Streptomyces – maaperän aktinobakteerit, hyfat ja antibioottien lähde
Streptomyces — maaperän aktinobakteerit, hyfat ja antibioottien lähde. Tutustu niiden elinkaareen, hyfien rooliin ja bioaktiivisten yhdisteiden tuotantoon.
Streptomyces on aktinobakteerien, grampositiivisten bakteerien, suurin suku. Streptomyces esiintyy usein maaperässä, ja se muistuttaa muodoltaan hyvin paljon sieniä. Ne muodostavat pitkiä ohuita säikeitä, joita kutsutaan hyfeiksi ja jotka voivat erilaistua itiöiden ketjuksi lisääntymistä varten. Lähes kaikki Streptomycesin tuottamat bioaktiiviset yhdisteet valmistetaan, kun hyfat ovat muodostumassa substraattisykleestä.
Rakenne ja elinkaari
Streptomyces-lajit muodostavat runsaasti haarautuvaa myseeliä (substraatti- ja ilmamyseeli), mikä tekee niistä morfologialtaan läheisiä sienille. Substraattimyseeli kasvaa kasvualustan sisällä ja kattaa ravinteita pilkkomalla orgaanista ainesta. Ilmamyyseeli nousee kasvualustasta ja erilaistuu itiöketjuiksi, jotka levittävät lajin eteenpäin. Itiöt ovat usein kestäviä ja helpottavat leviämistä ilmassa.
Genomisesti Streptomyces-lajit ovat erikoisia: niillä on usein suuria, lineaarisia kromosomeja (tyypillisesti noin 6–12 Mb) ja korkea GC-pitoisuus (usein ~70 %). Kromosomien päissä on usein terminaalisia proteiineja ja käänteisiä toistojaksoja, mikä poikkeaa monista muista bakteereista.
Metabolia ja sekundaarimetaboliitit
Streptomyces tuottaa laajan kirjon entsyymejä ja sekundaarimetaboliitteja. Ne hajottavat maaperän monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, kuten selluloosaa ja chitiiniä, ja osallistuvat siten ravinteiden kiertoon. Erityisen tunnettuja ne ovat antibioottien ja muiden bioaktiivisten yhdisteiden tuottajina.
Esimerkkejä tärkeistä yhdisteistä ja niiden lähteistä:
- Streptomysiini – Streptomyces griseus (klassinen antibiootti, vaikutus tuberkuloosin hoidossa historiallisesti tärkeä)
- Kloraamfenikoli – Streptomyces venezuelae
- Neomysiini – Streptomyces fradiae
- Oksytetrasykliini – Streptomyces rimosus
- Rapamysiini (sirolimuusi) – Streptomyces hygroscopicus (immunosuppressantti ja tutkimuskemikaali)
- Bleomysiini – Streptomyces verticillus (syöpälääke)
Monet näistä yhdisteistä syntetisoidaan suurten biosynteesigeeniklusterien avulla, erityisesti polyketidi-syntaasien (PKS) ja ei-ribosomaalisten peptidisyntaasien (NRPS) kautta. Näiden geeniklusterien ja reguloinnin tutkimus on keskeistä uusien lääkeaineiden löytämisessä ja biosynteesireittien muokkaamisessa.
Ekologinen ja taloudellinen merkitys
Streptomyces on avainpelaaja maaperän ekosysteemeissä: ne hajottavat orgaanista ainesta, vapauttavat ravinteita ja kilpailevat muista mikro-organismeista tuottamalla antibakteerisia ja antifungaalisia yhdisteitä. Monet lajit myös edistävät kasvien kasvua ja toimivat biologisina torjunta-aineina kasvitautien ehkäisyssä.
Teollisesti Streptomyces-lajeja käytetään laajasti antibioottien, antifungaalisten aineiden, antitumoriyhdisteiden ja entsyymien tuotantoon. Modernit genomitutkimusmenetelmät, kuten koko genomin sekvensointi ja geeniklusterien aktivointi, ovat avanneet uusia mahdollisuuksia luonnollisten yhdisteiden löytämiseen (ns. genome mining) ja tuotantoreittien tehostamiseen.
Laboratoriokäytännöt ja turvallisuus
Streptomyces-koloniat kasvavat laboratorioalustoilla usein hitaammin kuin monet muut bakteerit ja näyttävät pörröisiltä tai jauhoisilta johtuen itiöiden muodostuksesta. Niiden kasvatus vaatii yleensä ravinteikasta kasvualustaa ja joskus erityisiä entsyymejä tai kasvuolosuhteiden optimointia suuren tuoton saavuttamiseksi.
Suurin osa Streptomyces-lajeista on ihmiselle vaarattomia ja tärkeitä lääkeaineiden lähteitä. Poikkeustapauksissa jotkut lajit voivat kuitenkin aiheuttaa ihmisen tulehduksia (esim. Streptomyces somaliensis voi aiheuttaa mysetoomaa), joten laboratoriokäsittelyssä noudatetaan tavallisia mikrobiologian turvallisuusohjeita.
Tutkimus ja tulevaisuus
Nykyinen tutkimus keskittyy uusien bioaktiivisten yhdisteiden löytämiseen, biosynteesireittien muokkaamiseen ja tuotannon tehostamiseen. Työkaluja ovat mm. geneettinen muokkaus (CRISPR/Cas-menetelmät), heterologinen ilmentäminen ja metabolinen insinööritys. Koska antibioottiresistenssi on globaali haaste, Streptomyces-suvun monimuotoisuus ja biosynteettinen potentiaali tekevät siitä edelleen erittäin tärkeän tutkimus- ja lääkeainelähteen.
Käyttö lääketieteessä ja tieteessä
Streptomyces on lääketieteellisesti tärkeä, sillä se tuottaa sienilääkkeitä, parasiittilääkkeitä, viruslääkkeitä, kasvainlääkkeitä, verenpainelääkkeitä, immunosuppressantteja ja antibiootteja. Eri streptomyces-lajeja käytetään erilaisten antibioottien tuottamiseen. Streptomyces-bakteerilajeja on kuvattu yli 500. Esimerkiksi laajalti tutkittua S. griseus -lajia käytettiin ensimmäisenä antibiootin streptomysiinin valmistukseen, kun taas S. avermitilis -lajia käytettiin avermiktiinin lähteenä. Toista hyvin tutkittua lajia, S coelicolor, käytetään laajalti geneettisissä tutkimuksissa. Kaiken kaikkiaan Streptomyces-lajit tuottavat yli kaksi kolmasosaa kliinisesti käyttökelpoisista luonnollista alkuperää olevista antibiooteista, kuten tetrasykliiniä, neomysiiniä ja kloramfenikolia.
Streptomyces-lajin diapositiiviljelmä
Antibioottimekanismi
Antibiootit kohdistuvat taudinaiheuttajien kasvun ja selviytymisen kannalta olennaisiin proteiineihin ja estävät niiden keskeisiä toimintoja. Esimerkiksi streptomysiini, jota valmistetaan S. griseus -bakteerista, sitoutuu peruuttamattomasti bakteerien perintöainekseen ja aiheuttaa virheitä uusien proteiinien tuotannossa, mikä johtaa solukuolemaan. Sitä voidaan käyttää vakavien infektioiden, kuten tuberkuloosin ja ruton, hoitoon. Toinen esimerkki on avermektiini, jota valmistetaan S. avermitilistä. Se aiheuttaa selkärangattomien halvaantumista (kyvyttömyyttä tuottaa ja välittää hermoimpulsseja), ja sitä käytetään lääkkeenä ja torjunta-aineena loismatoja ja hyönteisiä vastaan. Avermektiini tehostaa glutamaattia (hermovälittäjäaine) glutamaattiportillisissa kloridikanavissa, joita nisäkkäillä ei ole. Se aiheuttaa kloridi-ionien ylimäärän solun sisällä (hyperpolarisaatio), joten toimintapotentiaalia ei voida enää indusoida, mikä johtaa lopulta halvaukseen.
Antibioottiresistenssi
Bakteerien geneettiset muutokset voivat johtaa antibioottiresistenssiin. Ne voivat olla peräisin spontaaneista mutaatioista (vertikaalinen geeninsiirto) tai toisten bakteerien välittämistä geeneistä (horisontaalinen geeninsiirto). Itsehoito tai lääkkeiden virheellinen käyttö voi johtaa resistenttien bakteerien syntymiseen. Uusien antibioottien saaminen on vaikeaa, minkä vuoksi tutkijat pyrkivät parantamaan olemassa olevia antibiootteja ja löytämään uusia lääkkeitä.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on Streptomyces?
V: Streptomyces on aktinobakteerien, grampositiivisten bakteerien, suurin suku.
K: Missä Streptomyces esiintyy tyypillisesti?
V: Streptomyces esiintyy usein maaperässä.
K: Miten Streptomyces muistuttaa sieniä?
V: Se muodostaa pitkiä ohuita säikeitä, joita kutsutaan hyfoiksi ja jotka voivat erilaistua itiöiden ketjuksi lisääntymistä varten, samaan tapaan kuin sienet lisääntyvät.
K: Mistä Streptomycesin tuottamat bioaktiiviset yhdisteet koostuvat?
V: Streptomycesin tuottamat bioaktiiviset yhdisteet syntyvät, kun hyfat ovat muodostumassa substraattimyselistä.
K: Minkä tyyppinen bakteeri on Streptomyces?
V: Streptomyces on grampositiivinen bakteeri.
K: Miten Streptomyces lisääntyy? V: Se lisääntyy muodostamalla itiöketjun hyfeistään.
K: Onko olemassa muita organismeja, joiden kanssa sillä on yhtäläisyyksiä muodon ja lisääntymisen suhteen? V: Kyllä, sillä on samankaltaisuuksia sienien kanssa muodon ja lisääntymisen suhteen.
Etsiä