Физиологически активные соединения, образуемые бактериями

Микроорганизмы в процессе жизнедеятельности вырабатывают разнообразные соединения, имеющие важное значение для жизни высший: организмов — растений, животных и других микроорганизмов.

Соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, называются микробными метаболитами. Многие из них вызывают значительные изменения в живом организме, влияют на рост и развитие, нарушают обмен веществ или отдельные физиологические функции организма.

Органические вещества разнообразной химической природы, обладающие активностью в очень малых концентрациях (0,001—0,0001 мкг/мл) и большой специфичностью действия, называют физиологически активными соединениями. Часть из них является регулятором роста растений: ауксины, кинетины, гиб-береллины.

К физиологически активным веществам относят также ферменты, витамины, аминокислоты, антибиотики, пуриновые и пиримидиновые основания, гормоны, токсины и др.

Мир микробов — богатейший источник разнообразных физиологически активных веществ. Возможности микроорганизмов поистине неисчерпаемы. В настоящее время известно большое количество микробных метаболитов. С каждым годом наука открывает новые ценные соединения, некоторые из них ранее не были известны органической химии.

Получение микробных метаболитов открыло новую страницу в учении о микробах.

На основе использования микроорганизмов для получения ценных физиологически активных соединений была создана микробиологическая промышленность. С помощью микроорганизмов получают быстрее, проще, а главное, дешевле различные вещества, применяемые в самых разнообразных отраслях народного хозяйства — медицине, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Но и до сих пор много важных биологически активных соединений микробного происхождения нам, вероятно, неизвестно. Способность микроорганизмов синтезировать самые разнообразные соединения огромна и до конца не изучена. Много новых, полезных для человека метаболитов еще предстоит открыть.

Стимуляторы роста растений

Гиббереллины и гиббереллиноподобные вещества. Бактерии наряду с другими группами организмов обладают способностью стимулировать рост растений, оказывать влияние на их развитие. Это действие вызывается особыми веществами — стимуляторами, которые продуцируют микроорганизмы. Из них наиболее известны гиббереллины. Впервые гиббереллины были выделены японскими учеными из гриба Fusarium (Gibberella) fujikuroi, но затем были обнаружены и в некоторых бактериях. По наименованию гриба они и получили свое название.

Рис. 200. Действие гиббереллина на рост и развитие рудбекии (слева — растения, обработанные гиббереллином, справа — контрольные).

В настоящее время известно до 30 гиббереллинов. Это соединения очень сложного химического строения. Все гиббереллины похожи по своему строению, имея один и тот же остов — «скелет», но даже небольшие отличия в структуре молекулы приводят к существенным различиям в физиологических свойствах. Наибольшей физиологической активностью обладает гиббереллин Аз — гибберелловая кислота.

Ввиду чрезвычайной сложности строения молекулы химический синтез их представляет большие трудности, преодолеть которые пока не удается.

Рис. 201. Стимулирующее действие гиббереллина на рост и цветение примулы. Слева — растение, обработанное гиббереллином; справа — контрольное.

Гиббереллины, найденные в культурах микроорганизмов, проявляют необычайно высокую и разностороннюю физиологическую активность в отношении высших растений. В определенных условиях некоторые растения заметно ускоряют рост при концентрации гибберелли-на 0,0001 мг, т. е. одной десятимиллиардной части грамма! Нет ни одного жизненно важного процесса цветкового растения, на который бы обработка гиббереллином не оказывала влияния.

Гиббереллин резко стимулирует рост растений, ликвидирует карликовость, прерывает период покоя почек и клубней, вызывает образование бессеменных плодов и влияет на целый ряд других процессов.

Гиббереллин стимулирует также образование листьев, значительно увеличивает площадь листовых пластинок.

Поразительно действие гиббереллина на рост стеблей — это вещество вызывает удлинение стеблей за счет вытягивания междоузлий, особенно эффективно действие гиббереллина на карликовые сорта. В результате обработки этим стимулятором получали растения, в несколько раз превосходящие по высоте нормальные. Например, табак достигал пятиметровой высоты, конопля была выше роста человека, некоторые сорта декоративной капусты вырастали высотой около 2 л, а рис необыкновенно сильно вытягивался. Однако такое резкое вытягивание стеблей не всегда бывает нужно и полезно, так как стебли становятся менее прочными и растения погибают. Но это можно регулировать определенной дозой гиббереллина, различными способами и сроками обработки растений (рис. 200).

Исключительно интересным является специфическое действие гиббереллина на растения-двулетники. Эти растения в первый год роста образуют розетку листьев и корнеплоды, а после перезимовки на второй год плодоносят. Но если их обработать раствором гиббереллина, то в первый же год двулетники зацветают и плодоносят.

Стимуляция цветения — еще более поразительное свойство гиббереллина.

Гиббереллин используют в декоративном цветоводстве — после опрыскивания соцветий раствором этого вещества увеличивается число цветоносцев и цветков. Например, цветы гортензий и примулы гораздо крупнее, чем обычно (рис. 201).

Исключительно эффективно действие гиббереллина на виноград, особенно на бессеменные сорта. При опрыскивании соцветий винограда гиббереллином в концентрации 10 мг/л получают грозди, по величине и массе в 1,5—2 раза превосходящие контрольные (рис. 202). При этом значительно увеличивается размер ягод, повышается их сахаристость.

Гиббереллин оказывает стимулирующее влияние на такую важную техническую культуру, как конопля, а также на рост чая и табака.

Обработка им конопли удлиняет стебель в 1,5 раза, не уменьшая толщину. В результате этого увеличивается выход более длинного волокна, а прочность его не только не снижается, но даже повышается. Обработка гиббе-реллином чайных кустов и табака способствует образованию новых побегов и листьев. Кроме того, снижается вредное влияние осеннего похолодания, тормозящего рост чайных кустов; в результате урожай зеленой массы значительно повышается.

Гиббереллин используют для ускорения выращивания солода, применяемого в производстве пива.

Помимо гиббереллинов, микроорганизмы в процессе жизнедеятельности образуют вещества иной химической природы, обладающие значительным стимулирующим действием на растения. Поэтому их часто называют гиббереллиноподобными веществами. Такие вещества, ускоряющие рост и развитие растений, были выделецы из бактерий, актино-мицетов и других групп микроорганизмов.

Рис. 202. Действие гибберелдпна на виноград (кишмиш черный). Левые две грозди (1, 2) — контрольные, правые (з, 4) обработаны гиббереллином.

Среди стимуляторов давно известны и хорошо изучены ауксины, которые вызывают растяжение и ускоряют рост клеток. Их производство синтетическим путем (в отличие от гиббереллинов) уже налажено.

Особенно заметное стимулирующее действие ауксины оказывают на рост корней. Важнейшим среди них является гетероауксин — бета-индолилуксусная кислота (БУК).

БУК применяется в сельском хозяйстве для ускорения образования корней у черенков различных растений, например цитрусовых, для укоренения саженцев.

Токсины

Некоторые бактерии образуют токсические вещества — токсины — соединения разнообразной химической природы, обладающие высокой физиологической активностью. Они значительно подавляют рост и развитие растений (рис. 203). Действие токсинов весьма существенно отражается на животных. Они оказывают значительное влияние на различные стороны обмена веществ живого организма, подавляя различные физиологические функции. Некоторые токсические вещества действуют также на микробную клетку.

Рис. 203. Инглбирующее действие токсинов актиномицетов на проростки хлопчатника. К, К1 — семена хлопчатника, обработанные токсином: слева — контроль.

Токсины могут быть различного химического состава и различного биологического действия. Особый интерес представляют токсины специфического действия, т. е. избирательно подавляющие рост определенных видов растений (особенно сорняков) или специфически действующие на насекомых.

Витамины

Витамины представляют собой группу сравнительно низкомолекулярных органических соединений разнообразного химического строения, объединяемых по признаку их строгой необходимости для питания человека и животных. Витамины требуются в малых количествах и выполняют в организме те или иные каталитические функции, так как входят в состав ферментов.

Микроорганизмы обладают способностью к синтезу различных витаминов. Бактерии, актиномицеты в определенных условиях могут накапливать в среде значительные количества этих веществ. Активность различных видов микробов разнообразна в отношении синтеза витаминов. Каждый вид синтезирует только определенные витамины. Известны микробы, синтезирующие витамины В1 , В2 , биотин, пантотеновую кислоту, пиридоксин, никотиновую кислоту и др. Многие виды бактерий и актиномицетов, окрашенные в красно-розовый, краснооранжевый или желтый цвет, образуют предшественников витаминов, так называемые провитамины — каротины и каротиноиды. Бактерии, микобактерии, актиномицеты, метанобактерии могут синтезировать витамин В12, который имеет важное значение для организма человека и животного, так как применяется при лечении злокачественной анемии.

Витамины необходимы и для медицины, и для сельского хозяйства. Уже давно витамины получают в основном путем извлечения их из натурального сырья. Позже были разработаны методы химического синтеза ряда витаминов, применяемые сейчас главным образом в производстве медицинских витаминных препаратов. Использование витаминов в животноводстве как добавок в корма требует массового производства. В этих условиях оба способа оказываются во многих случаях невыгодными. Извлечение витаминов из натурального сырья связано с расходованием ценных пищевых продуктов (например, витамин Б12 извлекают из сырой печени крупного рогатого скота, бета - каротин из моркови и т. д.), а химический синтез, отличающийся в ряде случаев сложностью, делает конечные продукты слишком дорогими.

Микробиологический синтез ряда витаминов экономически более выгоден, чем другие способы их получения. В настоящее время витамин В12 получают только микробиологическим путем, налажен также промышленный метод биосинтеза витамина В2 , применяемый сейчас вместе с химическим синтезом. Микробиологическим способом получают бета-каротин — провитамин витамина А1.

Пигменты

Многие микроорганизмы в процессе жизнедеятельности выделяют красящие вещества — пигменты, придающие культуре разнообразный цвет. Микробы образуют самые различные по цвету пигменты — в культурах микроорганизмов можно встретить всю гамму цветов и оттенков.

Красные пигменты образуются некоторыми бактериями, актиномицетами. Наиболее яркий красный пигмент выделяет широко распространенная в воздухе и воде неспороносная бактерия Bacterium prodigiosum, по наименованию вида бактерии пигмент получил название продигиозин. Он окрашивает колонии в ярко-красный цвет. Желтые пигменты встречаются в культурах стафилококков, микрококков, сарцин, микобактерии.

Синие пигменты выделяются синегнойной палочкой — Bact. pyocyaneum (пигмент называется пиоцианин), микробами синего молока — Bact. syncyaneum (синцианин), а также актиномицетами вида Act. violaceus, один из пигментов которых назван мицетином. Фиолетовые пигменты характерны для некоторых бактерий и актиномицетов фиолетовой группы.

Черные и коричневые пигменты встречаются в культурах некоторых почвенных бактерий, например азотобактера — микроорганизма, способного фиксировать азот атмосферы и тем самым обогащать почву азотом. Группа бурых актиномицетов образует бурые пигменты мела-ноидного характера. Черные пигменты чаще встречаются в культурах грибов.

Одни из пигментов локализуются в цитоплазме микробов, другие — только в оболочке, а третьи — выделяются микроорганизмами во внешнюю среду.

Количество пигментов, синтезируемых микробами, может быть различно: одни микробы выделяют только один пигмент, другие — несколько, что придает различные оттенки тем или иным культурам бактерий.

Яркость микробных пигментов и их образование тесно связаны с условиями питания и культивирования микробов. Как правило, условия, способствующие хорошему росту микробов, стимулируют и образование ими пигментов.

Химическая природа пигментов очень разнообразна, иногда очень сложна, у многих до сих пор не изучена. Функции пигментов различны.

Некоторые из пигментов обладают антибиотическим действием и фактически являются антибиотиками, например мицетин из культуры актиномицета Act. violaceus, нигрозин из Bact. niger, пиоцианин из Bact. руосуапешп, проди-гиозин из Bact. prodigiosum. и др. Такие пигменты, как каротиноиды. играют роль в окислительных процессах в клетке, некоторые являются стимуляторами. Одним из актиномицетов выделяется пигмент — витамицин, который стимулирует рост животных.

Особое значение среди пигментов микробов имеют каротиноидные пигменты, к которым принадлежат пигменты микроорганизмов, имеющие красно-розовую, красно-оранжевую и желтую окраску.

Способность синтезировать каротиноиды свойственна широкому кругу микроорганизмов: бактериям, актиномицетам, дрожжам, грибам.

Каротиноиды представляют собой обширную группу соединений, молекула которых состоит из циклического кольца (или колец) и длинной углеводородной цепочки с непредельными связями. Такая структура молекулы дает возможность образования множества стереоизомеров, т. е. аналогичных по химическому составу соединений, но различающихся по расположению в пространстве тех или иных радикалов (группировок). Биологически наиболее активен бета-каротин, который является предшественником витамина А1и носит название провитамина А1.

Витамин А образуется из каротина под действием ультрафиолетового света, а также в организме животного. Поэтому бета-каротин и каротиноиды используют как добавки в корма животным, а также в некоторые пищевые продукты для обогащения их ценными соединениями, из которых образуются витамины.

Аминокислоты

Многие микроорганизмы способны синтезировать аминокислоты.

Аминокислоты — важнейшие органические соединения, содержащие азот, являющиеся основными строительными «кирпичиками» белка. Аминокислоты необходимы для синтеза биологических катализаторов — ферментов. Ни одна химическая реакция в организме не протекает без ферментов. Поэтому обмен веществ живого организма невозможен без аминокислот. В центре обмена веществ организма стоит белковый обмен. Рост, развитие организма, передача наследственности, изменчивость — все это связано с синтезом белков. Поэтому значение аминокислот — основных структурных единиц белка — трудно переоценить. При нарушении белкового обмена в организме животного и человека наступают патологические явления, связанные с недостатком тех или иных аминокислот.

Часть аминокислот организмы животного и человека синтезируют сами, а некоторые, необходимые как человеку, так и животным, не синтезируются или синтезируются недостаточно быстро, чтобы удовлетворять потребности в них организма. Поэтому такие соединения надо вводить в организм с пищей или кормом. Аминокислоты, которые организм человека или животных не может синтезировать, но которые необходимы для нормальной жизнедеятельности, называются незаменимыми.

Животные белки богаты аминокислотами, они полноценны. Низкая питательная ценность белков растительного происхождения, например хлебных злаков, объясняется отсутствием или недостатком в них важных незаменимых аминокислот. Так, пшеница и рис бедны лизином и треонином, кукуруза — лизином и триптофаном, бобы и горох — метионином. Биологическая ценность растительных белков может быть значительно повышена путем добавления тех или иных недостающих аминокислот.

В пище населения некоторых стран преобладают белки растительного происхождения (до 90%). Недостаток в полноценных белках приводит к тяжелым заболеваниям (особенно детей).

Учитывая огромное значение злаков в мировой экономике и заметное улучшение качества белков зерна при добавлении недостающих аминокислот, можно предполагать, что свободные аминокислоты будут играть значительную роль в попытках восполнить общий недостаток ценных белков на Земле.

Аминокислоты используются в медицинской практике. Аминокислотная терапия применяется в послеоперационные периоды и при тяжелых ожогах.

Широко используются аминокислоты в пищевой промышленности для повышения питательных и вкусовых качеств продуктов. Соль глу-таминовой кислоты — глутамат натрия — называют «фактором вкуса»: при его добавлении пищевые продукты приобретают более высокие вкусовые качества. Аминокислоты используют при составлении синтетической пищи.

Аминокислоты все шире используются в сельском хозяйстве для подкормки животных, особенно молодняка. Рационально сбалансированное питание животных в настоящее время не мыслится без использования аминокислот. Аминокислоты в рационе животных и птиц резко сокращают расход белка и корма вообще, увеличивают суточный привес и укорачивают период откармливания.

В области микробиологии аминокислоты получили широкое применение для приготовления сред, например при выращивании тканевых культур, для приготовления вакцин.

Аминокислоты используются в качестве исходного материала при синтезе пептидов, гормонов, антибиотиков.

Посредством полимеризации аминокислот, прежде всего глутаминовой кислоты и аланина, предполагают получать синтетические волокна.

Помимо описанных практических сторон биосинтеза аминокислот микроорганизмами, они необходимы для решения ряда теоретических вопросов. Потребности народного хозяйства в аминокислотах огромны.

До недавнего времени аминокислоты вырабатывали в основном из растительных и животных белков путем их гидролиза. На это затрачивалось огромное количество ценного пищевого сырья. Химически синтез аминокислот очень сложен и дорог, а главное — при химическом синтезе получаются рацематы — биологически неактивные формы аминокислот.

Поэтому огромное значение приобретает синтез аминокислот с помощью микроорганизмов.

Как показали исследования зарубежных и советских ученых, микроорганизмы при росте на простых синтетических питательных средах с сахарами (в качестве источников углерода) и солями аммония или мочевины (в качестве источника азота) способны в определенных условиях выращивания накапливать в среде значительное количество (десятки граммов на 1 л среды) тех или иных аминокислот.

Это удивительное свойство микроорганизмов — выделять в среду, «выбрасывать» столь необходимые для жизни самой микробной клетки соединения, которые идут на построение белка. Человек заинтересован в том, чтобы микроорганизмы продуцировали как можно больше аминокислот; для этого получают так называемые «мутанты» — микробы с измененными свойствами. Микробную клетку обрабатывают различными химическими соединениями или облучают ультрафиолетовым светом; в результате происходят изменения в обмене веществ, и микроорганизмы начинают выделять нужные для человека соединения.

Так были получены многие активные продуценты. Так, Micrococcus glutamicus и Brevi-bacterium divaricatum выделяют до 50—60 г на 1 л питательной среды глутаминовой кислоты; Brevibact. monoflagellum и Br. pento-soalaninicum — до 50 г!л аланина; мутанты продуцентов лизина выделяют его до 30 г/л, валин накапливается в среде активными штаммами — около 20 г/л. Гораздо меньше (4— 10 г/л) образуют микробы триптофана — важнейшей, необходимой для животного организма аминокислоты, которую человек и животные сами не могут синтезировать.

Способность микробных клеток образовывать повышенное количество аминокислот успешно используется для получения аминокислот в промышленном масштабе.

Гормоны

Микроорганизмы используются и для получения гормонов.

Гормоны представляют собой сложные органические соединения, играющие важную роль в животном организме: они регулируют многие жизненно важные процессы — развитие, созревание, рост, процессы, управляющие обменом веществ. Стероидные гормоны влияют на работоспособность организма, сопротивляемость неблагоприятным внешним условиям, препятствуют преждевременному старению.

Благодаря мощному и разнообразному физиологическому действию многие из стероидных гормонов представляют высокую ценность как лечебные препараты.

Для медицинских целей гормоны получают из желез внутренней секреции животных. Но для того чтобы получить 1 г гормона, нужно забить несколько тысяч голов скота.

Химический синтез гормонов очень сложен.

Микробы используются для получения гормонов. Если в среду, где растет микроорганизм, добавить определенное вещество, то уже через несколько часов образуется соединение с гормональными свойствами, обладающее высокой физиологической активностью. Это лроисходит потому, что микроорганизмы «изменяют» строение молекулы вещества, которое было внесено в среду. С помощью важных химических реакций соединение приобретает ценные биологические свойства. Этот процесс, осуществляемый микробами, называется трансфер мацией.

Способность к трансформации стероидов обнаружена у многих микроорганизмов: бактерий, актиномицетов, дрожжей, грибов.

Так, с помощью микроорганизмов могут быть получены кортизон и гидрокортизон, предни-зон и преднизолон — ценные препараты гормонального действия, широко используемые в лечебной практике.

Алкалоиды

С помощью микроорганизмов в настоящее время можно получать некоторые алкалоиды — вещества растительного происхождения, являющиеся сложными гетероциклическими азотистыми основаниями и обладающие чрезвычайно высокой физиологической активностью; они оказывают сильное действие на животный организм. Многие из них являются ядами. Большинство алкалоидов парализуют и угнетают нервную систему, например кокаин, кураре, морфин, атропин. Некоторые из них продуцируют микроорганизмы.

В лабораторных условиях с помощью микроорганизмов получают алкалоиды спорыньи —

эргоалкалоиды. Спорынья распространена на ряде злаков, вызывая их заболевание; рожки спорыньи можно увидеть на каждом поле при созревании злаков. Рожки собирают вручную, обрабатывают химическим путем. Такой способ получения эргоалкалоидов трудоемок и не всегда может удовлетворять потребность медицины . в этом алкалоиде.

Некоторые культуры грибов при выращивании на искусственных питательных средах могут синтезировать эргоалкалоиды.

Большой интерес представляют алкалоиды типа атропина. В зерне пшеницы и других злаков, хранившихся при неблагоприятных условиях, образуются токсические вещества. В таком зерне были найдены алкалоиды атропиновой группы, которые продуцируются развивающимися в зерне бактериями. Из культур этих бактерий были получены вещества типа атропина.

Ферменты

Ферменты — биологические катализаторы — образуются в живом организме и отличаются необычайной мощностью каталитического действия и высокой специфичностью действия. Эти свойства ферментов обусловлены тем, что они являются белками.

Микроорганизмы, обладающие очень интенсивным обменом веществ, имеют активный ферментативный аппарат. Они синтезируют самые разнообразные ферменты, которые могут катализировать разложение и синтез всех органических веществ, входящих в живую клетку.

Часть ферментов содержится внутри клетки — эндоферменты, некоторые выделяются микроорганизмами в среду — э к з о -ферменты.

Ферменты имеют большое практическое значение, так как многие отрасли промышленности — хлебопечение, виноделие, пивоварение, выработка спирта, сыроделие, производство чая, органических кислот, аминокислот, изготовление витаминов и антибиотиков и многие другие — основаны на использовании различных ферментативных процессов.

Поскольку каталитическое действие ферментов отличается исключительной эффективностью и специфичностью, не имеющей себе равных при неферментативном катализе, химики стремятся создать новые, более совершенные катализаторы для промышленности, изучая ферменты как модель.

Препараты ферментов находят все большее применение не только в промышленности, но и в сельском хозяйстве, медицине, научно-исследовательской работе.

С помощью ферментных препаратов лечат ожоги, некрозы, их используют в гинекологической и хирургической практике, косметике. В животноводстве использование ферментов способствует повышению усвояемости организмом скота грубых кормов и приводит к увеличению привеса животных и птиц. Применение фермента кератиназы для удаления шерсти с перерабатываемых шкур вызвало революцию в производстве натуральной кожи.

Ферменты нашли широкое применение в текстильной промышленности и пищевой отрасли (для улучшения качества мясных продуктов, повышения стабильности фруктовых соков).

За последние годы с помощью высокоочищенных ферментных препаратов, расщепляющих строго определенные химические связи, удалось расшифровать структуру ряда белков и нуклеиновых кислот.

Большие потребности в ферментах, необходимость их практического применения вызвали к жизни новую отрасль промышленности — ферментную. Для получения ферментов сейчас все шире пользуются микробиологическим синтезом. Способность к образованию нужного фермента или комплекса ферментов у микроорганизмов можно повысить с помощью методов селекции или путем подбора оптимальной среды, температуры, аэрации. Этими факторами можно не только в несколько раз повысить выход ферментов, но и регулировать состав образующихся соединений.

Продуцентами многих ферментов, которые получают сейчас в производстве, являются грибы. Бактерии и актиномицеты также используются для этой цели. Например, амилазы — ферменты, которые используются в хлебопечении,— получают из грибов и бактерии Вас. subtilis; протеолитические ферменты, расщепляющие белки, — из актиномицета Act. griseus; кератиназа и протеиназа продуцируются акти-номицетом Act. fradiae.

Пектинолитические ферменты, расщепляющие пектиновые вещества в растениях, используются при мочке льна. Хорошими их продуцентами являются анаэробные бактерии (процесс идет в анаэробных условиях). Целлюлазы, разрушающие клетчатку и потому используемые для приготовления кормов, продуцируются в очень активной форме целлюлазными бактериями.

Нуклеазы — группа ферментов, участвующих в разложении нуклеиновых кислот, — широко используются для расшифровки строения рибонуклеиновой кислоты (РНК). Нуклеазы были получены из культур актиномицетов, микобактерий и других микроорганизмов.

Этот список можно было бы продолжить, и, вероятно, он очень расширится в ближайшие годы, так как изучение ферментов микроорганизмов и ферментная промышленность развиваются быстрыми темпами.

купить матрикс для волос