Обзор и анализ научно-технической информации

1 Роль спорообразующих бактерий в биотехнологии

1.1 Род Bacillus

Бактерии рода Bacillus – это аэробные, образующие эндоспоры, грамположительные палочки. Это один из наиболее разнообразных и коммерчески полезных родов микроорганизмов. Представители этого рода широко распространены в почве, воздухе, воде, где они осуществляют различные химические превращения, конкурируя с псевдомонадами и актиномицетами. Большинство бацилл – сапрофиты, однако по крайней мере один вид (B. schlegeli) проявляет хемолитотрофную активность при росте в атмосфере О₂/СО₂/Н₂ или О₂/СО₂ и два вида B. macerans и B. polymyxa способны фиксировать азот. Способность некоторых штаммов выдерживать высокие и низкие температуры и высокие и низкие значения рН сделала их важными источниками получения коммерческих препаратов ферментов.

Разнообразие метаболических процессов и низкая патогенность видов Bacillus послужили причиной того, что представителей этой группы стали использовать в различных областях промышленности. Одной из старейших областей применения бацилл является ферментация соевых бобов и получения продукта, называемого «натто», при которой используется штамм Bacillus, идентифицированный ныне как разновидность B. subtilis. Ежегодно в Японии идет в пищу более 6*10⁶ кг «натто», что, без сомнения, лучше всего доказывает пригодность данного микроорганизма для производства продуктов пищевой и фармацевтической промышленности. В настоящее время штаммы Bacillus используются для получения продуктов четырех типов: 1) ферментов, 2) антибиотиков, 3) высокоочищенных биопрепаратов, включая усилители запаха и пищевые добавки, и 4) инсектицидов.[1] Бактерии рода Bacillus применяют в качестве промышленных продуцентов различных секретируемых ферментов – амилаз, протеаз, пуллаланаз, хитиназ, липаз, ксиланаз и др [2]. Промышленная ценность представителей этого рода объясняется сейчас в основном спросом на ферменты. Бациллы служат, в частности, основным источником получения гидролитических ферментов для производства пищевых продуктов и детергентов. Субтилизин – щелочная протеаза, выделяемая из клеток B. subtilis и близкородственных видов, - составляет около 25% общего количества ферментов, поступающих на мировой рынок.[1]

В нашей стране разработано производство живой сибиреязвенной вакцины на основе авирулентного вакцинного штамма B. anthracis. Сибирская язва – особо опасное зооантропонозное инфекционное заболевание, вызываемое грамположительным спорообразующим микроорганизмом Bacillus anthracis. Тенденции к возникновению эпидемических проявлений поддерживаются существованием множественных почвенных очагов и периодическими эпизоотиями [3]. Ежегодно в мире регистрируются случаи распространения инфекции среди восприимчивых животных и людей. Кроме того, высокая патогенность сибиреязвенного микроба ставит его в разряд крайне опасных биологических агентов с потенциальной угрозой применения в террористических целях [4]. Один из эффективных способов профилактики сибирской язвы – вакцинация сельскохозяйственных животных и людей, входящих в группы риска заражения. Среди сибиреязвенных антигенов наибольшим иммуногенным потенциалом обладает протективный антиген. Во второй половине прошлого столетия на его основе в США и Англии были созданы химические вакцины [5]. В нашей стране для профилактики сибирской язвы разработана живая сухая вакцина «СТИ». Для приготовления вакцины используют стойкий бескапсульный вариант (мутант) сибиреязвенных бацилл, лишенный способности вызывать заболевание у  людей и  сельскохозяйственных животных. Готовый препарат представляет собой высушенную взвесь живых спор вакцинного штамма[6]. На основе протективного антигена разработана также химическая вакцина [7]. Также разработана комбинированная вакцина, которая содержит живые споры бескапсульного штамма Bac. anthracis СТИ и протективный антиген Bac. Anthracis [8].

К настоящему времени описано свыше 90 видов бактерий, инфицирующих насекомых. Большая их часть принадлежит к семействам Pseudomonadaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Micrococcaceae, Bacillaceae. Большинство промышленных штаммов принадлежит к роду Bacillus, и основная масса препаратов (свыше 90 %) изготовлена на основе Bacillus thuringiensis, имеющих свыше 22 серотипов [9]. Bacillus thuringiensis – известный вид бацилл, который является одним из естественных регуляторов численности многих видов насекомых и широко используется в производстве биопрепаратов для борьбы с вредителями лесов и сельскохозяйственных культур [10].

Впервые данная бактерия была выделена в 1915 г. Берлинером из больных гусениц мельничной огневки. Штаммы Bacillus thuringiensis, помимо образования спор, которые при попадании внутрь насекомого вызывают септицемию, синтезируют также ряд экзо- и эндотоксинов.

Препараты на основе Bacillus thuringiensis относятся к токсинам кишечного действия. Типичными последствиями их воздействия являются паралич кишечника, прекращение питания, развитие общего паралича и гибель насекомого. Бактерии группы Bacillus thuringiensis эффективны в отношении 400 видов насекомых, включая вредителей полей, леса, садов и виноградников; наибольший эффект от применения данных препаратов получают при борьбе с листогрызущими вредителями [11]. Благодаря высокой спцифичности к вредителям и безопасности для других групп животных, инсектициды на основе бактерий являются весьма ценной альтернативой химическим пестицидам [12].

Подавляющее большинство антибиотиков бактериального происхождения выделено из группы спорообразующих бактерий. Первый антибиотический препарат — грамицидин — выделен из культуры спороносной бактерии. Из различных видов бацилл получены антибиотики альвеин, бациллин, бацитрацин, лихениформин, субтилин, циркулин и др. Особый интерес вызвало открытие полимиксинов — антибиотиков бациллярного происхождения, которые оказались высокоактивными против грамотрицательных бактерий. В ряде стран организовано промышленное производство отдельных препаратов антибиотиков: полимиксина В, колистина, бацитрацина[11].

В связи с широким распространением форм патогенных микроорганизмов, устойчивых к используемым в медицинской практике антибиотикам, актуальным является поиск новых соединений, преодолевающих устойчивость микроорганизмов к лекарственным веществам. Известно, что основными продуцентами антибиотиков являются почвенные микроорганизмы, к которым, наряду с актиномицетами и грибами, относятся эубактерии, в том числе представители рода Bacillus [13, 14]. Среди антибиотиков, образуемых бациллами, в настоящее в медицинской практике используются такие антибиотики, как первый отечественный антибиотик грамицидин S, образуемый B. brevis [15], и полимиксины М и В, образуемые B. polymyxa [16].

1.2 Род Clostridium

Маслянокислое брожение представляет собой процесс анаэробного разложения углеводов, пептонов, белков, жиров с образованием различных кислот, в том числе и масляной. Маслянокислые бактерии, осуществляющие данный процесс, играют главную роль в порче различных пищевых продуктов (сыра, сливочного масла, вина, уксуса). Основная роль масляной кислоты – это ее использование в промышленности с целью получения ацетона и бутанола при ацетонобутиловом брожении. Маслянокислое брожение используют также для получения масляной кислоты из крахмала. Масляную кислоту применяют в парфюмерии, она используется при мочке льна [17].

Клостридии - облигатные анаэробы. Однако спектр их чувствительности к молекулярному кислороду достаточно широк, что связано с обнаружением в клетках большинства клостридиев супероксиддисмутазы и с другими приспособлениями на уровне клеточных популяций, помогающими нейтрализовать токсические эффекты О₂ и его производных. Именно при работе с клостридиями Л. Пастер в 1861г. открыл форму жизни без кислорода [18].

Спорообразующие бактерии имеют важное народно-хозяйственное и промышленное значение, поэтому представляется необходимым заниматься изучением жизненного цикла, спорообразования бактерий родов Bacillus и Clostridium. Одним из важных этапов исследования является обнаружение и изучение структуры и свойств эндоспор, при этом используются различные методы выявления эндоспор.