Метабиотики — класс метаболитов микроорганизмов¶
Метабиотики — это вторичные метаболиты микроорганизмов (бактерий и грибов), обладающие биологической активностью и способные оказывать воздействие на другие организмы, в том числе на человека, животных и растения. Термин объединяет широкий класс химических соединений, которые не участвуют в основных процессах роста и размножения продуцирующих их микроорганизмов, но выполняют функции межвидового взаимодействия, защиты и сигнализации в экосистемах.
¶Происхождение и содержание термина
Понятие «метабиотики» возникло в рамках развития микробиологии и биохимии во второй половине XX века как обобщение наблюдений о том, что микроорганизмы выделяют в среду множество низкомолекулярных соединений, не связанных напрямую с их основным метаболизмом. К ним относятся антибиотики, пептидные сигнальные молекулы, ферменты-ингибиторы, пигменты и другие вещества.
В русскоязычной научной литературе термин «метабиотики» используется реже, чем в англоязычной, где чаще встречается понятие «microbial specialized metabolites» (специализированные метаболиты микроорганизмов). Синонимичными или близкими по смыслу являются также термины «вторичные метаболиты», «метаболиты микроорганизмов», «биологически активные метаболиты микроорганизмов».
¶Классификация
По химической природе метабиотики подразделяются на несколько основных групп:
| Класс | Примеры | Продуценты |
|---|---|---|
| Полиениды | Нистатин, амфотерицин B | Streptomyces noursei, Streptomyces nodosus |
| Полиеновые макролиды | Натамицин | Streptomyces chattanoogensis |
| Гликопептиды | Ванкомицин | Amycolatopsis orientalis |
| β-лактамы | Пенициллин, цефалоспорины | Penicillium chrysogenum, Acremonium chrysogenum |
| Аминогликозиды | Стрептомицин, гентамицин | Streptomyces griseus, Micromonospora purpurea |
| Тетрациклины | Тетрациклин | Streptomyces aureofaciens |
| Пептидные сигнальные молекулы | Автоксины, феромоны | Bacillus subtilis, Streptococcus spp. |
| Сидерофоры | Пирохелин, энтеробактин | Escherichia coli, Bacillus subtilis |
| Пигменты | Продигиозин, феназины | Serratia marcescens, Pseudomonas spp. |
По функциональному назначению выделяют:
- Антибиотики — подавляют рост или вызывают гибель других микроорганизмов.
- Сигнальные молекулы — участвуют в кворум-сенсинге (quorum sensing), регулируя кооперативное поведение бактериальных популяций.
- Сидерофоры — хелатирующие железо соединения, обеспечивающие микроорганизмы этим элементом в условиях его дефицита.
- Ферменты-ингибиторы — подавляют активность ферментов конкурентов.
- Иммуномодуляторы — влияют на иммунный ответ хозяина.
¶Биологическая роль
В природных экосистемах метабиотики выполняют ключевые функции:
- Конкурентное взаимодействие: антибиотики и бактериоцины позволяют микроорганизмам подавлять конкурентов за ресурсы.
- Межвидовая коммуникация: пептидные и непептидные сигнальные молекулы координируют поведение бактериальных сообществ.
- Защита от хищников: некоторые метабиотики (например, бензоксазиноиды у Bacillus spp.) отпугивают насекомых и нематод.
- Симбиотические взаимодействия: ряд метабиотиков участвует в формировании симбиозов между бактериями и растениями.
¶Применение
¶Медицина
Основной источник антибиотиков для клинической медицины — метабиотики актиномицетов (род Streptomyces и близкие роды). Более 70% используемых в клинической практике антибиотиков получены из актиномицетов. Ключевые примеры:
- Стрептомицин (открыт в 1943 году Зельманом Ваксманом и его сотрудниками) — первый антибиотик, эффективный против туберкулёза.
- Ванкомицин — гликопептид, используемый при тяжёлых инфекциях, вызванных стафилококками, устойчивыми к метициллину.
- Рифампицин — противотуберкулёзный препарат, получаемый из Streptomyces mediterranei.
¶Сельское хозяйство
Метабиотики применяются как биопестициды и биостимуляторы. Натамицин используется для консервирования пищевых продуктов. Ряд метабиотиков изучается как альтернатива химическим пестицидам.
¶Биотехнология
Продукты генной инженерии на основе метабиотиков — например, полусинтетические пенициллины (амоксициллин, ампициллин) — получают модификацией природных метабиотиков.
¶Исследования в России
В России изучение метабиотиков ведётся в рамках исследований антибиотикопродуцирующих микроорганизмов. Институт микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН и другие научные центры занимаются поиском новых продуцентов биологически активных веществ, в том числе из экстремальных и малоизученных экосистем (Арктика, глубоководные отложения, почвы особых природных зон). Особое внимание уделяется проблеме антибиотикорезистентности, которая стимулирует поиск новых классов метабиотиков с непривычным механизмом действия.
¶Проблемы и перспективы
К основным проблемам, связанным с метабиотиками, относятся:
- Растущая антибиотикорезистентность — устойчивость патогенов к существующим антибиотикам вынуждает искать новые соединения.
- Сложность выращивания продуцентов — значительная часть генов, отвечающих за синтез метабиотиков, «молчит» в лабораторных условиях; активация «тихих» кластеров генов является активной областью исследований.
- Новые источники продуцентов — экстремофильные и симбиотические микроорганизмы рассматриваются как перспективный источник ранее не описанных метабиотиков.
Источники:
- Бердыев М. С. Микробиология. — М.: Высшая школа.
- Ваксман С. А. Микробиология антибиотиков. — М.: Издательство иностранной литературы.
- Олайвер С., Биндер-Мэндл С. Микробиология: современная наука о микробах. — М.: БИНОМ.
- Kieser T., Bibb M. J., Buttner M. J. et al. Practical Streptomyces Genetics. — John Innes Centre, 2000.
- Demain A. L. "Microbial natural products and their biotechnology potential" // Antonie van Leeuwenhoek.