Молекулярные механизмы защиты продуцентов от веществ с «суицидным» эффектом.

Биотехнологам, создающим суперпродуценты биологически активных веществ, как правило, приходится сталкиваться с проблемой защиты продуцента от вырабатываемого в большом количестве целевого продукта. Особенно наглядно это демонстрируется при создании суперпродуцентов вторичных микробных метаболитов. С одной стороны, образуемые в почвенных биоценозах микробные метаболиты нередко выполняют функцию «оружия в борьбе за существование». С другой стороны, за счет мутаций, клеточной и генной инженерии, а также подбора специальных питательных сред такие вещества начинают вырабатываться клеткой в неестественно больших для нее количествах. С позиций биотехнологии проблему защиты продуцентов от образуемых ими веществ нельзя рассматривать только применительно к антибиотикам. Однако последние являются наиболее показательным примером защиты клетки от потенциально «суицидных» собственных веществ, способных вызывать ее гибель. Механизмы защиты продуцента от собственной сверхпродуктивности могут быть разными. В случае антибиотиков таких механизмов несколько. Роль каждого механизма защиты зависит в свою очередь от механизма биологической активности конкретного антибиотика. Известно, что наиболее распространенную группу антибиотиков, применяемых в клинике, если не считать беталактамов, составляют ингибиторы синтеза белка у бактерий на рибосом ном уровне: тетрациклины, аминогликозиды, макролиды и некоторые другие. Их продуцентами являются актиномицеты, т.е. многоклеточные бактерии, способность которых выдерживать высокие концентрации собственных антибиотиков объясняется несколькими причинами. Из них главной является особенность биосинтеза их молекул (точнее сборка углеродного скелета), который происходит особенно интенсивно и достигает максимума, когда культура продуцента замедляет скорость размножения своих клеток и переходит из тро- фо- в идиофазу. Иными словами, несмотря на потенциальную способность тормозить синтез белка, накопившийся антибиотик не способен причинить вред своим клеткам, в которых синтез белка уже почти прекратился. Другие причины, наблюдаемые на примере некоторых групп антибиотиков — ингибиторов белкового синтеза, носят более частный характер. Исследования с антибиотиками — аминоглико- зидами на примере наиболее подробно изученного неомицина показали, что в процессе или после сборки молекулы антибиотика он подвергается временной обратимой инактивации. Рибосомы продуцента неомицина, как показывают опыты с бесклеточной синтезирующей белок системой, чувствительны к антибиотику. Соответственно возникает вопрос о совмещении в одной и той же клетке эндогенного ингибитора (каковым в дан- ном случае является неомицин) с работающими рибосомами. Частично ответить на этот вопрос можно, исходя из вышеуказанной общефизиологической закономерности, характеризующей биосинтез антибиотиков: максимум биосинтеза антибиотика не совпадает по времени с максимальной скоростью синтеза белка (цикл развития культуры уже завершен). Существует и специфический механизм защиты клетки продуцента от неомицина, который может быть обратимо инактивирован за счет фосфорилирования- одной из многочисленных в аминогликозидной структуре амино- или гидроксильных групп. Источником переносимого на антибиотик фосфатного остатка является АТФ. Обратимость инактивации обусловлена существованием в клетке продуцента локализованной в клеточной мембране щелочной фосфатазы. Этот фермент на последнем этапе выброса антибиотика в среду осуществляет его реактивацию, т.е. дефосфо- рилирование, после которого антибиотик уже в активном состоянии направляется в среду в силу односторонней проницаемости мембраны. Причем иногда реактивирующий фермент не справляется со своими функциями, и в среду антибиотик выделяется в неактивном виде. Если его сконцентрировать и обработать щелочной фосфатазой, можно получить дополнительное количество антибиотика из, казалось бы, неактивной культуральной жидкости. Небезынтересно, что ген фосфорилирующего фермента нахо- дится в кластере генов биосинтеза неомицина, наглядно демон- стрируя генетическую близость защитной аминогликозид-фосфотрансферазы у продуцента с ферментами биосинтеза аминогликозида, т.е. подчинение функций генов кластера единой цели — образованию антибиотика, эффективного против микроорганизмов-конкурентов, но безвредного для своего продуцента. Однако помимо выполнения защитной функции фосфотрансфераза может воздействовать и на фрагменты собираемой ами- ногликозидной молекулы, активируя их, т.е. выполнять двойную функцию (при биосинтезе — как фактор защиты от суицидного агента).

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое ретроингибирование?

2. На чем основан аминокислотный контроль метаболизма микроорганизмов?

3. Что назывется катаболитной репрессией?

4. Какими бывают виды активного и пассивного транспорта веществ?

5. Какие вещества обладают «суицидным эффектом»?

Тезисы лекции № 10

Мутасинтез

Цель лекций –

Ключевые слова (термины) -

План лекции:

1. Направленная трансформация антибиотиков.
2. Получение мутантов продуцентов, утративших способность к синтезу одного или нескольких фрагментов антибиотика. Создание идиотрофных мутантов.
3. Синтез мутасинтонов – аналогов фрагментов молекулы антибиотика. Включение мутасинтонов в молекулу антибиотика. Ферментация – образование мутасинтетических антибиотиков. Перспективы использования мутасинтеза для получения новых антибиотиков.