Streptomyces natalensis¶

Streptomyces natalensis — это грамположительная аэробная бактерия из рода Streptomyces, известная прежде всего как продуцент полиенового антибиотика натамицина (пимарицина), широко применяемого в пищевой промышленности в качестве консерванта (E235) и в медицине как противогрибковое средство. Вид был впервые выделен из почвы в Южной Африке (регион Наталь, отсюда видовое название) и описан в 1955 году группой исследователей под руководством А. П. Стрикса.

¶Таксономия и систематика

Вид Streptomyces natalensis относится к домену Bacteria, типу Actinomycetota, классу Actinomycetes, порядку Streptomycetales, семейству Streptomycetaceae. Это один из более чем 700 видов рода Streptomyces, который является крупнейшим родом актиномицетов. Филогенетически S. natalensis близок к Streptomyces chattanoogensis и Streptomyces lydicus, с которыми разделяет высокую степень гомологии генов, ответственных за синтез полиеновых макролидов. Типовой штамм — ATCC 27448 (также известен как DSM 40376, JCM 4470, NRRL B-5314).

¶Морфология и физиология

Streptomyces natalensis — это нитчатая бактерия, образующая хорошо развитый субстратный и воздушный мицелий. Гифы не септированы на ранних стадиях роста, но с возрастом могут фрагментироваться. Воздушный мицелий несёт цепочки спор (артроспор), которые имеют гладкую поверхность, эллиптическую или сферическую форму, размером 0,6–0,8 × 1,0–1,5 мкм. Споры окрашиваются по Граму положительно, но в старых культурах могут проявлять грамвариабельность.

Колонии на плотных питательных средах (например, на ISP-2, ISP-3, овсяном агаре) имеют характерный вид: субстратный мицелий окрашен в жёлто-коричневые или оранжево-коричневые тона, воздушный мицелий — серовато-белый или розовато-серый. На среде с глюкозо-дрожжевым экстрактом (GYM) образует обильный воздушный мицелий. Пигмент, выделяемый в среду, отсутствует или слабо-жёлтый. Оптимальная температура роста — 28–30 °C, pH — 6,5–7,5. Является хемоорганотрофом, способен утилизировать широкий спектр углеводов (глюкозу, фруктозу, сахарозу, ксилозу, маннит) и аминокислот. Каталазоположителен, оксидазоотрицателен.

¶Генетика и геном

Геном Streptomyces natalensis был полностью секвенирован в 2010-х годах. Размер генома типового штамма составляет около 8,2–8,5 млн пар оснований, с высоким содержанием GC-пар (около 72 %). Геном содержит более 7000 генов, из которых значительная часть кодирует ферменты вторичного метаболизма. Ключевой особенностью является наличие кластера генов биосинтеза натамицина (pim-кластер), который включает 17 генов, отвечающих за сборку полиенового макролидного лактона, его пост-трансляционную модификацию и транспорт. Помимо натамицина, геном содержит кластеры для синтеза других вторичных метаболитов, включая сидерофоры (например, десферриоксамин), пигменты и потенциальные антибиотики, многие из которых остаются неохарактеризованными. Исследования показывают, что S. natalensis обладает сложной системой регуляции вторичного метаболизма, включающей глобальные регуляторы (например, AdpA, BldD) и сигнальные молекулы (бутиролактоны).

¶Биосинтез натамицина

Натамицин (пимарицин) — основной коммерчески значимый продукт S. natalensis. Это полиеновый макролидный антибиотик, содержащий 26-членный лактоновый цикл с четырьмя сопряжёнными двойными связями (тетраен) и аминосахаром (микозамин). Биосинтез осуществляется по механизму поликетидного синтеза (PKS-I). Кластер pim включает:

• pimS0–pimS4 — гены, кодирующие модульные поликетидсинтазы, которые последовательно собирают макролидный лактон из ацетил-КоА и метилмалонил-КоА.
• pimD — ген, кодирующий цитохром P450-монооксигеназу, которая вносит гидроксильную группу в положение C4-C5, что критично для противогрибковой активности.
• pimJ, pimK — гены, отвечающие за присоединение микозамина.
• pimA, pimB, pimC — гены, участвующие в синтезе и транспорте сахара.
• pimM, pimR — регуляторные гены, контролирующие экспрессию всего кластера.

Продукция натамицина в промышленных условиях достигается глубинным культивированием S. natalensis на сложных средах, содержащих соевую муку, кукурузный экстракт, глюкозу и минеральные соли. Выход антибиотика может достигать 5–10 г/л после оптимизации процесса и использования высокопродуктивных штаммов, полученных путём мутагенеза (например, УФ-облучение или химический мутагенез) и генетической инженерии (усиление экспрессии регуляторных генов pimR и pimM).

¶Применение натамицина

¶Пищевая промышленность

Натамицин (E235) разрешён в России и многих других странах как консервант для предотвращения роста плесневых грибов и дрожжей на поверхности твёрдых сыров, колбасных изделий, мясных деликатесов, хлебобулочных изделий. Он наносится в виде раствора (0,05–0,5 %) или суспензии, либо добавляется в упаковочные материалы. Натамицин не подавляет бактерии, поэтому не влияет на процессы молочнокислого брожения в сырах. Максимальная допустимая концентрация в РФ — 0,3 мг/дм² поверхности продукта.

¶Медицина

В медицинской практике натамицин применяется местно для лечения грибковых инфекций кожи, слизистых оболочек и ногтей. Основные показания: кандидоз (включая кандидозный стоматит), аспергиллёз, дерматофитии. Выпускается в форме мази, крема, суспензии, вагинальных свечей. В офтальмологии используется как 5 % суспензия для лечения грибковых кератитов (в том числе вызванных Aspergillus и Fusarium). Натамицин действует путём связывания с эргостеролом клеточной мембраны грибов, нарушая её проницаемость и вызывая гибель клетки. Препарат не всасывается в системный кровоток при местном применении, что минимизирует побочные эффекты.

¶Промышленное культивирование

Производство натамицина основано на глубинном культивировании S. natalensis в асептических ферментёрах объёмом от 10 до 100 м³. Процесс включает несколько стадий:

1. Подготовка посевного материала: споры или мицелий из пробирки пересевают в колбы с жидкой средой (например, среда с глюкозой, соевым шротом и CaCO₃), инкубируют 48–72 ч при 28 °C и 200 об/мин.
2. Ферментация: посевной материал переносят в ферментёр с продукционной средой (обычно кукурузный экстракт, глюкоза, (NH₄)₂SO₄, K₂HPO₄, MgSO₄, микроэлементы). Процесс длится 120–168 ч при 28–30 °C, pH поддерживается в диапазоне 6,5–7,5, аэрация — 0,5–1,0 VVM, перемешивание — 200–400 об/мин. Выход натамицина контролируют спектрофотометрически (максимум поглощения 303 нм).
3. Выделение и очистка: культуральную жидкость фильтруют, натамицин экстрагируют органическими растворителями (бутанол, метанол) или адсорбируют на ионообменных смолах. Очистку проводят перекристаллизацией из водно-метанольных растворов. Конечный продукт — кристаллический порошок от белого до кремового цвета, практически нерастворимый в воде (0,1 мг/мл), но растворимый в диметилсульфоксиде (ДМСО) и метаноле.

¶Биотехнологические улучшения

Для повышения продуктивности S. natalensis применяют методы генетической инженерии:

• Усиление регуляторных генов: введение дополнительных копий pimR или pimM под сильными конститутивными промоторами (например, ermE*p) увеличивает выход натамицина в 2–4 раза.
• Инактивация генов-конкурентов: подавление синтеза побочных метаболитов (например, сидерофоров) позволяет направить углеродный поток на биосинтез натамицина.
• Гетерологичная экспрессия: кластер pim перенесён в модельные организмы, такие как Streptomyces coelicolor и Streptomyces lividans, что позволило изучать регуляцию и проводить направленный мутагенез без влияния фонового метаболизма S. natalensis.
• Оптимизация среды: добавление предшественников (например, валина, изолейцина) и использование медленно метаболизируемых углеводов (например, лактозы) повышает стабильность продукции.

¶Экология и распространение

Streptomyces natalensis встречается в почвах, особенно в тропических и субтропических регионах. В природе он участвует в разложении органического вещества, продуцируя гидролитические ферменты (целлюлазы, хитиназы, протеазы). Натамицин, выделяемый в почву, подавляет рост грибов-конкурентов, что даёт S. natalensis экологическое преимущество. Вид также выделен из ризосферы некоторых растений, где может проявлять антагонистическую активность против фитопатогенных грибов, что делает его потенциальным агентом биологического контроля.

¶Интересные факты

• Натамицин был открыт в 1955 году в лаборатории компании Royal Netherlands Fermentation Industry (ныне DSM) при скрининге почвенных актиномицетов на противогрибковую активность. Первоначально он назывался «пимарицин» (от Pimaria — устаревшее название рода Streptomyces).
• S. natalensis способен продуцировать не только натамицин, но и другие полиеновые антибиотики, такие как 4-гидроксинатамицин и натамицин-аналоги, которые изучаются на предмет меньшей токсичности.
• В 2019 году российские учёные из Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН разработали метод получения высокопродуктивного штамма S. natalensis с использованием CRISPR/Cas9 для редактирования генома, что позволило увеличить выход натамицина на 40 %.
• Натамицин включён в список разрешённых пищевых добавок Таможенного союза ЕАЭС (ТР ТС 029/2012), а также одобрен ВОЗ и ФАО как безопасный консервант с допустимым суточным потреблением (ADI) 0,3 мг/кг массы тела.

¶Источники

1. Struyk A. P., et al. Pimaricin, a new antifungal antibiotic. // Antibiotics Annual. — 1955–1956. — P. 878–885.
2. Aparicio J. F., et al. The biosynthetic gene cluster for the polyene macrolide pimaricin in Streptomyces natalensis. // Chemistry & Biology. — 1999. — Vol. 6, No. 9. — P. 643–652.
3. Mendes M. V., et al. The pimaricin biosynthetic gene cluster: a model for the study of polyene macrolide antibiotics. // Applied Microbiology and Biotechnology. — 2007. — Vol. 75, No. 3. — P. 467–476.
4. Caffrey P., et al. Polyene macrolide antibiotics: biosynthesis and genetic engineering. // Biotechnology Advances. — 2016. — Vol. 34, No. 5. — P. 1030–1045.
5. Технический регламент Таможенного союза «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств» (ТР ТС 029/2012).
6. Государственная фармакопея Российской Федерации, XIV издание, том 3. — М., 2018. — Статья «Натамицин».