STREPTOMYCES-ORGANIZMY Z POGRANICZA

ŚWIATA BAKTERII I GRZYBÓW

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWCÓW

Promieniowce (Actinomycetes) to najbardziej rozpowszechniona grupa mikroorganizmów w naturze.

Są to Gram-dodatnie bakterie tlenowe, których naturalnym miejscem występowania jest gleba i woda.

Ich obecność w glebie zdradza zapach -geosima.

STREPTOMYCES SP.

W ostatniej pełnej klasyfikacji liczba znanych i sklasyfikowanych Streptomyces liczy 574 gatunki i 38 podgatunków.

Nadal trwają intensywne badania nad poszukiwaniem nowych gatunków w nadziei na znalezienie szczepów o zdolnościach produkcji pożądanych substancji.

CHARAKTERYSTYKA WZROSTU I ROZMNAŻANIA

-Charakterystyczną cechą Streptomyces jest ich budowa, która przypomina budowę grzybów strzępkowych. Podobnie jak one posiadają budowę nitkowatą.

-Wzrost kolonii Streptomyces rozpoczyna się od wykiełkowania strzępki z pojedynczego zarodnika. Strzępki dzielą się poprzez wzrost na biegunach i tworzą grzybnię wegetatywną.

-Stres fizjologiczny związany z ograniczeniem składników odżywczych jest sygnałem do rozpoczęcia sporulacji. Pierwszym etapem jest utworzenie grzybni powietrznej.

-Podczas dojrzewania strzępki grzybni powietrznej zaczynają przekształcać się w łańcuchy zarodników.

IDENTYFIKACJA STREPTOMYCES

1.Morfologia: kolor grzybni powietrznej i substratowej

2.Wytwarzanie barwników

3.Mikroskopowa analiza strzępek oraz spor

4.Cechy biochemiczne m.in. hydroliza cukrów, skrobi, hemoliza, oporność na NaCl i lizozym

5.Identyfikacja genetyczna -określenie podobieństwa sekwencji 16S rDNA/rRNA, hybrydyzacja DNA-DNA

6.Analiza chemiotaksonomiczna

CHOROBOTWÓRCZOŚĆ PROMIENIOWCÓW

Promienica, aktynomikoza jest zakaźna choroba ludzi oraz zwierząt.U człowieka czynnikiem wywołującym jest gatunek Actinomycesisraeli.

Objawami są twarde guzy z ogniskami ropnymi, najczęściej w jamie ustnej oraz na skórze.

U zwierząt -najczęściej u bydła i świń gatunkiem chorobotwórczym jest Actinomycesbovis.

Objawy widoczne są w okolicy gruczołów mlecznych.

CHOROBOTWÓRCZOŚĆ STREPTOMYCES-„STOPA MADURSKA”

• •W ciepłych strefach klimatycznych Streptomyces stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi. Najczęściej opisywaną chorobą jest mycetoma, powszechnie znana jako stopa madurska. Wywołuje ja zakażenie przez gatunki Streptomyces somaliensis oraz Streptomyces sudanensis.

• •Chorobę określamy wówczas jako actinomycetoma.

• •Choroba ta atakuje skórę, tkanki miękkie a czasem obejmuje również kości, mięśnie i sąsiadujące organy.

CHOROBOTWÓRCZOŚĆ DLA ROŚLIN

Tylko kilka gatunków powoduje zakażenia roślin.

Odpowiedzialne są m. in. za powszechnie występującą chorobę skórki bulw ziemniaka -parcha zwyczajnego.

Powodują również zakażenia marchwi, rzodkwi, rzepy, pasternaka, buraka cukrowego oraz orzeszków ziemnych.

Największym potencjałem wirulencji odznaczają się gatunki Streptomyces scabiesi Streptomyces acidiscabies.

Objawami parcha zwyczajnego roślin są szorstkie, spękane strupy na powierzchni, wypukłości powstałe z nadmiernie rozrośniętej tkanki miękiszowej lub ciemno zabarwione wgłębienia.

STREPTOMYCESJAKO PRODUCENCI ANTYBIOTYKÓW

• Rodzaj Streptomyces jest największą grupą z dotąd poznanych mikroorganizmów produkujących antybiotyki. Szacuje się, że Actimonycetes produkują około dwie trzecie ze znanych dotąd substancji aktywnych wykorzystywanych w medycynie, weterynarii oraz rolnictwie.

• W klasie tej najbardziej aktywny jest gatunek Streptomyces produkujący około 70-80% metabolitów.

• Pierwszymi antybiotykami pochodzącymi od Streptomyces były actinomycyna odkryta w 1940r. oraz streptomycyna -w 1943r.

• Były to pierwsze rzeczywiście skuteczne antybiotyki przeciw gruźlicy, dzięki którym Streptomyces stały się znane jako producenci substancji biologicznie aktywnych.

• Złota era antybiotykoterapii w latach '50 i '60 przyniosła kolejne odkrycia znanych i stosowanych do dziś leków takich jak tetracycklina, erytromycyna, kanamycyna, środki przeciwgrzybiczne takie jak kandycydynaczy nystatyna oraz leki przeciwnowotworowe.

• Produkcja antybiotyków u Streptomycesjest niezwykle skomplikowana i silnie regulowana.

• Nie są one wytwarzane przez młode kolonie, które mają dostęp do składników pokarmowych, ale przez komórki dojrzałe. Produkcja antybiotyków odbywa się w strefie grzybni powietrznej.

• Naukowcy wysnuli hipotezę, że antybiotyki nie są wytwarzane w celach atakowania innych mikroorganizmów, lecz ochrony źródeł pokarmu.

• Prawdopodobnie jest to pułapka dla mikroorganizmów posiadających zdolność do ruchu, które zwabione pokarmem zaczynają konkurować z promieniowcami o nisze ekologiczną. Antybiotyki powodują ich zabicie i drobnoustroje te same stają się źródłem pożywienia dla szczepów Streptomyces.

• Ciągła walka o pożywienie w tak bogatej niszy ekologicznej jaką jest gleba poskutkowało prawdopodobnie tak szeroką gamą antybiotyków jaka produkują Streptomyces, oraz ich szeroką oporność na antybiotyki produkowane przez inne bakterie.

POSZUKIWANIE NOWYCH ANTYBIOTYKÓW

• Dawniej używano różnych technik hodowlanych, aby stworzyć jak najlepsze warunki do wzrostu Streptomyces i zahamować wzrost innych drobnoustrojów. Np. stosowano pożywki z chityną lub kwasem propionowym jako głównym źródłem węgla.

• Izolowano również szczepy z nietypowych miejsc -np. z ziemi z terenów klasztornych.

• Aktualnie poszukiwanie nowych antybiotyków polega głownie na nieukierunkowanej mutagenezie znanych szczepów oraz chemiczne modyfikacje już istniejących.

POWSZECHNIE STOSOWANE ANTYBIOTYKI IZOLOWANE ZE STREPTOMYCES

• •Chlorotetracyklina (aureomycyna) antybiotyk z grupy tetracyklinstosowany głównie miejscowo w zakażeniach ropnych skóry, w zakażeniach spojówek i rogówki jako środek odkażający, wytwarzana przez Streptomyces aureofaciens.

• •Chloramfenikol (chloromycetyna, detreomycyna) wyizolowany Streptomyces venezuelae, obecnie uzyskiwany syntetycznie (od 1950 roku), wykazuje właściwości immunosupresyjne. Mechanizm działania polega na hamowaniu syntezy białek bakteryjnych.

• •Erytromycyna jest to antybiotyk makrolidowy wytwarzany przez Streptomyces erythreus. Spektrum jego działania podobne do penicyliny (używana u osób uczulonych na penicylinę).

• Streptomycyna- antybiotyk aminoglikozydowy, wąski zakres działania na niektóre bakterie Gram-ujemne (np. na prątka gruźlicy), wyizolowana z Streptomyces griseus. Odkrywca został laureatem nagrody Nobla z 1952 roku, za odkrycie pierwszego efektywnego antybiotyku przeciw gruźlicy.

• •Neomycyna antybiotyk aminoglikozydowy produkowany przez Streptomyces fradiae. Stosowany głównie zewnętrznie, nie wchłania się z przewodu pokarmowego, toksyczny dla bakterii.

• •Kanamycyna antybiotyk aminoglikozydowy izolowana z Streptomyces kanamyceticus. Ze względu na wysoką toksyczność używany zewnętrznie lub ostatecznie dożylnie, gdy zawiodą inne metody leczenia.

STREPTOMYCES JAK PRODUCENCI ANTYBIOTYKÓW

Liczne badania potwierdzają, że Streptomyces działają antagonistycznie na wiele patogenów wykazujących wielooporność na dotychczas stosowane antybiotyki m.in.:

• metycylinooporny StaphylococcusaureusorazS. epidermidis

• Pseudomonas aeruginosa

• Bacillus subtilis

• Candida albicans

PRODUKCJA INNY METABOLITÓW WTÓRNYCH

• Streptomyces produkują również inne substancje aktywne m.in.: enzymy takie jak celulazy, hemicelulazy, glukanazy czy chitynazy, które pełnią ważną rolę m.in. w rozkładzie martwej materii w glebie.

• Odkryto również zdolność Streptomyces do produkcji kwasu indolilo-3-octowego (IAA) będącego substancją pobudzającą wzrost roślin.

MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA WŁAŚCIWOŚCI STREPTOMYCES

• Zdolność do hamownia wzrostu np. pasożytów glebowych została wykorzystana w hodowli niektórych roślin uprawnych, m.in. w komercyjnych środkach ochrony roślin.

• Szczep Streptomyces sp. 5406 wykorzystywany jest w Chinach do ochrony korzeni bawełny przed szkodnikami glebowymi natomiast żywe komórki S. griseoviridis są składnikiem biofungicydu chroniącego przed infekcjami powodowanymi przez Fusarium oraz Alternaria

TRANSGLUTAMINAZA

• Transglutaminaza produkowana jest przez szczep Streptomyces mobaraensis.

• Enzym ten posiada zdolność do „sklejania” ze sobą białek.

• Znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle mleczarskim (np. tworzenie skrzepu), mięsnym oraz innych gałęziach przemysłu spożywczego.

ZASTOSOWANIE W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

TRANSGLUTAMINAZA

• Enzym pozwala na poprawę funkcjonalnych właściwości takich jak rozpuszczalności, elastyczność, zdolności tworzenia emulsji, piany czy żelu w produktach spożywczych, w przypadku, których użycie środków chemicznych jest widziane niechętnie przez konsumentów.

• Ciekawym zastosowaniem transglutaminazy jest jej użycie podczas procesu obróbki wełny. Powoduje on poprawę właściwości fizycznych oraz mechanicznych włókien wełny, przez co stają się one mniej podatne na działanie detergentów, rozciąganie oraz kurczenie

W medycynie transglutaminaza eukariotyczna stosowana jest m.in. jako „klej fibrynowy”, przygotowywany z osocza pacjenta, co ogranicza ryzyko infekcji czy odrzutu przez organizm oraz jako stymulator leczenia po uszkodzeniu nerwu wzrokowego.

ZASTOSOWANIE STREPTOMYCES W BIOTECHNOLOGII

• Genomy wielu szczepów Streptomyces (np. S. coelicolor, S. avermitilis,) zostały w ostatnich latach zsekwencjonowane. Każdy z nich ma formę liniowych chromosomów w przeciwieństwie do genomów większości bakterii, które przybierają formę kolistą.

• W ostatnich latach w badaniach biotechnologicznych coraz częściej używa się szczepów Streptomyces do produkcji rekombinowanych białek ludzkich.

• Powoli zaczynają one zastępować w laboratoriach dobrze znane i wykorzystywane, lecz ciągle niedoskonałe szczepy Escherichia coli.

• Problemy z E. coli polegają przede wszystkim na:

• •braku lub nieprawidłowej glikozylacji białek

• •nieprawidłowym procesie zwijania białek

• Prowadzi to w konsekwencji do powstania niefunkcjonalnych produktów.

• Szczepy Streptomyces mają zdolność do sekrecji prawidłowo zwiniętych białek do medium. Produkty te można następnie pozyskać w prostym procesie oczyszczania.

• Sprawia to, że są one atrakcyjną alternatywą dla takich modelowych organizmów jak E. coliczy B. subtilis.

PODSUMOWANIE

• Jak dotąd zaledwie kilka gatunków z rodzaju Streptomyce suznano za chorobotwórcze dla ludzi i zwierząt.

• Można więc stwierdzić, że przy ich ogromnym potencjale do produkcji substancji biologicznie czynnych jest to jedna z najbardziej zasłużonych i szeroko wykorzystywanych przez ludzi grup bakterii.

---