Цианобактерии - перспективные объекты биотехнологии и медицины

Цианобактерии (цианопрокариоты, синезеленые бактерии) – широко распространенная группа прокариот, содержащих сине-зеленый фотосинтетический пигмент c-фикоцианин. Эти оксигенные организмы, существующие более 3,5 миллиардов лет и сыгравшие неоценимую роль в формировании жизни на Земле, и в настоящее время выполняют важные экологические функции. Цианобактерии распространены повсеместно – в пресных водоемах, в морях, на сырых поверхностях, а также в экстремальных местах обитания. Они вступают в симбиоз со споровыми и семенными растениями, с полипами, губками, входят в состав лишайников.

Клетки цианобактерий – типичные прокариотические клетки. Для фотосинтеза они используют фотосистемы I и II, в анаэробных условиях – только фотосистему I. Некоторые виды в темноте переходят на миксотрофный режим питания.

По морфологии различают одноклеточные, нитчатые и колониальные формы, часто окруженные слизистой или желатиновой оболочкой. Нитчатые цианобактерии имеют три типа клеток – вегетативные, акинеты, позволяющие переживать неблагоприятные условия, и азотфиксирующие гетероцисты. Азотфиксация у цианобактерий осуществляется нитрогеназой – ферментом, чувствительным к молекулярному кислороду, поэтому процессы фотосинтеза и азотфиксации должны быть максимально разобщены, что регулируется на генетическом уровне.

Оксигенный фотосинтез и аэробное дыхание – процессы, сопряженные с образованием активных форм кислорода. Высокий антиоксидантный статус, обнаруженный в метанольных экстрактах Synechocystis sp., Leptolyngbya sp. и Oscillatoria sp., и в этанольных экстрактах Nostoc sp., Anabaena sp., Calothrix sp., Oscillatoria sp., Phormidium sp. [1], повышенная активность каталазы и супероксиддисмутазы [2] защищают цианобактерии от окислительного стресса.

Пластичность и хорошая приспособляемость к жизни в различных условиях у цианобактерий обеспечивается наличием специализированных ферментов для выработки и модификации вторичных метаболитов различной химической природы – поликетидов, нерибосомных пептидов, небелковых аминокислот, липополисахаридов, алкалоидов, терпеноидов и других. Наибольшее число биологически активных веществ было выделено и идентифицировано из цианобактерий родов Nostoc, Lyngbya, Oscillatoria и Symploca , клетки которых содержат большое число биосинтетических кластеров генов [3].

Метаболиты цианобактерий необходимы для осуществления аллелопатических функций, выступают в роли цианотоксинов, хелаторных агентов, ингибиторов протеаз, защищают клетки от ультрафиолета [4]. Токсины цианобактерий можно отнести к двум основным группам – биотоксины, среди которых выделяют гепатотоксины (микроцистины, нодулярины, цилиндроспермопсин) и нейротоксины (анатоксины, сакситоксины), вызывающие гибель лабораторных животных, и цитотоксины.

Синтезируемые нерибосомально и продуцируемые представителями родов Anabaena, Microcystis, Nostoc, Phormidium, Synechococcus и др., микроцистины накапливаются при цветении водоемов и, распространяясь по трофическим сетям живых организмов, вызывают отравления.

Цитотоксины, в отличие от биотоксинов, влияют на отдельные функции клеток, не вызывая гибели многоклеточного организма, и могут использоваться в фармакологии.

Для вторичных метаболитов цианобактерий показано широкое разнообразие видов биологической активности – антибактериальная, противовирусная, противогрибковая, противопаразитарная, противотуберкулезная, иммуносупрессивная, противовоспалительная, антиоксидантная, противоопухолевая, что привлекает высокий интерес биотехнологии и фармацевтический промышленности и делает их перспективными объектами поиска новых лекарственных препаратов [5].

В настоящей статье представлен обзор биотехнологического и клинического применения цианобактерий и их биологически активных метаболитов.

Использование в медицине

Проблема резистентности к лекарственным препаратам приобретает глобальные масштабы и вызывает серьезную обеспокоенность во всем мире. Поиск эффективных антибиотиков и противоопухолевых средств ведется, в том числе, среди вторичных метаболитов цианобактерий, многие из которых проявляют выраженный терапевтический эффект, среди них антибиотик ванкомицин, иммунодепрессант циклоспорин и цитостатический антибиотик блеомицин.

Для некоторых вторичных метаболитов цианобактерий показана множественность их терапевтических эффектов. Так, ресвератрол из Synechocystis sp. – фитоалексин, проявляющий противоопухолевое, противовоспалительное и кардиопротекторное действие. У крыс со стреп-тозотоцин-индуцированным диабетом он стимулирует чувствительность к инсулину и запускает секрецию глюкагоноподобного пептида-1 из семейства инкретина кишечника [6].

Цианобактерии, например, Lyngbya majuscula, L. confervoides, L. Bouillonii и Rivularia sp., служат источниками депсипептидов, оказывающих противоопухолевое, противогрибковое, противовирусное, антибактериальное, и противопаразитарное действие, проявляют выраженный химиотерапевтический эффект [7].

Цитотоксичность

Цианобактерии известны как продуценты различных ингибиторов протеаз (микрогинины, аэругинозины и цианопептолины), которые могут использоваться для лечения гипертонии, астмы, вирусных инфекций, некоторых форм рака.

Симплокамид A – циклодепсипептид бактерий р. Symploca , является ингибитором сериновой протеазы, обладает высоким уровнем цитотоксичности по отношению к клеткам нейробластомы и рака легких [8]. Кармафи-цины А и В, выделенные из Symplocasp ., активны в отношении адено-карциномы легкого и рака толстой кишки [10]. Циклический пептид микроцистин активирует каспазу, повышает уровень АФК, снижает мембранный потенциал митохондрий, вызывая гибель клетки [9].

Криптофицин 1 из Nostoc sp . – макроциклический депсипептид, проявляющий цитотоксичность, нарушая динамику микротрубочек и приводя к остановке клеточного цикла в опухолевых клетках животных и человека [11]. Похожим механизмом действия на клетки опухолей обладают линейные депсипептиды дола-статины, выделенные из Dolabellaauricularia , а позже из Symplocasp . и линейный пептид гал-линамид А, изолированный из цианобактерий родов Symploca и Schizothrix [12].

Циклический депсипептид калотрипсин А, изолированный из Calothrixsp . и Nostocsp ., и циклодепсипептид апратоксин А, выделенный из Lyngbya boulloni , вызывают остановку клеточного цикла и апоптоз опухолевых клеток.

Наибольшую активность в отношении рака молочной железы и печени, а также некоторых форм лейкозов показали доластатины [13]. Цитотоксическую активностью в отношении карциномы легких проявляют линейные липопеп-тиды из цианобак-терии Moorea producens [14]. Сомоцистинамид A (SсА) из морской цианобактерии Lyngbya majuscula , выступает ингибитором ангиогенеза и пролиферации опухолевых клеток, вызывая апоптоз в опухолевых и ангиогенных эндотелиальных клетках. Толипорфин из Tolypothrix nodosa , проявляет выраженную фотосенсибилизирующую активность в отношении опухолевых клеток и значительно повышает эффективность фотодинамического лечения.

Антибактериальная активность

Помимо цитотоксической акивности, вторичные метаболиты цианобактерий проявляют выраженные антибактериальные свойства.

У представителей Prochlorcoccus marinus, Synechococcus sp., Cyanothece sp., Microcystis aeruginosa, Synechocystis sp., Arthospira sp., Nos toc sp., Anabaena sp., Nodularia sp. встречаются гены, кодирующие антимикробные белки бак-териоцины, например, бактериоцин низин, в несколько раз более активный, чем ванкомицин [15].

Носкомин из Nostoc commune показывает антибактериальную активность против Bacillus cereus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli . Карбамидоциклофаны из Nostoc sp . проявляют антибактериальную активность против золотистого стафилококка. Из Micrococcus lacustris выделены соединения, проявляющие антибактериальную активность в отношении S. aureus, S. epidermidis, Salmonella Typhi, Vibrio cholarae, B. subtilis, B. cereus, E. coli и Klebsiela pneumoniae .

Антипротозойная активность

Из цианобактерий на данный момент выделено большое число антипротозойных соединений, способных преодолеть резистентность простейших, например аеруцикламид C, выделенный из Microcystis aeruginosa , активен против Trypanosoma brucei , а аэроцикламид B – против Plasmodium falciparum . Из морской цианобактерии Blennothrix cantharidosmum , выделен ряд соединений с противомалярийной активностью.

Иммуномодулирующая активность

Помимо антибактериальной, антипротозой-ной и цитостатической активности, препараты цианобактерий проявляют иммуномодулирующее действие. Продукты, приготовленные из нитчатой цианобактерии Spirulinaplatensis , могут воздействовать на иммунную систему, вызывая повышение фагоцитарной активности макрофагов, стимулируя выработку антител и цитокинов, увеличивая накопление естественных клеток-киллеров в тканях и активируя Т и В-клетки. При пероральном применении препараты Spirulinaplatensis обладают противовирусными, противоопухолевыми, антиоксидантными свойствами, обеспечивают клеточную защиту при аллергии, астме, диабете, воспалении, ожирении [16]. Фикоцианин, содержащийся в пигментных фотосинтезирующих комплексах спирулины, обладает различными фармакологическими характеристиками, включая противовоспалительную и противоопухолевую активность [17].

Противовирусная активность

Полисахариды, полученные из различных видов спирулины , особенно из Spirulina platensis , проявляют противовирусную активность в отношении оболочечных вирусов.

Спирулан кальция – полисахарид, состоящий из рамнозы, 3–0-метилрамнозы (акофриозы), 2,3, ди-0-метилрамнозы, 3–0-метилксилозы, уроновых кислот, а также содержащий атомы серы и кальция – in virto препятствует связыванию вируса с клеткой, ингибирует репликацию ВИЧ, вируса герпеса, вируса гриппа А и некоторых других и, в то же время, безопасен для человеческих клеток, поэтому выступает перспективным антивирусным средством.

Ностофлан из Nostoc , обладает активностью против вируса простого герпеса 1. Цианови-рин-N – полипептид, выделенный из Nostoc ellipsosporum , проявляет выраженную активность in vitro и in vivo против ВИЧ и других вирусов, ингибирует слияние вируса ВИЧ с клеточной мембраной СD4. Сцитовирин – полипептид, впервые выделенный из водного экстракта Scytonema varium , связывается с оболочкой гликопротеина ВИЧ и инактивирует вирус в низких наномолярных концентрациях. Существует множество других цианобактериальных метаболитов, которые здесь не рассмотрены, поскольку механизмы их действия еще следует изучить.

Использование в биотехнологии

Цианобактерии широко используются для решения фундаментальных и практических научных задач, что связано с легкостью их культивирования и высокой скоростью роста. Они выступают в качестве модельных организмов для изучения процесса фотосинтеза, фиксации атмосферного азота, клеточного деления, в генетических исследованиях, из-за их способности к генетической трансформации экзогенной ДНК. В настоящее время доступна информация о геномных последовательностях большого числа видов и штаммов цианобактерий, что позволяет проводить исследования генной экспрессии на транскрипционном и трансляционном уровнях.

Цианобактерии нашли широкое применение в биотехнологии – в производстве красителей, пищевых добавок, в биоиндикации, в производстве биопластика, в качестве биоудобрения и кормов для животных, для очистки сточных вод, в нанобиотехнологиях, в качестве альтернативного источника энергии [18, 19].

В исследованиях было показано, что загрязненные нефтью участки океана богаты цианобактериальными консорциумами, которые

В исследованиях показана способность цианобактерий метаболизировать ароматические углеводороды и ксенобиотики. Цианобактерии Mycrocystisaerugenosa и Аphanothecehalophytica могут быть использованы в качестве сорбентов меди, свинца, цинка в водной среде.

Многие штаммы цианобактерий продуцируют сложные полиэфиры полигидроксиал-каноаты (РНАs), обладающие важными свойствами биосовместимости и биоразлагаемости. Они широко применяются в промышленности, в производстве упаковочных материалов, в качестве заменителя небиодеградируемых пластмасс. Перспективным считается применение ПГА в клеточной и тканевой трансплантологии, в создании искусственных органов, шовных и перевязочных материалов, а также систем доставки лекарственных средств.

В настоящее время активно развиваются нанотехнологии, что связано с тем, что в системах нанометрового размера наблюдается переход от индивидуального поведения атомов к коллективному, при этом полученные частицы обладают необычными химическими, оптическими, электрическими свойствами. Научившись управлять такими системами, мы получаем возможность создавать атомные и молекулярные ансамбли с заданными свойствами, что имеет значение для совершенствования электронных устройств, разработки экологически чистых промышленных проектов, создания лекарственных препаратов и систем их доставки [20].

Экологически безопасными наноматериалами являются полисахариды, липиды, пептиды, играющие важную роль в медицинской диагностике, в системах доставки лекарственных средств, генной терапии и тканевой инженерии, в терапии рака [21].

Морские цианобактерии широко используются в нанобиотехнологии, связанной с получением наночастиц различных металлов, а также в нанотехнологической обработке их биологически активных метаболитов в медицине. Нитчатая цианобактерия PlectonemaboryanumUTEX 485 применяется для получения наночастиц золота, серебра, палладия. При взаимодействии этой цианобактерии с водным хлоридом золота (III) происходит сначала преципитация наночастиц аморфного сульфида золота (I) на клеточных стенках, а затем отложение металлического золота в форме октаэдральных пластин рядом с клеточной поверхностью. Металлические наночастицы в сочетании с цианобактериальными фотосинтетическими молекулярными комплексами обладают высокой эффективностью в продукции энергии и рассматриваются в качестве основы для создания преобразующих энергию устройств и сенсоров.

Для получения наночастиц серебра в настоящее время используются несколько видов цианобактерий, таких как Anabaena sp., Lyngbya sp., Synechocystis sp., Cylindrosper-mopsis sp., для получения наночастиц золота, серебра, палладия и платины – цианобактерии родов Anabaena, Calothrix и Leptolyngbya [22].

Наночастицы металлов обладают антимикробным действием в отношении Bacillus megatarium, Escherichia coli, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и Micrococcus luteus , они используются в производстве косметических средств, в обработке хирургических масок, имплантируемымых устройств [22]. Нанотехнологии упростили доставку противоопухолевых агентов при различных раковых состояниях.

С использованием нанотехнологий на основе вторичных метаболитов цианобактерий созданы антивозрастные, противовоспалительные кремы и лекарства. Для косметологии, прежде всего, имеют значение такие биологически активные молекулы цианобактерий, как пигменты, флавоноиды, витамины. Ликопин, который был обнаружен в Anabaena vaginicola и Nostoc calcicola , полисахариды из Nostac flagelliforme , каротиноиды и хлорофиллы, проявляющие свойства антиоксидантов и свободнорадикальных ловушек, также могут быть использованы для защиты кожи от старения и фотоокисления. Использование цианобактерий в солнцезащитных и косметических средствах оправдано также благодаря микроспорину и микроспориновым аминокислотам и их способности предотвращать повреждение кожи ультрафиолетовым излучением за счет их высокого поглощения в УФ-диапазоне.

В то же время натуральные экологически чистые косметические средства биоразлагаемы, безопасны, имеют мало побочных эффектов, а потому исследования в этом направлении, несомненно, должны продолжаться.

В прикладном аспекте цианобактерии привлекают внимание исследователей также как организмы, способные синтезировать поли-ненасыщенные жирные кислоты. В настоящее время получены трансгенные цианобактерии, производящие эйкозапентаеновую кислоту, важную для здоровья человека.

Фикоцианин – водорастворимый, нетоксичный флуоресцентный белок, пигментированный компонент антенной структуры фотосистемы II с выраженными антиоксидантными, противововспа-лительными, противоопухолевыми свойствами – может быть очищен непосредственно из цианобактерий или синтезирован в клетках E.coli при использовании вектора экспрессии. Недорогим источником его является Spirulina . С-фикоциа-нин применяется в пищевой промышленности, биотехнологии, диагностике и медицине.

Цианобактерии Spirulinaplatensis и S. maxima отличаются высоким содержанием белка, до 70% сухой массы и могут использоваться в качестве диетических пищевых добавок. Nos-tocflagelliforme и другие цианобактерии используются в пищу в Китае, Индии, на Филиппинах.

Молекулярный водород – экологически чист, эффективен и возобновляем, один из возможных энергетических ресурсов будущего. Многие штаммы цианобактерий имеют гены, кодирующие гидрогеназы, иммобилизованные клетки и жидкие суспензионные структуры перспективны для фотопродукции молекулярного водорода. На иммобилизованной культуре GloeocapsaalpicolaCALU 743 показна возможность производить молекулярный водород в течение нескольких месяцев.

Актуальной проблемой сельского хозяйства на настоящий момент является утилизация жидкого навоза, помета и сточных вод, характеризующихся высокой санитарно-эпидемиологической опасностью из-за высокой концентрации в них органических веществ и биогенных элементов – аммонийного и нитратного азота и фосфора. Цианобактерии обладают уникальными природными механизмами изъятия связанного азота и фосфора из среды, в том числе из животноводческих стоков. Методология использования цианобактерий и других микроводорослей разрабатывается уже не первый десяток лет и не потеряла актуальности в настоящее время из-за ряда преимуществ. Высокая скорость роста и эффективность извлечения биогенных элементов, фотосинтетическая аэрация, благодаря которой происходит окисление органических соединений и поддерживается жизнедеятельность гетеротрофных организмов, утилизирующих органические компоненты отходов. Все это снижает затраты энергии на очистку, устраняется потребность в аэрации и механическом перемешивании.

В то же время цианобактерии синтезируют широкий спектр ценных соединений. Обогащенная липидами и углеводами биомасса микроводорослей может быть переработана в биотопливо-биодизель, метан, биоводород [23, 24].

Таким образом, использование цианобактерий может обеспечить глубокую переработку отходов животноводства с попутным получением продуктов с более высокой добавленной стоимостью. Биологическая очистка с применением микроводорослей – одно из наиболее перспективных направлений биотехнологии очистки сточных вод, характеризующееся высокой эффективностью, простотой, экологичностью. Проблемой остается получение штаммов, толерантных к высоким концентрациям углекислого газа и эвтофным условиям культивирования на животноводческих стоках. Сложность представляет также интеграция биотехнологий на основе цианобактерий в цикл очистки и переработки отходов животноводства. Работа в этом направлении в настоящее время продолжается.

Заключение

Цианобактерии - уникальные микроорганизмы, синтезирующие большое число вторичных метаболитов с широким спектром биологической активности. Они представляют собой значительный, и пока малоиспользуемый ресурс для получения биологически активных и биотехнологически ценных веществ. Раскрытие потенциала цианобактерий требует применения передовых методов биотехнологии, что связано с необходимостью модификации вторичных метаболитов цианобактерий для получения широкого спектра соединений.

Использование методов биотехнологии позволяет использовать цианобактерии для биодеградации загрязнений, в том числе отходов животноводства, производства эффективных нетоксичных и относительно недорогих лекарственных средств, способных повысить эффективность лечения, а также наночастиц, молекулярного водорода, и решения других практических задач экологии, биотехнологии, медицины.