  допомогою даного напрямку досліджень було розроблено попередники лікарських препаратів («prodrugs») - кон’югати різних антибіотичних структур, з’єднаних між собою ковалентним зв’язком. При потраплянні в організм людини цей зв'язок розщеплюється і кожний компонент взаємодіє з своєю мішенню. Проте вказані попередники не знайшли широкого використання в медичній практиці [2].

     Незважаючи  на певні досягнуті успіхи, необхідно  врахувати той факт, що лікувальний  потенціал антибіотиків знижується і резистентність мікроорганізмів  може зростати і далі. Це потребує пошуку нових, альтернативних антибактеріальних  препаратів. Одними із таких альтернативних речовин можна розглядати бактеріоцини. В даній роботі розглядаються  властивості бактеріоцинів та здатність  до бактеріоциногенності представників  родини Pseudomonas. Препарати на основі бактеріоцинів є перспективним напрямком дослідження оскільки ці речовини радикально відрізняються за властивостями та механізмами дії від антибіотиків. Відомо, що антибіотики не застосовуються в народному господарстві боротьби з збудниками різноманітних захворювань. На відміну від останніх, препарати на основі бактеріоцинів можуть знайти застосування, як в медицині, так і в різних сферах народного господарства.

     Відомо  також застосування бактеріоцинів  в якості консервантів харчових продуктів, оскільки дані речовини не впливають  на клітини еукаріотичних організмів. Яскравим представником бактеріоциноподібних речовин що активно застосовується в промисловості є «Нізин» [17].

     Таким чином бактеріоцини можна вважати  перспективними сполуками, що можуть знайти широке застосування в багатьох сферах людського існування.

     БАКТЕРІОЦИНИ

     1.1. Класифікація бактеріоцинів.

     Класифікація  бактеріоцинів на початковому етапі  досліджень була тісно пов’язана  із коліцинами. Дані речовини класифікували  за схемою, запропонованою Fredericq у 1957 році. Основним критерієм поділу в даному випадку, була специфічність їх адсорбції  та імунності, внаслідок чого коліцини поділені на декілька груп. Наприклад, коліцини Е1, Е2, Е3, які відрізняються  між собою імунністю, класифікували  в групу Е через їх здатність  адсорбуватись на спільному рецепторі.

     В подальших дослідженнях Reeves, проведених в 1965 році, було виділено 16 класів бактеріоцинів, які отримали назву відповідно до видів продуцентів. Наприклад, коліцини – бактеріоцини, які виділяються  E. coli, піоцини синтезуються Pseudomonas aeruginosa, тощо. Дані тривіальні назви які позначають мікроорганізми продуценти бактеріоцинів використовуються в практиці і досі.

     На  наступному етапі Bradely в 1967 запропонував поділити бактеріоцини за їх молекулярною масою на дві великі групи: низько- та високомолекулярні. Низькомолекулярні  бактеріоцини характеризуються високою  термостабільністю, чутливі до трипсину, не осаджуються при ультрацентрифугуванні  та не виявлялися при електронній  мікроскопії. На відміну від низькомолекулярних, високомолекулярні осаджуються  при ультрацентрифугуванні, характеризуються термолабільністю, не руйнувалися під  дією трипсину[1].

     Дослідження будови бактеріоцинів грам позитивних та грам негативних бактерій показало, що бактеріоцини грам позитивних бактерій потрібно виділити в окрему групу.

     Tagg запропонував змінити традиційне  значення терміну бактеріоцини, оскільки велика кількість описаних  часток володіє відмінними від  коліцинів властивостями. Дані  структури, на його думку, необхідно  виділити в окрему групу як  бактеріоцини подібні інгібуючі  субстанції (BLIS).

     1.2. Бактеріоциногенність  та лізогенія.

     В ряді досліджень робилися спроби порівняти  бактеріоцини та бактеріофаги. Вивчення ультраструктури показало наявність  певної схожості між цими двома бактерицидними агентами. В зв’язку з цим бактеріоцини певний час розглядали як дефектні фаги. Фаги складаються з головки  та хвоста і вкриті оболонкою. Бактеріоцини за своєю структурою нагадують фагові хвости. Проте дослідити структуру  бактеріоцинів та фагів одного штаму  досить складно, оскільки обидва агенти можуть адсорбуватися на однакових  рецепторах клітин-мішеней та спричиняти їх загибель.

     Виділення бактеріоцинів та бактеріофагів  пов’язане з пошкоджуючим впливом  на нуклеїнові кислоти клітини фізичних та хімічних факторів. До таких факторів можна віднести УФ-випромінювання, дію мітоміцину С, тощо.

     Реакція клітин на дію індукторів пов'язана  з активацією системи захисту  клітин – SOS-система. В результаті пошкоджую  чого впливу виникає SOS-відповідь. Індукція фагів або бактеріоцинів є лише одинією з багатьох відповідей бактерії на дію індуктора. Показано, що в даному випадку включається синтез близько 10-20 бактеріальних генів, які допомагають бактерії у репарації. Ці гени в сукупності називають SOS-системою, а їх активація - SOS-відповіддю клітини.

     Механізм індукції генів бактеріоцинів під дією УФ-світла такий же, як при індукції фагів в лізогенних клітинах. УФ-опромінення викликає пошкодження ДНК. У результаті білок Reс А, який зазвичай сприяє рекомбінації між молекулами ДНК, перетворюється в особливу протеазу. Вона розщеплює λ-репресор, запускаючи тим самим індукцію. Reс А розщеплює також ще принаймні один репресор клітини господаря Lex А [4].

     Lex А за структуроюі функцією подібний до репресора λ. Мономер Lex А складається з двох доменів: аміно-кислотного, котрий розпізнає ДНК, і карбоксильного, який утримує субодиниці у складі димеру. Білок Lex А пригнічує активність деяких генів, продукти викорстовуються бактерією при репарації. При УФ-опроміненні Reс А інактивує Lex А і запускається синтез.

     Репрессор λ, подібно репресорам інших фагів Е. coli, розщеплюється при SOS-відповіді клітини. Після чого відбувається синтез фагових генів, розпочинається літичний цикл розвитку.

     SOS-система запускається не тільки під дією УФ-опромінення. Як правило, її може активувати будь-яка речовина із нуклеарною активністю наприклад канцероген. Бензпірен - одне із з'єднань, що викликає утворення пухлин у тварин. Сам по собі бензпірен інертний, але після модифікації під дією ферменту, який знаходиться в печінці тварин, він реагує з ДНК і спричиняє її пошкодження. Якщо бензпірен ввести безпосередньо в середовище, він не буде впливати на бактерії, але модифікації за допомогою ферментів печінки спричинить індукцію SOS-відповіді [4].

     Здатність того чи іншого з'єднання індукувати SOS-відповідь корелює з його здатністю викликати утворення пухлин у тварин, і хоча суперечки з приводу правомірності такої кореляції тривають, бактерії використовують в якості чутливих детекторів при перевірці речовин на канцерогенність. Застосовують два основних тести: індукцію зростання фага в лізогенних бактеріях і поява мутантів в нелізогенних культурах. Останній підхід лежить в основі відомого тесту Еймса на канцерогенність. В обох випадках перше, що відбувається відразу після попошкодження ДНК - індукція експресії генів. Для індукції фага необхідно, щоб Reс А розщепив репресор активував фагові гени, а для мутагенезу необхідно, розщеплення білком Reс А репресора Lex A і активація бактеріальних генів. [4].

      1.3. Механізми кілерної дії бактеріоцинів на чутливі клітини.

     Бактеріоцини  впливають на клітини шляхом адсорбції  до специфічних рецепторів, на поверхні клітин-мішеней, після чого здійснюється їх транспорт до специфічних мішеней. Одні бактеріоцини інгібують процеси  синтезу білка (коліцин Е3), інші – специфічно пригнічують синтез ДНК та сприяють її деградації (коліцин Е2). Одним із механізмів впливу бактеріоцинів є порушення активного транспорту, що призводить до виходу іонів із бактеріальної клітини і руйнування енергетичного потенціалу біологічних мембран (коліцини А, Е1, К, Іа). Це призводить до інгібування синтезу білку та нуклеїнових кислот, унеможливлення транспорту електронів та активного транспорту калію. При цьому формуються специфічні іоно-пропускні канали і клітини додатково втрачають іони калію та магнію. Такі зміни приводять до загибелі клітині-мішені.