D2. Drobnoustroje wytwarzające antybiotyki.
Antybiotyki to przede wszystkim produkty metabolizmu drobnoustrojów. Głównym źródłem antybiotyków są promieniowce, o wiele mniej antybiotyków wytwarzają inne bakterie. Bardzo ważne dla lecznictwa antybiotyki, w tym penicylinę, cefalosporynę i cyklosporynę produkują grzyby strzępkowe.
Grzyby są producentami najważniejszych antybiotyków. Stanowią bardzo zróżnicowaną grupę eukariotycznych organizmów jedno- i wielokomórkowych o heterotroficznym sposobie odżywiania. Jako źródło węgla wykorzystują głównie węglowodany i niektóre inne związki organiczne. Wspólnie z bakteriami uczestniczą w degradacji meterii organicznej i obiegu pierwiastków w przyrodzie. Występują powszechnie w różnych środowiskach: w glebie, wodzie, szczątkach roślin, rozkładających się materiałach naturalnych. Mogą się rozwijać w temp. od poniżej 0°C do ponad 60°C, w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych, w zakresie pH ok. 2-8,5. Grzyby strzępkowe w biotechnologii wykorzystuje się do biosyntezy antybiotyków, enzymów, kwasów organicznych, ryboflawiny, alkaloidów sporyszu, giberelin; biorą również udział w produkcji serów pleśniowych. W biotechnologii antybiotyków antybiotyków używa się grzybów strzępkowych (nitkowatych), tworzących w czasie rozwoju wegetatywnego wielokomórkową grzybnię. Podczas rozmnażania wegetatywnego powstaje cała masa konidiów, które są stosowane jako materiał wyjściowy do prowadzenia hodowli tych organizmów. Niektóre grzyby mogą rozmnażać się przez fragmentację strzępek. Szczepy stosowane w biotechnologii antybiotyków nie rozmnażają się płciowo.
Najważniejsze antybiotyki wytwarzane przez grzyby
| Acremonium chrysogenum | Cefalosporyna C |
|---|---|
| Fusidium coccineum | Kwas fuzytowy |
| Penicillium chrysogenum | Penicylina G i V |
| Penicillium griseofulvum | Gryzeofulwina |
| Peaciliomyces varioti | wariotyna |
Promieniowce wytwarzają większość antybiotyków. Znaczenie biotechnologiczne mają tlenowe gatunki promieniowców saprofitycznych, powszechnie bytujących w glebie i kompoście, wśród których należące do rodzaju Strepotomyces wytwarzają około 2/3 wszystkich poznanych dotychczas antybiotyków i około 90% liczby antybiotyków stosowanych w lecznictwie. Promieniowce zajmują wśród bakterii miejsce szczególne: ich komórki mają budowę prokariotyczną, ale morfologią, cyklem rozwojowym i sposobem rozmnażania przypominają grzyby strzępkowe. Strzępki promieniowców są jednak mniej zróżnicowane morfologicznie, i mają znacznie mniejszą średnicę. Dojrzałe komórki strzępek powietrznych mogą tworzyć egzospory. U Strepotomyces powstają one przez podział i fragmentację sporoforów – sporonośnych nitek grzybni powietrznej. Spory te nazywamy również artrosporami lub konidiami. Artrospory są wrażliwe na ogrzewanie i giną zazwyczaj po 10 min w temp 70°C. Dojrzałe, wysuszone artrospory mogą przetrwać nawet kilkanaście lat, jednak najlepiej kiełkują artrospory 2-3-tygodniowe. Do kiełkowania nie wystarcza podłoże minimalne, niezbędne są czynniki stymulujące kiełkowanie tj. L-alanina, kwas-L-glutaminowy, L-tyrozyna, zasady purynowe i pirymidynowe, kwas p-aminobenzoesowy, CO2, Ca2+ i Mg2+. Wzrost kolonii promieniowców Strepotomyces polega na rozwoju najpierw delikatnej i luźnej siatki strzępek wnikających w głąb podłoża, skąd pobierają składniki odżywcze. Jest to grzybnia substratowa określana również jako podstawowa lub wegetatywna, w odróżnieniu od grzybni generatywnej (wtórnej, powietrznej), która powstaje w drugiej kolejności, tworząc górną, wypiętrzoną bardzo zwartą część kolonii. Tworzenie grzybni generatywnej jest zakończone procesem sporulacji (zarodnikowania).
Przykłady antybiotyków stosowanych w lecznictwie, produkowanych przez promieniowce
| Aktywność przeciwbakteryjna |
|---|
| Micromonospora purpurea |
| Nocardia mediterranea |
| Streptomyces aureofaciens |
| S.griseus |
| Aktywność przeciwgrzybowa |
| S. nodosus |
| S. noursei |
| Aktywność przeciwnowotworowa |
| S. antibioticus |
| S. caespitosus |
Bakterie Bacillus wytwarzają antybiotyki polipeptydowe. Do rodzaju Bacillus zalicza się bakterie gram dodatnie o złożonym cyklu rozwojowym zakończonym wytworzeniem endospor (przetrwalników). Częstą cechą tych bakterii jest ruch czynny komórek. Proces przetrwalnikowania obejmuje kompleksowe różnicowanie metaboliczne, fizjologiczne i morfologiczne. Tlenowe bakterie przetrwalnikujące wytwarzają liczne antybiotyki peptydowe działające na bakterie gram +, - i grzyby. Są również producentami enzymów przemysłowych – amylolitycznych, celulolitycznych, proteolitycznych i innych. Np. amylaza penicylinowa wytwarzana przez B.megaterium może być użyta do przemysłowego wytwarzania penicylin półsyntetycznych.
Znane są powiązania między sporulacją bakterii, a biosyntezą antybiotyków peptydowych. Warunki metaboliczne tych procesów są bardzo podobne. Inhibitory sporulacji hamują też biosyntezę antybiotyków. Biosynteza antybiotyków jest objęta regulacją kataboliczną i następuje zazwyczaj po zakończeniu fazy intensywnego wzrostu bakterii, w warunkach wyczerpania się podstawowych składników podłoże, np. źródeł energii lub fosforu. Genetyczne sprzężenie biosyntezy antybiotyków i sporulacji doprowadziło do wniosku, że antybiotyki peptydowe mogą pełnić rolę regulatorową w procesie sporulacji. Antybiotyki pełnią również funkcję inhibitorów lub aktywatorów metabolicznych podczas fazy spoczynkowej i kiełkowania spor, a także mogą być czynnikiem ochraniającym spory w środowisku naturalnym podczas procesu kiełkowania. Obecność w przetrwalnikach antybiotyku – inhibitora kiełkowania może być zatem korzystna dla przetrzymania niekorzystnych warunków i dalszego rozwoju gatunku.