ПРОДУКЦІЯ ФЕНАЗИНОВИХ ПІГМЕНТІВ БАКТЕРІЯМИ РОДУ PSEUDOMONAS

Сьогодні відомо велика кількість похідних даних пігментів, які виконують життєво важливі функції для продукуючого організму, а також можуть бути використані людиною. Традиційно, основним джерелом комерційних природних антибіотиків були вторинні метаболіти, що продукуються ґрунтовими бактеріями [9].

Феназини продукуються широким колом грампозитивних та грамнегативних бактерій, представниками роду Actinomycetes та навіть деякими археями [3]. Найбільш різноманітно група феназинових пігментів представлена у бактерій роду Pseudomonas. Різні штами бактерій P. aeruginosa продукують аеругінозін А, аеругінозін В, оксіхлорорафін, хлорорафін і синій пігмент – піоціанін; P. chlororaphis – феназин-1-карбонову кислоту; P. iodininum – пурпурний пігмент йодинін [1]. Колір феназинів пов'язаний з поглинанням світлової енергії у видимій області (400-600 нм) [6].

Феназинові сполуки – низькомолекулярні гетероциклічні азотовмісні речовини [2]. Основу даного ряду становить феназин-1-карбонова кислота, з якої утворюються інші похідні, зокрема феназин, 2-оксіфеназин-1-карбонова кислота, піоціанин, оксіхлорорафін, геміпіоціанин та інші. На сьогоднішній день з природних джерел було виділено більш 100 похідних феназину, і це число продовжує зростати.

Феназини із природних джерел, що мають цікаві біологічні ефекти, стимулювали розвиток синтетичних аналогів із біохімічними показниками, що не поступаються або навіть перевищують властивості природних сполук [11].

Природні феназинові сполуки вважаються вторинними метаболітами, що походять від спільної первинної сполуки (шикимової кислоти) під час її обміну. Більшість досліджень шляхів біосинтезу даних речовин були виконані з використанням штамів псевдомонад, для яких було доведено, що феназин-1,6-дикарбонова та феназин-1-карбонова кислоти – попередники більш складних похідних [9].

Генетичні основи біосинтезу феназинів було ідентифіковано для цілого ряду штамів роду Pseudomonas. Сьогодні вважається, що для цього є необхідним повний набір з п’яти генів, тобто «кор» феназинових генів. Так, для продукції феназин-1-карбонової кислоти клітинами P. chlororaphis 30-84 визначено кластер з п’яти генів, phzFABCD [15]. Недавні дослідження показали, що «кор»-гени біосинтезу феназинів можуть бути перенесені між представниками різних родів бактерій в процесі горизонтального переносу генетичної інформації [12].

Контроль експресії генів на рівні транскрипції, – основний механізм моделювання виробництва вторинних метаболітів [15]. Робота генів, що відповідають за синтез феназинів, регулюється комплексом загальних регуляторних систем вторинного метаболізму [6].

У природі феназини утворюються в клітинах, поділ яких був припинений, тобто ці сполуки не відіграють ролі джерела енергії або резервних поживних речовин [5]. Сьогодні основним поясненням даного факту є те, що біосинтез даних сполук запобігає надмірному накопиченню первинних метаболітів в кінці фази клітинного росту через утворення, а потім екскрецію саме феназинів – нетоксичних кінцевих продуктів. Також було доведено, що феназин-продукуючі організми можуть довше існувати у природному середовищі у порівнянні з видами, які їх не виробляють. Отже, продукція феназинів є захистом клітин, у тому числі мікробних, та їх середовища існування від інших конкурентів [8].

Але з іншого боку, ймовірно також, що феназини, які утворюються патогенними видами мікроорганізмів, є їх факторами вірулентності [6].

Багато бактерій на поверхні твердої фази (наприклад, кореню або слизових оболонках) присутні у складі мікроскопічних колоній, що утворюють біоплівку [10]. Саме ці колонії є місцями, де кількість бактерій досягає найвищого рівня, та щільності клітин потребує регуляції, тобто розвитку процесів quorum sensing та утворення відповідних сигнальних молекул. Отже, феназин-1-карбонова кислота може сприяти росту клітин всередині біоплівки.

Як відомо, феназини цитотоксичні. Одна з причин феназин-опосередкованої цитотоксичності є їх здатність взаємодіяти з нуклеїновими кислотами. Ароматичне ядро феназину має структурну схожість з відомими інтеркаляторами, наприклад акридинами і бромідом етидію [13]. Феназини, такі як піоціанін, приймають електрони, що викликає порушення електронного транспорту та дихального потоку в клітині [1].

Антиоксидантні властивості феназинів було підтверджено у дослідженнях пригнічення ними перекісного окиснення ліпідів у мікросомах печінки [6]. Але антибіотична активність природних феназинів пов’язана зі зворотнім процесом, а саме утворенням вільних радикалів [14]. Характеризуючись здатністю легко проникати всередину бактеріальних клітин і вступати там в окисно-відновні реакції, приймаючи електрони від глутатіону і NADH та перетворюючись у відносно стабільні аніони, дані речовини викликають генерацію активних форм кисню, що мають високу реакційну здатність, результатом чого є індукція окисного стресу і подальша загибель мікроорганізмів.

Хоча довгий час феназини були відомі тільки своїми протигрибковими властивостями, зацікавленість ними з часом зростала й не тільки з метою використання як засобів для біологічного контролю у аграрному комплексі. Феназинові сполуки можуть бути використані як індуктори синтезу фітоалексинів, тобто стимулювати утворювання у рослин системних механізмів захисту проти інфікування патогенними мікроорганізмами [4].

Отже, сьогодні вже визначено можливість створення біопестицидних препаратів з основою на представниках роду Pseudomonas, що пригнічують розвиток таких захворювань сільськогосподарських рослин, як гниття кореневої шийки зернових та плодових культур, судинне та паренхіматозне ураження картоплі і капусти, опіки листя, плямистість плодів, бактеріальний рак, некрози кори та інші [16].

Відмінності в структурі різних феназиноподібних сполук впливають на їх біологічні функції, а також можуть визначати екологічну нішу, в якій перебувають відповідні бактерії-продуценти [7]. На основі отриманих у біотехнологічних дослідженнях результатів, очевидно, можна буде проводити тонке налаштування механізмів продукції феназинових похідних із заданими властивостями.

Література:

1. Лысак В. В. Микробология: учеб. пособие. – Минск: БГУ – 2007. – С. 327 - 329.

2. Феклистова И.Н. Синтез антибиотиков ароматической природы у бактерий pseudomonas aurantiaca b-162: Автореф. дис. … канд. биол. наук. К., 2006. – 22 с.

3. Abken H.-J., Tietze M., Brodersen J. Isolation and characterization of methanophenazine and function of phenazines in membrane-bound electron transport of Methanosarcina mazei Gö1 // J. Bacteriol. – 1998. – V. 180, № 8. – P. 2027 - 2032.

4. De Vleesschauwer D., Cornelis P., Hofte M. Redox-active pyocyanin secreted by Pseudomonas aeruginosa 7NSK2 triggers systemic resistance to Magnaporthe grisea but enhances Rhizoctonia solani susceptibility in rice // Molecular Plant-Microbe Interactions – 2006. – V. 19. – P. 1406 - 1419.

5. Fernandez R. O., Pizarro R. A. High-performance liquid chromatographic analysis of Pseudomonas aeruginosa phenazines // J. Chromatogr A – 1997. – V. 771. – P. 99 - 104

6. Kim W.-G., Ryoo I.-J., Yun B.-S. Phenazostatin C, a new diphenazine with neuronal cell protecting activity from Streptomyces sp. // J. Antibiot. – 1999. – V. 52, № 8. – P. 758 - 761.

7. Kinoshita Y., Kitahara T. Total synthesis of phenazinomycin and its enantiomer via high-pressure reaction // Tetrahedron Lett. – 1997. – V. 38, № 28. – P. 4993 - 4996.

8. Krastel P., Zeeck A., Gebhardt K. Endophenazines A-D, new phenazine antibiotics from the athropod associated endosymbiont Streptomyces anulatus II. Structure elucidation // J. Antibiot. – 2002. – V. 55, № 9. – P. 801 - 806.

9. Leisinger T., Margraff R. Secondary metabolites of the fluorescent pseudomonads // Microbiol. Rev. – 1999. – V. 43. – P. 422 - 428.

10. Maddula V.S., Pierson E.A., Pierson L.S. Altering the ratio of phenazines in Pseudomonas chlororaphis (aureofaciens) strain 30-84: effects on biofilm formation and pathogen inhibition // J. Bacteriol. – 2008. – V. 190. – P. 2759 - 2766.

11. Maul C., Sattler I., Zerlin M. Biomolecular-chemical screening: a novel screening approach for the discovery of biologically active secondary metabolites. III. New DNA-binding metabolites // J. Antibiot. – 1999. – V. 52, № 12. – P. 1124 - 1134.

12. Mavrodi D.V., Blankenfeldt W., Thomashow L.S. Phenazine compounds in fluorescent Pseudomonas spp. biosynthesis and regulation // Annual review of Phytopathology. – 2006. – V. 44. – P. 417 - 445.

13. McDonald M., Mavrodi D.V., Thomashow, L.S. Phenazine biosynthesis in Pseudomonas fluorescens: Branchpoint from the primary shikimate biosynthetic pathway and role of phenazine-1,6-dicarboxylic acid // J. Am. Chem. Soc. – 2001. – V. 123. – P. 9459 - 9460.

14. Muller M. Scavenging of neutrophil-derived superoxide anion by 1-hydroxyphenazine, a phenazine derivative associated with chronic Pseudomonas aeruginosa infection: relevance to cystic fibrosis // Biochim. Biophys. Acta – 1995. – V. 1272, № 2. – P. 185 - 189.

15. Pearson A., Lux A., Krieger M. Expression cloning of dSR-CI, a class C macrophage-specific scavenger receptor from Drosophila melanogaster // Proc. Nat. Acad. Sci. – 1995. – V. 92, № 9. – P. 4056 - 4060.

16. Schoonbeek H. J., Raaijmakers J. M., De Waard M. A. Fungal ABC transporters and microbial interactions in natural environments // Mol. Plant Microbe Interact. – 2002. – V. 15, № 11. – P. 1165 - 1172.

Науковий керівник:

кандидат біологічних наук Русакова Марія Юріївна.