Вторичные метаболиты микроорганизмов¶

Вторичные метаболиты микроорганизмов — это низкомолекулярные органические соединения, образуемые бактериями, грибами и актиномицетами в ходе жизнедеятельности, которые не участвуют напрямую в росте, делении клетки и первичном энергетическом обмене. В отличие от первичных метаболитов (аминокислот, нуклеотидов, промежуточных продуктов гликолиза), они не являются универсальными и синтезируются, как правило, на определённых стадиях развития культуры, чаще всего в конце фазы экспоненциального роста — в идиофазе. Биосинтез таких соединений контролируется кластерами генов, часто локализованными в одном участке хромосомы или на плазмидах, и нередко связан с так называемыми «молчащими» путями, активируемыми при стрессе, конкуренции или исчерпании питательных веществ.

¶Биологическая роль

Основные функции вторичных метаболитов в природе:

• Конкурентная борьба — антибиотики и бактериоцины подавляют рост других микроорганизмов в той же экологической нише.
• Защита — пигменты и токсины отпугивают или повреждают хищников (простейших, нематод).
• Сигнализация — часть соединений служит химическими сигналами (кворум-сенсинг), координирующими поведение популяции.
• Запас и детоксикация — некоторые вещества накапливаются как резерв или связывают токсичные ионы металлов.
• Взаимодействие с растением-хозяином — у симбионтов и фитопатогенов метаболиты модулируют иммунный ответ.

¶Классификация

Единой общепринятой схемы нет; чаще соединения группируют по химическому строению и путям биосинтеза.

Ключевые ферментные комплексы биосинтеза — поликетидсинтазы (PKS), нерибосомные пептидсинтетазы (NRPS) и терпенсинтазы; их модульное строение позволяет комбинаторике создавать структурное разнообразие.

¶Значение и применение

• Медицина. Антибиотики (пенициллины, цефалоспорины, аминогликозиды), иммунодепрессанты (рапамицин), противоопухолевые препараты (доксорубицин), статины (ловастатин) — всё это вторичные метаболиты микроорганизмов.
• Пищевая промышленность. Органические кислоты, ароматические соединения, заквасочные культуры.
• Сельское хозяйство. Биопестициды, фитогормоны, средства биоконтроля.
• Биотехнология. Источник новых ферментов и «строительных блоков» для синтетической биологии; активно применяется метаболическая инженерия и гетерологичная экспрессия кластеров генов.

¶Особенности и проблемы

Синтез вторичных метаболитов обычно невыгоден энергетически и включается лишь при определённых условиях, что затрудняет их промышленное получение. Многие генные кластеры в геномах остаются неактивными в лабораторных условиях. Для их активации применяют:

• изменение состава среды и режима культивирования;
• ко-культивирование с другими штаммами;
• эпигенетические модификаторы;
• методы рекомбинантной экспрессии и CRISPR-редактирования.

С развитием геномики и метаболомики поиск новых соединений сместился от классического скрининга к предсказанию структур по последовательностям генов, что ускоряет открытие антибиотиков и других биологически активных веществ.