униконсы

ГК "Униконс"

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

Перейти на сайт
септоцилы

"Антисептики Септоцил"

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

Перейти на сайт
петритесты

"Петритест"

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

Перейти на сайт
закваски стартовые культуры

"АльтерСтарт"

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

Перейти на сайт

В «Комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» (БИО-2020) указывается на актуальность развития морской (голубой) биотехнологии. Морская биотехнология – это раздел биотехнологии, занимающийся вопросами изучения, разведения, переработки и использования морской фауны, флоры и микроорганизмов.

 

ЗНАЧЕНИЕ МОРСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Определяется генетическим разнообразием и уникальным химическим составом гидробионтов, энергетической и пищевой ценностью, высокой жизнестойкостью, отсутствием в них опасных для человека вирусных заболеваний и аллергенов, химической и радиационной безопасностью, высокими функциональными свойствами, ресурсной достаточностью. Программа БИО-2020 предусматривает создание сети аквабиоцентров, занимающихся выращиваем рыб, а также глубокую переработку промысловых гидробионтов и продукции аквакультур.

На основе традиционных и новых биотехнологий из морских гидробионтов производится значительный ассортимент товаров: кормовая рыбная мука, белковый гидролизат для пищевых целей и микробиологического производства, технический, ветеринарный и медицинский рыбий жир, биополимеры и прочее биологическое сырье, полуфабрикаты, продукты потребления. Развитие данного направления позволит внедрить в практику рыбоперерабатывающих предприятий современные биотехнологические методы, способные обеспечить экономически эффективное получение из гидробионтов широкой гаммы пищевых ингредиентов и ценных пищевых продуктов с высокой добавленной стоимостью.

Сегодня известно более 500 тыс. видов морских животных и растений, многие из которых еще недостаточно изучены с точки зрения химии и биотехнологии. Условия обитания морских организмов (высокая соленость, малая освещенность, значительное давление толщи воды, узкий диапазон температур и т.п.) сильно отличаются от таковых для наземных организмов, что выражается в особенностях биосинтеза и метаболизма биомолекул в морских организмах. Большинство из них филогенетически значительно древнее организмов суши. За длительное время эволюции морские беспозвоночные выработали разнообразные химические средства борьбы за существование, в том числе токсины, вещества, тормозящие рост опухолей, сигнальные соединения, антивирусные агенты.

Установлено, что предки современных морских беспозвоночных впервые появились в водах земли в кембрийскую эпоху, которая характеризуется активным формированием разнообразных организмов. В ходе эволюции они претерпели значительные изменения, но некоторые соединения (в том числе ценные гены) были сохранены и присутствуют в современных видах гидро– бионтов. Это делает их чрезвычайно интересными объектами биотехнологии.

Морские обитатели сегодня характеризуются высоким количественным и качественным потенциалом. Этот факт с успехом используется индустрией. Объем производства рыбы, ракообразных и моллюсков постоянно увеличивается, достигнув 144,6 млн т в 2014 году. К наиболее востребованным промысловым объектам лова относятся анчоусы (около 7,9 млн т ежегодно), тунцы, сельдь, минтай, макрелевые.

Океанами и морями покрыто около 70 % поверхности земного шара. Морские воды имеют широкий диапазон колебаний температур, солнечного света, давления, включая тропические мелководья и океанские впадины глубиной до 11 км. В то же время соленость вод в ней довольно равномерная и поддерживается в среднем на уровне 3,5 %. Температура морской воды колеблется от 0 – плюс 4 °С в полярных зонах до 100 °С в глубоководных гидротермальных жерлах. С учетом широкого биоразнообразия населенных живых организмов морскую среду можно считать уникальным концентратом натуральных биологически активных веществ, которые потенциально могут быть востребованы во многих сферах человеческой деятельности.

Средняя глубина океана составляет величину около 4000 м, жизнь на такой глубине критична и возможна только у осмоустойчивых организмов. Однако на этих, а также больших глубинах, где давление достигает величины более 100 МПа, обитают так называемые пьезофилы или барофилы, причем у них функционирует нормальный обмен веществ, а жизнеспособность гораздо выше, чем у гидробионтов в верхних слоях океана или на шельфах. Как правило, пьезофилы обладают также психрофильностью (холодолюбивые) или термофильностью (теплолюбивые), так как они находятся в очень холодных глубинных впадинах или обитают вблизи гидротермальных источников. Эту высокую жизнеспособность обеспечивают гидробионтам вещества уникальной химической природы, аналогов которым нет среди наземных организмов.

Области морской биотехнологии подразделяются на макросферу (рыбы, позвоночные и беспозвоночные гидробионты и их вторичные ресурсы) и микросферу (микроорганизмы и их метаболиты). Последняя является особой сферой биотехнологии, как источник уникальных веществ, аналогов многим из которых нет в наземном мире. Несмотря на наличие многочисленных разработок по применению вторичных ресурсов гидробионтов, они сегодня недоиспользуются. Современные способы биотехнологии позволяют изолировать и использовать ценные натуральные БАВы из данного сырья: белки и пептиды, полиненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды, аминогликаны (хондроитинсульфат, гиалуроновая кислота) и многие другие.

Схема основных сфер морской биотехнологии представлена на рисунке 14.1.

 

Tab 14 1 1

Рис. 14.1. Основные направления морской биотехнологии

 

БИОТЕХНОЛОГИЯ МОРСКИХ МАКРООРГАНИЗМОВ

Использует биопотенциал рыб и их вторичных ресурсов, морских позвоночных и беспозвоночных организмов. Основными целевыми продуктами пищевой биотехнологии, получаемыми из данных морских ресурсов, являются белковые, белково-углеводные, минеральные и жировые биологически активные композиции.

Особый интерес в морской биотехнологии представляют биологически активные пептиды, получаемые из натуральных белков морского происхождения. Это олигопептиды с количеством аминокислот от 2 до 30, размер которых, как правило, составляет менее 10 кДа. Доказано, что многие низкомолекулярные пептиды морского происхождения являются эффективными антиоксидантами, антисептиками, обладают иммуномодулирующей, гипотензивной, регенеративной, репродуктивной функциями, оказывают цитотоксическое действие на несколько клеточных линий рака человека, в том числе HeLa, AGS и DLD-1, ингибируют ангиотензин-превращающие ферменты. У активных низкомолекулярных пептидов установлены опиоидностъ, функции ингибитора ренина, фактора активации тромбоцитов ацетил-гидролазы, пролил-эндопептидазы, а-амилазы, антикоагулянтная активность, а также индукционный эффект. Активные пептиды морского происхождения применимы для профилактики гипертонии и инфекционных заболеваний, снижают уровень холестерина в крови.

Первый биологически активный пептид (казеиновый) был идентифицирован в 1950 году, он усиливает Д-витаминную активность костной ткани при кальцификации рахитичных детей. Для получения активных пептидов необходимо расщепить неактивный родительский белок до уровня, при котором наблюдается биологическая активность «осколков». Основной способ «вырезания» пептидов из родительского белка основан на ферментативном гидролизе, воздействии молочнокислых бактерий или протеоли– тических бактерий, а также кислот, высоких температур.

Биоактивные пептиды были выделены и охарактеризованы из многих белковых сырьевых источников, в том числе молока, яиц, рыбы, мяса, сои и т.д., включая морские макро– и микроводоросли. Установлено, что многие из биоактивных пептидов, обнаруженных сегодня, являются производными от молочных белков (казеин и сывороточные белки). Наиболее заметные из этих пептидов включают АСЕ-ингибирующие трипептиды (изолейцин-пролил-пролин и валин-пролил-пролин).

Эффект рыбных белков достаточно ограничен, но действие полученных на его основе активных пептидов относится к физиологически функциональному. Установлен кардиопротекторный эффект белковых гидролизатов, полученных из отходов от разделки лосося, продемонстрированный на крысах и заключающийся в снижении уровня холестерина в крови; механизм эффекта основан на восстановлении активности холестерин-ацилтрансферазы. Показано, что кислотосвязывающая способность желчи у гидролизатов пресноводных моллюсков выше, чем у водных экстрактов тех же моллюсков. Установлено, что комбинация гидролизатов из пресноводных моллюсков и морской красной водоросли (Gracilaria tenuistipitata) оказывает синергический эффект по связыванию желчных кислот.

Антикоагулянтная активность морских пептидов, изолированных из морского червя, морских звезд и мидии, была установлена в сравнительных опытах с гепарином (коммерческим антикоагулянтом). Kim и Wijesekara доказали кальций-связывающие эффекты активных пептидов, полученных гидролизом белков вторичных тканей минтая (Theragra Chalcogramma) и макруронуса (Johnius belengerii) ферментом пепсином, что применяется в Азии при получении альтернативных заменителей молочных продуктов, предназначенных для людей, страдающих непереносимостью лактозы.

Lordan и Smith показали специфические свойства пептидов водорослей и цианобактерий. Гидробионты, моллюски, водоросли, а также их отдельные ткани (вторичное сырье) могут служить объектом технических, медицинских и фармацевтических сфер и широко использоваться в разных сферах. Продукты морской биотехнологии уже используются при производстве кож, изделий из костей, строительных композитов, медицинских регенеративных материалов, в том числе крови человека. Аминокислотный резерв, который дают данные биоресурсы, является своеобразным «резервуаром» для конструирования активных пептидов нового поколения.

Характерно, что современная морская биотехнология все более акцентируется на изучении протеиновых фракций коллагенсодержащего сырья (чешуя, кожа, кости, головы и другие части тела рыб). Из данного сырья получают натуральный коллаген, ихтиожелатин, низкомолекулярные активные пептиды, отдельные аминокислоты и другие БАВы протеиновой природы.

Установлено, что морской коллаген и получаемый на его основе ихтиожелатин являются универсальными биополимерами. Данные вещества извлекают из кожи, плавников, голов, костей, чешуи, получая структурные белки со специфическим составом аминокислот, что используется в функциональном питании и медицине. Кроме того, рыбные коллаген и желатин обладают желирующими способностями, что важно при микрокапсулировании и стабилизации БАВ. Они используются в качестве пленкообразующих, связывающих и осветляющих средств, структурного элемента регенерируемых тканей, средства доставки лекарственных веществ в очаги поражения, комплексообразователя биологически активных композиций на их основе.

Практическое значение имеют гидролизаты вторичного рыбного сырья. Производство рыбных белковых гидролизатов впервые было организовано в качестве альтернативного способа использования малотоварных видов рыб и вторичного рыбного сырья при подготовке микробиологических пептонов в 1940-х годах XX столетия. Немного позже начали изготавливать гидролизаты для пищевой и кормовой продукции. С тех пор их производство совершенствуется в основном в кормовом направлении (рыбное силосование), что объясняется удобством технологии, так как процесс гидролиза не зависит от эндогенной активности рыбных протеаз. По мере развития аналитической техники были доказаны физиологические функции образующихся при гидролизе пептидов, полученных из различных источников белка. Формированием из гидролизованных белков морского сырья новых биопродуктов занимаются многие ученые, получая различные изделия с функциональной активностью.

Особый интерес в морской биотехнологии представляют сегодня аминогликаны (белково-углеводные соединения, аминополисахариды, олигосахариды, лектины), высоким содержанием которых характеризуются хрящевые рыбы, морские беспозвоночные. Изучение аминогликанов позволяет сделать важные выводы, касающиеся механизмов биотрансформации веществ в организме и возможности применения их на практике. Некоторые структурные гомологи аминогликанов, обнаруженные в морских тканях и обладающие важными функциями в организме, были выделены из высших позвоночных, включая человека. Расшифровка функций эндогенных аминогликанов требует применения современной биоинформатики, а также сравнения структурных «родственников» – аминогликанов морских организмов и высших животных.

Аминогликаны морских беспозвоночных и их производные являются привлекательными моделями гликано-белкового и гликано-пептидного взаимодействия, играющего важную роль в регуляции функции клеток. Высокой биологической эффективностью обладают аминогликаны с менее чем 20 моносахаридами в полимерной цепи (олигосахариды). Это: D-галактоза (GAL), N-аце– тил-Б-глюкозамин (GlcNAc), D-глюкоза, 14-ацетил-0-галактозамин (GalNAc), Д-манноза (Man), L-фукоза (Fuc) и 1М-ацетил-0-нейро– новые кислоты (NeuAc), связанные через гидроксильные группы гликозидными альфа– или бета-связями. Данные комплексы могут быть использованы в качестве основы для минимально инвазивных методов лечения хрящевых, опорных и покровных тканей человека, как транспортные средства для лекарственных веществ, а также при совершенствовании методов контроля экспрессии генов. Многие эффекты аминогликанов морских организмов несут «скрытые ключи» к разгадкам проблем гликобиологии и гликомедицины, что можно и необходимо использовать в практике. Аминогликаны также являются функциональными ингредиентами пищи, внесение которых в различные продукты позволяет повысить их биологическую ценность, создать изделия здорового питания и функциональные пищевые продукты.

Аминогликаны входят в состав многих БАД к пище, поддерживающих функции опорно-двигательного аппарата. Активную основу их составляют гетерополисахариды – гликозаминогликаны (ГАГ), содержащие в своем составе гексозамины, гексозы и гексуроновые кислоты, подразделяющиеся в основном на гиалуроновую кислоту (ГК), хондроитинсульфаты (ХС) и гепарансульфаты (ГС).

ГАГ содержатся в межклеточном матриксе, клеточных мембранах, а также в ядрах клеток животных организмов в виде ассоциированных с хроматином протеогликанов. ГАГ в составе протеогликанов соединительной ткани обеспечивают ее механические свойства, участвуют в воспалительных реакциях и репара– тивных процессах, необходимы для нормального кроветворения и полноценного иммунного ответа, выполняют трофическую и антитоксическую функции.

Гликозаминогликаны представляют собой линейные гетерополисахариды, состоящие из повторяющихся дисахаридных фрагментов, в которые входят гексозы, гексозамины и гексуроновые кислоты. ГАГ, содержащие гексуроновые кислоты, подразделяют на несущие сульфогруппы хондроитинсульфаты, дерматансульфаты, гепарансульфаты, гепарин и несульфатированную гиалуроновую кислоту.

В тканях организма сульфатированные гликозаминогликаны входят в состав протеогликанов, в которых ковалентно связаны с белковой молекулой – кором (рисунок 14.2).

 

Ris 14 2

Рис. 14.2. Протеогликан хрящевой ткани

 

Протеогликаны могут быть объединены несульфатированной молекулой гиалуроновой кислоты, имеющей молекулярную массу от 1 до 10 млн Да, в огромные нековалентно связанные комплексы. Одна молекула гиалуроновой кислоты может удерживать до 140 протеогликанов с образованием агрегата с молекулярной массой около 70 млн Да.

Хондроитинсульфат и гиалуроновую кислоту сегодня получают из хрящевых тканей акул, скатов, осетровых и лососевых рыб, иглокожих (кукумария, трепанг). Данные вещества являются функциональными пищевыми ингредиентами в составе многих Б АД к пище, предназначенных для поддержания опорно-двигательных функций человека. Перспективным для получения препаратов хондропротекторного действия представляется рыбное сырье, а именно недоиспользуемые коллагенно-костно-хрящевые ткани рыб, остающиеся после разделки на пищевые цели. Это плавники, головы, кожа, чешуя, кости и другие вторичные рыбные ресурсы. Такие препараты разработаны в ТИНРО-центре (препарат «Ар– тротин»), технологии которых предусматривают ферментативный гидролиз хрящевой ткани с получением в комплексе аминогликанов и белков. Состав препарата «Артротин» представлен в таблице 14.1.

 

   Таблица 14.1

   Состав ферментативных гидролизатов из хрящевой ткани гидробионтов,
   % от сухого вещества

 Tab 14 1a

Tab 14 1b

 Биотехнологический подход при деструкции природных тканей гидробионтов с применением специализированных ферментов (коллагеназы) реализован при получении из хрящевых тканей акулы, ската и осетра БАД к пище «Хондроитинсульфат-белковый комплекс». Его характеристика приведена в таблице 14.2.

 

   Таблица 14.2

   Состав хондроитинсульфат-белкового комплекса из хрящевой ткани рыб,
  % от воздушно-сухого гидролизата

Tab 14 2

 

Данные таблицы 14.2 показывают, что хондроитинсульфат– белковый комплекс содержит значительное количество хондроитинсульфатов (до 8,7 %) и гексозаминов (до 6,8 %) и может быть использован в качестве источника биологически активных веществ (аминосахаров, коллагена, аминокислот) в форме БАД к пище, обогащающей добавки, а также при составлении композитов на его основе. В состав композитов, полученных на его основе, входит аскорбиновая кислота, соли кальция (глюконат кальция и хитозан), что в совокупности стимулирует срастание костей при травмах и переломах, устраняет воспалительные заболевания суставов, способствует регенерации хрящевой ткани, обеспечивает снижение уровня холестерина в крови.

Важнейшими функциональными ингредиентами морских организмов являются жировые компоненты, в том числе полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК).

Морское сырье богато ценными жирами, содержание которых в отдельных тканях может достигать 50 % и более. В состав липи– дов входят жирорастворимые витамины (A, D, Е), каротиноиды, фосфолипиды, а также жирные кислоты. Насыщенные жирные кислоты в основном представлены миристиновой (0,6-6,5 % от общей массы всех жирных кислот), пальмитиновой (8,3-24,2 %) и стеариновой (0,9-4,4 %) кислотами, а ненасыщенные – зоома– риновой (4,1-7,2 %), олеиновой (9,7-35,6 %), линолевой и лино– леновой (0,4-4,3 %), гадолеиновой (0,1 19,3 %), арахидоновой (0,8-2,9 %), эруковой (0,2-29,6 %), клупанодоновой (0,7-3,2 %) и докозагексаеновой (2,7-22,1 %) кислотами.

В рыбном жире присутствуют фосфолипиды, играющие важную роль в обеспечении проницаемости клеточных оболочек и внутриклеточном обмене, а непосредственно фосфатидилхолин (лецитин) проявляет липотропное действие, препятствуя ожирению печени и способствуя лучшему усвоению жиров.

В обмене веществ человека участвуют, прежде всего, следующие полиненасыщенные жирные кислоты: пальмитолеиновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая и эйкозапента– еновая кислоты. Линолевая и а-линоленовая (витамин F) жирные кислоты являются эссенциальными для человека, так как являются предшественниками семейств длинноцепочечных ПНЖК, выполняющих в организме пластическую и регуляторную функции. Являясь структурным компонентом биологических мембран клеток, Ѡ -3 ПНЖК оказывают непосредственное влияние на текучесть липидного биослоя, проницаемость мембран, мембраносвязанную ферментную активность, функционирование мембранных рецепторов и распознавание антигенов и электрофизиологические свойства мембран.

Количество и соотношение арахидоновой и докозагексаеновой кислот определяют функции клеточной мембраны. ПНЖК изменяют клеточный метаболизм в соответствии с меняющимися условиями среды. Вследствие этого мембранные ферменты, связанные с ПНЖК, приобретают большую стабильность и способность к осуществлению биохимических реакций, что особенно важно в тканях, обладающих высокой электрофизиологической активностью (мозг, сетчатка глаза).

На основе рыбных жиров выпускается целая серия специализированных пищевых и биологически активных добавок, содержащих, прежде всего, омега-3-жирные кислоты, комплексы омега-3-6-9-жирных кислот, растворенные в рыбном жире или в его смеси с растительными маслами. Известны композиции рыбных жиров с восками (сквален), алкоксидиглицеридами, витаминамии А и D, рыбным коллагеном, гиалуроновой кислотой, с экстрактом ламинарии, маслом облепихи, экстрактами валерианы и пустырника, кальцием, маслами зародышей пшеницы, шиповника и облепихи, маслом чеснока, маслом шиповника, экстрактами аниса, мяты, эвкалипта, укропа, розмарина, шалфея, ромашки, зверобоя, календулы, черники и другими БАВ. Отечественная промышленность изготавливает несколько видов рыбного жира для детей: со вкусом лимона, апельсина, грейпфрута, клубники, малины и других фруктов и ягод,

Из липидов ракообразных и панцирьсодержащих отходов от разделки ракообразных различными экстракционными способами получают концентраты фосфолипидов, каротиноидов и липиднокаротиноидных комплексов, в том числе с помощью сверхкритической углекислотной экстракции.

Ценным источником жирорастворимых БАВ являются вторичные рыбные ресурсы – внутренности, позвоночные хребты, головы, печень и другие органы рыб и беспозвоночных. Внесение концентратов ПНЖК и других жировых композиций в различные пищевые продукты в виде обогащающих добавок позволяет создавать богатый ассортимент функциональных изделий нового поколения.

Другие БАВы макроорганизмов – чрезвычайно разнообразны. Целенаправленный поиск физиологически активных веществ в экстрактах морских беспозвоночных привел к обнаружению и выделению высокоактивных по отношению к различным биосистемам соединений. Так, из нескольких видов асцидий получены производные р-карболина (так называемые эудистомины) и циклические пептиды (дидемнины), проявляющие высокую антивирусную активность. Ряд эффективных антивирусных соединений найден в губках и водорослях. Обладающие высокой токсичностью для опухолевых клеток бриостатины из мшанок, арабинонуклеозиды из губок и другие морские метаболиты интересны как основа для создания лекарств нового поколения, в том числе в качестве антираковых средств.

Внимание фармакологов привлекли и тритерпеновые гликозиды из морских огурцов – животных, относящихся к типу иглокожих. Например, из дальневосточного трепанга Stichopus japonicus выделен голотоксин, представляющий собой сумму шикозидов, который применяется в Японии как антигрибковое средство, а родственное ему вещество – кукумариозид А2-2 – используется ветеринарами нашей страны как сильный иммуностимулятор.

Значительный прогресс достигнут в изучении токсинов морского происхождения. Наиболее известные – тетродотоксин, сакситоксин и палитоксин – сложные по химическому строению низкомолекулярные метаболиты и наиболее токсичные небелковые соединения. С помощью рентгеноструктурного анализа определена уникальная, включающая 11 кислородсодержащих циклов структура бреветоксинов, выделенных из морских микроводорослей и симбионтных последним бактерий.

Из нескольких тысяч полученных в последние годы морских природных соединений большинство принадлежат к так называемым экологически активным веществам. К ним относятся морские алломоны – вещества, с помощью которых одни организмы морских сообществ воздействуют на другие, и морские кайромоны – сигнальные вещества, дающие преимущества тем видам, которые их воспринимают. Алломоны и кайромоны морских организмов – это стабильные, в основном низкомолекулярные соединения, действующие на межвидовом уровне. Среди алломонов, кроме токсинов, известны также разнообразные отпугивающие вещества – репелленты. Подобным действием обладает значительное число недавно полученных морских терпеноидов, имеющих в своем составе атомы галогенов или такие редкие функциональные группы, как изонитрильная, изотиоцианатная и карбамидная.

Среди морских кайромонов известны вещества, выделяемые хищниками и предупреждающие реципиентов об опасности, а также вещества, привлекающие к пище. Примерами морских сигнальных соединений служат якоренон из некоторых видов водорослей, способствующий оседанию личинок морского гребешка, и алкалоиды из морских звезд, которые воспринимаются жертвами этих животных – моллюсками, вызывая у последних «реакцию убегания».

Специфическая морская среда и повышенная потребность в химической регуляции межвидовых и внутривидовых отношений наложили отпечаток на особенности химического строения вторичных метаболитов морского происхождения. Многие исследователи отмечают способность морских организмов утилизировать некоторые растворенные в воде компоненты и включать их в состав своих метаболитов. К таким компонентам относятся галогены, прежде всего бром, а также сульфат-анион. Содержание галогенированных соединений в водорослях может достигать 5 % сухого веса.

Установлено, что сульфатированные метаболиты из губок семейства Halichondriidae – мощные ингибиторы некоторых ферментов, а сульфатированные стероидные полиолы из офиур проявляют сильный иммуномодулирующий эффект. Сульфатированные вторичные метаболиты морских организмов относятся к бифильным соединениям: они обладают гидрофильными и гидрофобными структурными фрагментами. Такого рода вещества, с одной стороны, имеют хорошую растворимость в воде и быстро в ней диффундируют, а с другой – легко взаимодействуют с мембранами соответствующих рецепторов у реципиентов.

Вторичные метаболиты морских беспозвоночных и водорослей часто принадлежат к ранее неизвестным циклическим системам. Для биохимии морских организмов характерны необычные циклизации, инициируемые ионами бромония, хлорония или окислительными ферментами. В организме голотурий, например, синтезируются голостановые глюкозиды, имеющие высокую физиологическую активность, а также новые структурные серии тритерпеновых гликозидор.

В морской биотехнологии макроорганизмов сегодня прослеживается тенденция смещения научных интересов от химических компонентов в экстрактах организмов к минорным, но высокоактивным соединениям, например симбионтным комплексам, широко представленным в морских биоценозах. Из них получают физиологически активные вещества, которые находят применение в медицине, аквакультуре, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и других сферах.

 

БИОТЕХНОЛОГИЯ МОРСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Перспективное направление голубой биотехнологии, обусловленное уникальностью морской микрофлоры. Морские микроорганизмы являются источниками многих физиологически активных соединений новой природы.

Древнейшие биоценозы океана имеют отличную от суши биоту. Четкое определение таксономического положения и трофических связей морских микроорганизмов показывает, что морской среде обитания присущи особые виды и роды микроорганизмов, а разделение морских форм и сухопутных – пресноводных, почвенных и т.д. – осуществляется как на уровне высоких таксонов, так и на штаммовом уровне. Это свидетельствует об особом пути эволюции морских микроорганизмов и противоречит широко распространенному мнению, что большинство микроорганизмов привнесены в море с суши посредством эолового переноса и со стоком рек.

В последние годы все чаще приходят сообщения о случаях симбиоза бактерий с морскими макрогидробионтами. Внешние и внутренние поверхности животных и растений несут большое количество бактерий, иногда они находятся в качестве симбионтов в их тканях и органах. Вследствие такой тесной связи возможны синтрофия, метабиоз и обмен сигнальными веществами в морских сообществах. Различного рода биоактивные вещества обнаружены в растениях и животных, в особенности беспозвоночных – губках, кораллах, асцидиях и т.д. Предположительно многие из них являются продуктами биосинтеза микроорганизмов, ассоциированных с этими животными. Количественный и качественный состав микроорганизмов, встречающихся в морских животных, существенно отличается от состава воды и грунта в местах их обитания. Это свидетельствует о специфичности взаимодействия микро– и макробионтов.

Большая коллекция морских микроорганизмов собрана в Тихоокеанском институте биоорганической химии – ТИБОХ (единственная в РФ), которая имеет официальный акроним КММ. В ней представлены образцы из тропических и бореальных областей Мирового океана: гетеротрофные аэробные и факультативно-анаэ– робные микроорганизмы, выделенные из животных, воды и донных осадков. Она входит в состав Всемирной федерации коллекций культур микроорганизмов (WFCC) и располагает примерно 10 тыс. штаммов микроорганизмов, в основном бактерий. Коллекция служит основой для всестороннего исследования микробов – продуцентов физиологически активных веществ: внеклеточных РНК– аз, ДНК-аз и их ингибиторов, новых рестриктаз, а-галактозидазы, эластазы, щелочной фосфатазы, ингибиторов вирусной ревертазы, а– и р-гаюкозидаз, антиопухолевых веществ, антивирусных соединений, антибиотиков, кардиотоников и иммуномодуляторов.

У морских бактерий открыта способность биосинтезировать супербромированные соединения. Структурные особенности антибиотиков из морских акгииомицетов обусловили необычность их физиологического действия. Например, бромсодержащий макролидный антибиотик аплазмомицин (аналог боромицина) из Streptomyces griseus активен против малярийного плазмодия. Группа аминогликозидных антибиотиков истамицинов из Streptomyces tenjimariensis подавляет рост патогенных микроорганизмов, устойчивых к другим антибиотикам. Кроме того, обнаружена противоопухолевая активность in vivo истамицина.

Большой интерес представляют бактерии и вторичные метаболиты морских микроорганизмов, выделенных из губок, асцидий, мягких кораллов, голотурий, морских звезд, рыб и моллюсков. Из двух образцов губок Dysidea sp., собранных близ островов Тутуила и Офу, выделено восемь штаммов бактерий родов Yhotobacterium, Vibrio, Arthrobacter, Micrococcus. В губках рода Dysidea содержится большое количество физиологически активных соединений, в частности бромсодержащий метаболит ТБДЕ, проявляющий цитотоксическую и антимикробную активность. Биосинтез бро– мированных соединений является характерной особенностью штаммов бактерий родов Vibrio – 88-1 и 88-3.

Из мидии выделено два новых лектина, которые способны агглютинировать микроорганизмы, ассоциированные с этим моллюском, но не патогенные для человека и животных. Лектины играют вспомогательную роль в регуляции количественного и таксономического состава популяций микроорганизмов. Один из них взаимодействует исключительно с грамположительными бактериями, другой – преимущественно с грамотрицательными.

Штамм Streptomyces pluricolorescens (КММ Acl) продуцирует антибиотик с ингибирующей концентрацией 0,1-1 мкг/мл. Соединение не обладает цитостатическим действием и не проявляет протеолитической активности. Из него получают гомогенный препарат-пептидный антибиотик – пальмиромицин. Актиномицеты (Streptomyces parvulus), выделенные из морского грунта литоральной полосы острова Д'Аррос (Республика Сейшельские Острова), синтезируют антибиотик – ингибитор роста грамположительных бактерий и грибов.

Тестирование 8 тыс. морских микроорганизмов на способность синтезировать активные метаболиты, проведенное в ТИБОХ, позволило сделать заключение о распространении микробных продуцентов. Наиболее распространенными метаболитами микроорганизмов всех изученных групп животных являются цито– токсические соединения. Среди них были отобраны для химических исследований рН-зависимые цитотоксины. Такие вещества обнаружены в экстрактах микроорганизмов из донных осадков, мягких кораллов и морских звезд. Из штамма Bacillus sp. (КММ 456) была получена сумма пептидов с цитотоксической активностью, которая увеличивалась в 100 раз при изменении рН среды от 7,0 до 5,6. Выделенные вещества являются короткими пептидами с молекулярной массой от 1000 до 1460 Да.

Велико число микроорганизмов-продуцентов антибиотических соединений в штаммах асцидий, горгонарий, морской воды и донных осадков. В коллекции ТИБОХ имеются бактериальные штаммы, синтезирующие антибиотики против грамотрицательных бактерий, правда, процент таких микроорганизмов незначителен. Антибиотик-продуцирующие бактерии получены из мадагаскар– ской губки Dendrilla sp. Два из них {Bacillus pumilus Д-7 и Д-12) интересны тем, что синтезировали высокоактивные антибиотики, подавляющие в низких концентрациях развитие патогенных для растений микроорганизмов Xanthomobas bardii. Антибиотический препарат из Bacillus pumilus показывал также антидепрессорную активность.

Большое количество (30-50 %) продуцентов иммунотропных соединений обнаружено в ассоциативных комплексах альционарий, асцидий, ракообразных, но их гораздо меньше в микрофлоре губок и морской воды. Важным направлением морской биотехнологии становится получение противовирусных препаратов. Предпосылкой для поиска среди морских бактерий таких соединений является факт, что некоторые вирусы инактивируются в морской среде. По мнению большинства исследователей, ингибирование энтерови– русов связано с метаболической деятельностью морских Vibrio marinus, бактерий родов Flavobacterium, Pseudomonas.

Морские микроорганизмы обладают признаками, не встречающимися у наземных микроорганизмов, например барофильно– стью и галофильностью. Эти признаки, как правило, обусловлены ферментами, заслуживающими тщательного изучения. Японские исследователи выделили из психрофильного бактериального штамма, изолированного из пробы воды в Антарктике, термолабильную фосфатазу, а из галофильного штамма Pseudomonas sp. – протеазу, проявляющую максимальную активность при 18%-ной концентрации NaCl в среде. Этот фермент используется для приготовления рыбного соуса.

Особенно удачным оказался поиск ферментов среди бактерий микробных продуцентов нуклеинового обмена. Штамм Alteromonas haloplanktis (КММ 223), выделенный из образца воды с глубины 2000 м (северо-западная часть Тихого океана), продуцирует уникальный фермент – уридинспецифическую РНК-азу. Этот белок разрезает РНК по уридиловой петле и может применяться в структурных исследованиях больших молекул РНК, например вирусных. Штамм Bacillus pumilus (КММ 61) синтезирует внеклеточную РНК-азу с молекулярным весом 14000 Да. Фермент проявляет активность в диапазоне рН от 8,5 до 9,5. Эта РНК-аза примерно с одинаковой скоростью гидролизует пуриновые и пиримидиновые гомополирибонуклеотиды. Фермент может быть использован в производстве рибонуклеотидов и рибонуклеозидов из РНК.

В настоящее время достигнуты успехи в выделении и использовании из морских микроорганизмов холодоустойчивой зоны специфических ферментов, которые начинают с успехом применяться в стиральных порошках, способных удалять загрязнения при стирке в воде любой температуры.

Перспективы морской биотехнологии микроорганизмов просматриваются в двух направлениях. Это поиск микробных продуцентов биоактивных веществ с необычной структурой и действием, а также выявление истинных продуцентов метаболитов, ранее отмеченных для макрогидробионтов.

 

яндекс.ћетрика