БАКТЕРІЇ РОДУ PSEUDOMONAS – АКТИВНІ ПРОДУЦЕНТИ СИДЕРОФОРІВ МІКРОБНОГО ПОХОДЖЕННЯ

Розповсюдженість хімічних елементів у живій та неживій природі суттєво розрізняється, що обумовлює значні розбіжності у їх використанні клітинами мікро- та макроорганізмів [3, 12]. Особливо гостро такий розподіл є характерним для металів, серед яких тільки 10 елементів – біогенні: s-елементи Na, K, Mg, Ca; 3d-елементи Mn, Fe, Co, Cu, Zn та лише один 4d-елемент – Mo. Сьогодні вже встановлено, що багато інших металів, крім 10 вище наведених, також проявляють біогенні властивості, але їх роль поки що остаточно не з’ясовано [4].

Залізо – один з найбільш поширених на Землі елементів, абсолютно необхідних живим організмам. Проте в тій формі, в котрій залізо присутнє в ґрунті, воно не може безпосередньо використовуватися мікроорганізмами через накопичення в загальному мінеральному стані, зокрема такому як оксиди й гідроксиди. Також переважною природного формою заліза є тривалентні іони. Їх розчинність дуже мала – при рН 7,4 вона дорівнює приблизно 10^-18 М, і цієї кількості абсолютно недостатньо для підтримки життєдіяльності мікроорганізмів. Як біологічні ліганди заліза, зокрема хелатори, можуть бути використані різні органічні молекули, які присутні клітинах від початку (ендогенні ліганди), так й ті, що надходять у біологічні системи зовні (екзогенні хелатори): вітаміни, лікарські препарати, токсичні речовини зовнішнього середовища та інші [1].

Щоб вижити в таких умовах, ґрунтові мікроорганізми синтезують невеликі низькомолекулярні залізозв'язуючі сполуки, відомі під назвою сидерофорів [5, 10].

Цей специфічний клас молекул – сидерофори – здатний зв’язуватися з залізом з утворенням розчинного Fe³⁺ комплексів, які можуть бути розглянуті як механізми активного транспорту речовин. Вони ефективно пов'язують Fe (III) і транспортують його до клітин мікроорганізмів, де воно зв'язується з клітинними рецепторами і потрапляє всередину клітин. Тут залізо вивільняється і може використовуватися мікроорганізмом [11]. Багато сидерофорів є нерибосомальними пептидами, хоча деякі з них синтезуються самостійно [6].

Сидерофори мають важливе значення для деяких патогенних бактерій, для процесу засвоєння ними заліза [5]. У ссавців обмін даного елементу тісно пов'язаний з білками, такими як гемоглобін, трансферин, лактоферин та ферритин. Тобто концентрація «вільної» форми заліза становить близько 10^-24 М, отже, впродовж еволюційного тиску патогенні бактерії придбали можливість для отримання цього металу. Так, наприклад, збудник сибірської виразки продукує два типи сидерофорів, щоб вилучати Fe³⁺ із залізомісних білків [15].

Бактерії, що стимулюють ріст рослин та пригнічують проліферацію фітопатогенних грибів, синтезують сидерофори, які зв'язують більшу частину Fe (III), що знаходиться в шарі ґрунту, безпосередньо прилеглому до кореня рослини, тобто у ризосфері. Фітопатогенні гриби теж синтезують сидерофори, але вони зазвичай мають більш низьку спорідненість до заліза, ніж сидерофори, синтезовані стимулюючими зростання рослин бактеріями [14]. Це дозволяє останнім здобувати першість в конкурентній боротьбі з фітопатогенними грибами за наявне залізо.

На відміну від фітопатогенних мікроорганізмів, рослини, як правило, не страждають від локального виснаження заліза у ґрунті в результаті поглинання його бактеріями, стимулюючими зростання рослин. Більшість рослин можуть рости при значно менших концентраціях заліза, ніж мікроорганізми [1]. Крім того, відомо, що залізо, пов'язане бактеріальними сідерофорами, може асимілюватися рослинами і використовуватися ними для своїх потреб [5].

Бактерії роду Pseudomonas давно привертають увагу, як продуценти широкого спектра різних сидерофорів [13]. Серед тих, що продукуються ними, особливий інтерес викликають флуоресціюючі сидерофори-пігменти, що представляють собою унікальні сполуки, синтезуючі, за рідкісним винятком, тільки бактеріями даного роду. Ці пігменти характеризуються надзвичайно високою хелатною Fe³⁺-іоноздатністю. Константа зв’язування Fe³⁺ сидерофорних комплексів у бактерій роду Pseudomonas досягає значень 10²⁵ при рН 7,0 [2].

Флуоресціюючі пігменти представників даного роду (піовердини і псевдобактіни) відносяться до сидерофорів змішаного типу, так як зв'язування іонів заліза забезпечується однією катехольною групою хромофора, а також однією гідроксаматною і однієї α-оксикислотною групами, що відносяться до складу пептидної частини молекули сидерофора [3].

Було досліджено можливість взаємодії піовердину, крім заліза, з іонами інших металів. Результати багатьох експериментів свідчать про те, що даний сидерофор здатний утворювати комплекси з іонами одновалентних (Hg⁺, Cu⁺, Cs⁺), двохвалентних (Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺), трьохвалентних (Fe³⁺, Al³⁺, Cr³⁺) та шестивалентних (Mo⁶⁺, W⁶⁺) металів. Таким чином, було показано можливість використання даної сполуки для індикації та зв'язування названих металів у різних середовищах з метою їх детоксикації. Отримані дані узгоджуються з наявними відомостями про взаємодію флуоресціюючих пігментів інших бактерій роду Pseudomonas з металами (Cr³⁺ з псевдобактином Pseudomonas sp. В1 та Al³⁺ з піовердином Р. аеruginosa РА01) [9, 11].

При цьому було зазначено, що при використанні піовердина у відповідних цілях можливо застосування не тільки очищеного препарату, а й культуральної рідини після осадження клітин, що дозволяє здешевити, полегшити та прискорити процес очищення різних екологічних систем від іонів металів (в тому числі й від важких) [5].

Важлива роль сидерофорів полягає в антагоністичних взаємовідносинах ризосферних псевдомонад з ґрунтовими фітопатогенами та у стимуляції росту рослин [8]. Вона неодноразово доведена при інокуляції рослин штамами, що продукують сидерофори, та мутантами, дефектними за їх синтезом. При цьому відзначено не тільки супресуючу дію сидерофорів на фітопатогени, але й стимулюючу дію на рослини.

На відміну від фітопатогенних мікроорганізмів, рослини, як правило, не страждають від локального виснаження заліза в ґрунті в результаті поглинання його бактеріями, стимулюючими зростання рослин. Більшість рослин можуть рости при значно менших концентраціях заліза, ніж мікроорганізми [1]. Крім того, відомо, що залізо, пов'язане бактеріальними сидерофорами, може асимілюватися рослинами і використовуватися ними для своїх потреб [5]. Таким чином, зв'язування іонів заліза сидерофорами бактерій роду Pseudomonas призводить до обмеження зростання фітопатогенів й поліпшенню росту рослин [7, 9].

Широкомасштабне використання в сільському господарстві біопрепаратів на основі ризосферних бактерій роду Pseudomonas стримується відсутністю стандартних технологій їх виробництва. В даний час ведуться розробки технологій отримання біопрепаратів різного призначення на основі ризосферних псевдомонад [8, 13]. Досліджуються різні способи консервації цих біопрепаратів і поліпшення їх прикріплення до поверхні насіння й коріння рослин з використанням різних клеючих речовин та т. п.

Завдяки загальним характеристикам, сидерофори привертають інтерес з боку медичної науки для терапії отруєнь металами, з боку біотехнології для розробки сучасних засобів вилучення металів з об’єктів навколишнього середовища.

Література:

1. Акимова Е.Е. Влияние ризосферных псевдомонад на урожайность сельскохозяйственных культур // Актуальные проблемы биологии, медицины и экологии. Сборник научных работ. – Томск: 2004. – Т. 3. – № 3. – С. 400-401.

2. Блажевич О.В., Максимова Н.П., Лысак В.В. Генетические и биохимические аспекты биосинтеза флуоресцирующего пигмента пиовердина Рм ризосферными бактериями Pseudomonas putida // Бел. гос. ун-т. – 1997. − С. 95–100.

3. Боронин А.М. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas, способствующие росту и развитию растений // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – № 10. – С. 25-31.

4. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. — М.: Мир, 2002. — 306-330 с.

5. Идентификация и характеристика пиовердина Pm – нового антирадикального соединения, синтезируемого бактериями Pseudomonas putida КМБУ4308 / Кулешова Ю.М., Максимова Н.П.,. Блажевич О.В, Семак И.В. // Труды Белорусского государственного университета. – 2006. – №1. – С. 89–97.

6. Логинов О.Н., Мелентьев А.И., Силищев H.H. Роль бактерий-антагонистов фитопатогенов в защите сельскохозяйственных растений от болезней // Уфа: Гилем. – 2001. – С. 66.

7. Мошинець О.В., Косаківська І.В. Фітосфера як екологічна ніша рослинно-мікробних взаємовідносин. Функціональна активність мікроорганізмів та їхній вплив на рослини // Вісник харківського національного аграрного університету. Серія біологія. – 2010. – Вип. 3. – с. 6-22.

8. Штамм бактерий Pseudomonas putida − биостимулятор роста растений / Максимова Н.П., Лысак В.В., Игнатович О.В., Фомичев Ю.К. // Изобретения. – 1996. – № 1. – С. 3-6.

9. Ackerley D.F., Caradoc-Davies T.T., and Lamont I.L. Substrate specificity of the nonribosomal peptide synthetase PvdD from Pseudomonas aeruginosa. // Bacteriol. – 2003. – Vol. 185. – P. 2848–2855.

10. Buyer J., Wright J., Leong J. Structure of Pseudobactin A214, a siderophore from a bean-deleterious Pseudomonas // Biochemistry. – 1986. – Vol. 25, № 19. – P. 5492–5499.

11. Buyer J., Wright J., Leong J. Structure of Pseudobactin A214, a siderophore from a bean-deleterious Pseudomonas // Biochemistry – 1996. – Vol. 25, №19. – P. 5492–5499.

12. Cody Y.S., Gross D.C. Characterization of pyoverdin PSS, the fluorescent siderophore produced by Pseudomonas syringae // Appl. Environ. Microbiol. – 1996. – Vol. 53, № 2. – P.928–934.

13. Haferburg G, Kothe E. Microbes and metals: interactions in the environment // Basic Microbiol. – 2007. – №47. – Р. 453–467.

14. Microbial iron transport via a siderophore shuttle: a membrane ion transport paradigm / Stintzi A., Carmen B., Jide X., and Kenneth N. R. // Department of Chemistry, University of California, Berkeley. – 2000. – July 10.

15. Miethke M.; Marahiel M. Siderophore-Based Iron Acquistion and Pathogen Control // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2007. – Vol.71, №3. – Р. 413–451.

Науковий керівник:

науковий співробітник, кандидат біологічних наук, Русакова Марія Юріївна.