Цианобактерии успешно колонизировали различные местообитания по всему земному шару, включая водные экосистемы, почвы, сухие скалы и даже воздух. Они способны к столь широкому распространению за счет своих способностей к адаптации к различным условиям среды.

Цианобактерии - являются модельными организмами в изучении фотосинтеза, фиксации атмосферного азота, клеточного деления, получения водорода и при решении целого ряда других фундаментальных и практических задач. Это обеспечивается в первую очередь легкостью их культивирования, высокой скоростью роста и их большими метаболическими возможностями [1].

Как известно, цианобактерии могут метаболизировать природные ароматические углеводороды и ксенобиотик [2]. Микробные цианобактериальные маты способствуют очистке загрязненных нефтью вод, поскольку цианобактерии используют сырую нефть и отдельные n алканы, как источники углерода и энергии.

Цианобактерии являются эффективными биологическими сорбентами металлов в водной среде. Слизь с оболочки цианобактерий Microcystis aeruginosa и Aphanothece halophytica имеет сильное сродство к ионам тяжелых металлов, таких как медь, свинец и цинк [3].

В прикладном аспекте цианобактерии привлекают внимание исследователей как организмы, способные синтезировать жирные кислоты. Одним из примеров такой способности является синтез эйкозапентаеновой кислоты (20: 5n_3, EPA) [3, 4]. Помимо этого они являются источниками фикоцианина - водорастворимого, нетоксичного, флуоресцентного белка с сильными антиоксидантными, противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами, находящим применение в пищевой промышленности, косметике, биотехнологии, диагностике и медицине [3, 4, 5].

Особый интерес представляет способность цианобактерий к образованию большого количества вторичных метаболитов, в том числе различных токсинов и антибактериальных веществ, многие из которых проявляют высокую токсичность в отношении живых организмов [6, 7, 8].

В результате длительной эволюции, приспосабливаясь к существованию в различных экстремальных условиях, цианобактерии стали продуцентами различных вторичных метаболитов, включая биотоксины и цитотоксины [9, 8]. Цитотоксины влияют на отдельные функции клеток, в частности являются ингибиторами ферментов, но не убивают многоклеточный организм, вызывая массовые отравления людей с поражением тканей печени и почек. Некоторые цитотоксины убивают водоросли и бактерии [10]. Их активность исследуют на клеточных культурах млекопитающих (часто на опухолевых клетках). В свою очередь биотоксины разделяют на две группы - гепатотоксичные циклические пептиды, вызывающие гибель лабораторных животных (мышей) в течение 1-4 ч и нейротоксичные алкалоиды, вызывающие гибель в течение 2-30 мин [4]. Кроме того, живые клетки цианобактерий в воздухе могут стать причиной аллергических реакций у людей и теплокровных животных, а также нанести экономический ущерб путем загрязнения питьевой воды или повреждений архитектурных сооружений и произведений искусства ведь известно, что для очистки воды от токсинов требуются значительные материальные средства [2].

Отравление подобными токсинами возможно при употреблении зараженных цианобактериями воды и продуктов, а так же при внутрибрюшном введении. Известно, что различные пути поступления токсинов в организм вызывают различные клинические симптомы [2]. Известны случаи острых отравлений токсинами цианобактерий (микроцистинами) сотен пациентов хемо-диализного центра в Бразилии, из которых 52 человека погибли.

токсин цианобактерия фармацевтический препарат

Имеются данные о том, что в Великобритании после выполнения упражнений на берегу водоема, в котором наблюдалось "цветение" воды, вызванное Microcystis aeruginosa Kutz., люди испытывали боль в животе, тошноту, рвоту, диарею, боль в горле, сухой кашель, горечь во рту и головную боль; двое даже были госпитализированы с симптомами, напоминающими а-типичную пневмонию. Высказывалось предположение, что эти проблемы были вызваны микроцистином, присутствующим в "цветущем" водоеме [2].

Большинство публикаций, посвященных поступающим в воздух токсинам цианобактериий, касаются морского вида динофлагеллят Karina brevis и выделяемого ею токсина, названного бреветоксином [2, 3,1].

Однако необходимо отметить, что, не смотря на то что, эти вторичные метаболиты представляют опасность для людей и животных, они в тоже время могут оказаться интересными для медицинской биотехнологии как источник различных фармацевтических препаратов.

Разнообразные цианобактерии из микробных матов, образующихся в придонных слоях Антарктических озер, используются для поиска новых антибиотиков и веществ, обладающих противоопухолевой активностью. На сегодня известно порядка 800 соединений цианобактериального происхождения, среди которых есть фармакологически перспективные вещества, обладающие противоопухолевым, антимикробным действием, и вещества, понижающие повышенное кровяное давление. Многочисленные метаболиты, образуемые “биохимическими фабриками" цианобактерий, принадлежащих к семейству Nostocaceae. У ряда представителей рода Nostoc обнаружен широкий спектр вторичных метаболитов, включая антимикробные вещества и токсины. Имеются данные, свидетельствующие о том, что "цветение", вызванное Nostoc rivulare оказалась токсичным для диких и домашных животных. У штаммов Nostoc sp. strain152, Nostoc sp. strain DUN901, Nostoc sp. strain IO-102 выявлена способность синтезировать гепатотоксичные микроцистины. Подобным образом и Nostoc muscorum Ag. ex Born. et Flah. демонстрировал антагонистическое действие против бактерий и грибов [3,9,12].

По химической структуре токсины цианобактерий делятся на три основные группы: пептиды (циклические и линейные), алкалоиды и липо-полисахариды [1]. Первые и вторые являются вторичными метаболитами, т.е. не участвуют в генеральном метаболизме. Третьи представляют собой структурные компоненты наружной клеточной мембраны. Токсины обладают нейротоксичностью, иммунотоксичностью, генотоксичностью, мутагенностью, канцерогенностью, эмбриотоксичностью и дерматотоксичностью.

Цианобактерии синтезируют гепатотоксины (микроцистины и нодулярины), цитотоксины (цилиндроспермопсины), нейротоксины (анатоксинa, анатоксинa (S), и сакситоксины), дерматотоксины, раздражающие токсины (липополисахариды) и другие морские биотоксины (аплисиатоксины, дебромоаплисиа токсины, лингбиатоксинa) [11].

Цианобактериальные гепатотоксины, часто присутствующие в пресноводных цветущих водоемах, являются гептапептидами - это микроцистины, в то время как в соленых водах распространен пентапептид - нодулярин. Микроцистины были обнаружены у представителей цианобактериальных родов Anabaena, Anabaenopsis, Hapalosiphon, Microcystis, Nostoc, Planktothrix, Phormidium и Synechococcus [3].

Микроцистины являются циклическими гептапептидами с необычной химической структурой и некоторым количеством небелковых аминокислот. Микроцистины синтезируются нерибосомально большими ферментными комплексами, состоящими из пептидсинтетаз и поликитидсинтетаз. Совокупно эти биосинтетические особенности приводят к высокому многообразию цианобактериальных микроцистинов. У Anabaena этот ферментный комплекс кодируется генным кластером, содержащим 10 генов (mcyA-J). [3,4,5] Если известны гены, кодирующие биоактивные компоненты, можно с помощью направленного мутагенеза получить соответствующие мутанты с нарушенным биосинтезом этих веществ и попытаться изучить и понять функции этих метаболитов. В случае микроцистинов такие мутанты были получены путем инсерции или делеции mcy генов в штаммах M. aeruginosa и P. agardhii. С помощью инсерционного мутагенеза впервые было показано, что гены, кодирующие пептидсинтетазы, вовлечены в продукцию микроцистина и то, что один генный кластер ответствен за продукцию всех вариантов микроцистина в штамме Microcystis aeruginosa PCC 7806. Применение современных экспериментальных подходов, таких как транскриптомика и протеомика, в сочетании с генетическими методами могло бы помочь исследованию ключевых стадий биосинтеза цианобактериальных токсинов [3].

Цианотоксины синтезируются и сохраняется в клетках цианобактерий, но во время массового цветения при старении или воздействии экстремальных факторов клетки лизируются и токсины попадают в окружающую среду. При этом разные группы токсинов из-за различий в химической структуре обладают разной стабильностью и биологической активностью в воде.

Таким образом, цианобактерии являются перспективным источником структурно новых типов вторичных метаболитов, некоторые из которых могут быть использованы в качестве медицинских препаратов. Уже сейчас биологически активные вещества некоторых микроорганизмов используются в косметической, пищевой и фармацевтической промышленности. Для этих целей из 30 тыс. видов микроводорослей и цианобактерий используются не более 50. В связи с этим поиск новых перспективных объектов является актуальной задачей современной биотехнологии и открывает большие возможности для решения важнейших задач в медицине и фармацевтике.

В настоящее время в лаборатории фотобиотехнологии КазНУ им. аль-Фараби проводятся научные работы по выделению и идентификации альгологически и бактериологически чистых культур цианобактерий и изучению их физиолого-биохимических характеристик как продуцентов вторичных метаболитов.

Цианобактерии являются удобными модельными объектами для фундаментальных исследований молекулярных механизмов фотосинтеза, устойчивости к стрессовым факторам, фиксации атмосферного азота, метаболизма углерода и водорода, клеточного деления, молекулярной эволюции. Они представляют собой огромный, но еще малоиспользуемый, ресурс для получения большого количества различных биотехнологически важных соединений, поскольку синтезируют разнообразные биологически активные вещества, обладающие различным эффектом, это и антифунгальная, антибактериальная, антивирусная активности и ингибирующая активность в отношении различных ферментов. В связи с этим необходимость разработки прикладных проектов с использованием этих микроорганизмов в настоящее время представляется актуальным. А поиск и выделение новых объектов и правильный выбор продуцентов биологически активных веществ открывает большие возможности и перспективы в данной области. При этом наличие эффективных генетических методов позволяет найти применение цианобактериям в биотехнологии для производства специфических продуктов, включая фотосинтетические пигменты, токсины, молекулярный водород и наночастицы, важных для решения многих других практических задач.

Литературa

1. Волошко Л.Н., Плющ А.В., Титова Н.Н. Токсины Цианобактерий (Cyanobacteia, Cyanophyta) // Альгология. - 2008. - Т. - 18. - №1. - С.3-21.

2. Шарма Н.К. Сингх С. Влияние Токсинов Nostoc Muscorum Ag. Exborn. Et Flah. На Верхние Дыхательные Пути Мышей // Algologia. - 2008. - T. - 18. - №1. - С.29-36.

3. Кокшарова О.А. Применение Методов Молекулярной Генетики и Микробиологии в Экологии и Биотехнологии Цианобактерий // Микробиология. - 2010. - Т.79. - № 6. - С.734-747.

4. Hrouzek P., Kuzma M., Cerny J. The Cyanobacterial Cyclic Lipopeptides Puwainaphycins F/G Are Inducing Necrosis via Cell Membrane Permeabilization andSubsequent Unusual Actin Relocalization // Chem. Res. Toxicol. - 2012. - V.25. - P.1203?1211.

5. Wiesner C., Kopecky J., Pfluegerb M. Endothelial Cell-Based Methods for the Detection of Cyanobacterial Anti Inflammatory and Wound-Healing Promoting Metabolites // Drug Metabolism Letters. - 2007. - V.1. - № 3. - P.1-7.

6. Thummajitsakul S. Antibacterial activity of crude extracts of cyanobacteria Phormidium and Microcoleus species // African Journal of Microbiology Research. - 2012. - V.6 (10). - С.2574-2579.

7. Hrouzek P., Kuzma M., Сerny J. The Cyanobacterial Cyclic Lipopeptides Puwainaphycins F/G Are Inducing Necrosis via Cell Membrane Permeabilization and Subsequent Unusual Actin Relocalization // Chem. Res. Toxicol. - 2012. - V.25. - P.1203?1211.

8. Vacek J., Hrbac J., Kopecky J. Cytotoxicity and Pro-Apoptotic Activity of 2,2ґ-Bis [4,5-bis (4-hydroxybenzyl) - 2- (4-hydroxyphenyl) cyclopent-4-en-1,3-dione],a Phenolic Cyclopentenedione Isolated from the Cyanobacterium Strain Nostoc sp. str. Lukesova 27/97 // Molecules. - 2011. - V.16. - P.4254-4263.

9. Voloshko L., Kopeckyc J., Safronova T. Toxins and other bioactive compounds produced by cyanobacteria in Lake Ladoga // Estonian Journal of Ecology. - 2008. - V.57 (2). - P.100-110.

10. Hisem D., Hrouzek P., Tomek P. Cyanobacterial cytotoxicity versus toxicity to brine shrimp Artemia salina. - Elsevier Ltd. All rights reserved, 2010. - P.1-8.

11. Wiesner C., Kopecky J., Pfluegerb M. Endothelial Cell-Based Methods for the Detection of Cyanobacterial Anti-Inflammatory and Wound-Healing Promoting Metabolites // Drug Metabolism Letters. - 2007. - V.1. - №.3. - P.1-7.

12. Klejdus B., Kopecky J., Benesova L., Vaceka J. Solid-phase/supercritical-fluid extraction for liquid chromatography of phenolic compounds in freshwater microalgae and selected cyanobacterial species // Journal of Chromatography A. - 2009. - V.1216. - P.763-771.

Размещено на Allbest.ru