ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 51, № 2, с. 236-242
УДК 582.281.123.2.017.735:547.92
БИОСИНТЕЗ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГРИБАМИ РОДА Pénicillium (ОБЗОР)
© 2015 г. А. Г. Козловский, Т. В. Антипова, В. П. Желифонова
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Московской обл., 142290
e-mail: Kozlovski@ibpm.pushchino.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.
Обобщены новые данные о биосинтезе экзометаболитов у грибов рода Pénicillium. Исследование креативных видов и видов, выделенных из экстремальных экотопов, позволило описать ряд новых биологически активных соединений. Показано, что биосинтез алкалоидов начинается с первых суток культивирования грибов и протекает параллельно их росту. Метаболиты поликетидной природы синтезируются по идиофазной кинетике. Обсуждаются механизмы регуляции биосинтеза перспективных биоактивных соединений.
Ключевые слова: вторичные метаболиты, экзометаболиты, алкалоиды, грибы, Pénicillium, биосинтез. DOI: 10.7868/S0555109915020117
Микроскопические грибы рода РвтеШшт продолжают оставаться перспективными источниками биологически активных веществ. В настоящее время активный поиск продуцентов новых биологически активных соединений ведется среди штаммов грибов, выделенных из малоизученных или практически неисследованных мест обитаний. К ним относятся, в том числе, и такие экологические ниши, в которых микроорганизмы подвергаются стрессовым воздействиям.
Грибы рода РвтеШшт считаются трудными объектами для видовой идентификации традиционными микробиологическими методами. Более точно идентифицировать штаммы этих грибов позволяет определение состава их экзометаболи-тов наряду с микро- и макроморфологическими признаками [1].
В последние годы в ИБФМ РАН проводился скрининг штаммов грибов рода РвтеШшт, полученных из Всероссийской коллекции микроорганизмов (ВКМ) ИБФМ РАН и Института медико-биологических проблем РАН, которые продуцируют вторичные метаболиты — потенциально биологически активных соединения [2—14]. Были найдены новые продуценты как уже известных, так и новых вторичных метаболитов и изучены особенности их биосинтеза. На основании систематизации таксономического разнообразия грибов рода РвтеШшт была создана специализированная база данных, в которой содержится информация о 175 штаммах 32 видов, поддерживаемых в ВКМ и обладающих способностью к биосинтезу более ста различных органических соединений
[15]. Среди веществ, синтезируемых этими штаммами, особый интерес представляет большая группа соединений, биогенетически связанных с шикиматным путем биосинтеза аминокислот и, особенно, с ветвью синтеза антранилата и триптофана, к которым относятся эргоалкалоиды, ди-кетопиперазины и хинолиновые алкалоиды. Для этих соединений показана разнообразная биологическая активность.
Биосинтез вторичных метаболитов грибами рода РвтеШшт имеет свои физиолого-биохими-ческие особенности, связанные с процессами роста и развития культур и условиями культивирования. Результаты исследования физиолого-био-химических особенностей грибов рода РвтеШшт, продуцирующих новые биологически активные соединения, могут быть использованы для уточнения таксономического положения грибов.
ПОИСК ПРОДУЦЕНТОВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
При выборе объектов исследования для поиска новых продуцентов биологически активных соединений были использованы различные подходы. Во-первых, рассматривались штаммы грибов рода РвтеШшт, относящиеся по таксономическому положению к видам, у которых ранее был обнаружен синтез новых вторичных метаболитов или штаммы креативных видов. Во-вторых, штаммы, выделенные из таких экстремальных экологических ниш, как орбитальная космическая станции (ОКС) "Мир" и низкотемпературные экотопы.
О
О
Феллутанин А
Феллутанин Б
Феллутанин С Феллутанин Д
Рис. 1. Структура дикетопиперазиновых алкалоидов Р./вИШапит.
Новые вторичные метаболиты, обнаруженные у перспективных видов грибов. Для вида Р./вИШапит (=Р. з^оуав) ранее был известен биосинтез эргоал-калоидов с необычной стереохимией у 5 и 10 атомов углерода эрголинового ядра — агроклавин-1 и эпоксиагроклавин-1, а также эргоалкалоиды с ди-мерной структурой с М-М сочленением индоль-ных колец — димер эпоксиагроклавина-1 и димер агроклавина-1 [16]. При исследовании других штаммов вида Р./вИШапит из ВКМ было обнаружено, что штамм Р. /вИШапит F-3020 синтезировал неизвестные ранее дикетопиперазиновые индолсо-держащие алкалоиды, биогенетически связанные между собой [17]. На основании различных физико-химических методов была установлена структура этих метаболитов (рис. 1). По продуценту эти метаболиты были названы как феллутанин А, феллутанин Б, изофеллутанин Б, феллутанин С, изофеллутанин С, феллутанин Д и феллутанин Е. Изучение их биологической активности показало, что феллутанин Д проявляет цитотоксиче-ские свойства. Его 1С50 (мкг/мл) для клеток фибропластов мышей линии L-929 составляет 11.6, для клеток лейкемии человека линии К-562 — 9.5 и HeLa - 19.7 [18].
Для вида Р. р18еапит известен биосинтез различных индолсодержащих алкалоидов, относящихся к треморгенной группе микотоксинов. При изучении штаммов Р. р18еагшт, было обнаружено, что они синтезировали дикетопиперазиновые алкалоиды, ранее не встречающиеся у данного вида — феллутанин А, изоругулозувин, веррукозин, пролилтрипто-фанилдикетопиперазин, пуберуллин А [6]. Кроме этого, из культуральной жидкости Р. р18еапит ВКМ F-691 были выделены два новых метаболита и уста-
новлены их структуры [19]. Эти метаболиты относились к семейству дикетопиперазиновых алкалоидов и имели необычную структуру дигид-ропиранил-замещенного индольного ядра. По продуценту они были названы как пискаринин А и пискаринин Б (рис. 2). Пискаринины А и Б проявляют средний уровень антимикробной активности и цитотоксичности. Метаболиты были активны по отношению к клеточной линии рака простаты LNCAP с 1С50 2.195 мкг/мл для писка-ринина А и 1.914 мкг/мл для пискаринина Б.
Вторичные метаболиты, синтезируемые штаммами, выделенными из экстремальных экологических ниш. Среда обитания микроорганизмов на ОКС "Мир" подвергалась воздействию различ-
О
Пискаринин А
О N"4
О
Пискаринин Б
Рис. 2. Структура дикетопиперазиновых алкалоидов Р. piscarium.
Хиноцитринин А
Хиноцитринин Б
Рис. 3. Структура хинолиновых алкалоидов Р. еЫппыт.
ных факторов космического полета и непрерывной их сукцессии при смене экипажей. Исследования, проведенные на ОКС, показали, что ее микрофлора включала более 100 видов микроскопических грибов [20]. Некоторые штаммы, отнесенные к видам Р. вхратыт и Р. еhrysogвnum, проявляли способность к резидентному заселению среды космического объекта и являлись отдаленными потомками культур, занесенных на станцию более 8 лет назад. При изучении спектра вторичных метаболитов, синтезируемых штаммами Р. вхратшт и Р. еhrysogвnum, было установлено, что культуры продуцировали метаболиты алкалоидной природы — рокефортин, 3,12-дигидроро-кефортин, мелеагрин, виридикатин, изоругулозу-вин, ругулозувин Б [7]. Было обнаружено, что штаммы Р. еhrysogвnum 1-5, 1-6 и Р. вхратшт 2-7 синтезировали два метаболита. С помощью физико-химических методов эти метаболиты были идентифицированы как ксантоциллин Х и кве-стиомицин А, которые являются высокоэффективными антибиотиками, действующими на грам-положительные и грамотрицательные бактерии, дрожжи и грибы [10]. Возможно, способность к продукции этих метаболитов и привела к доминированию указанных видов грибов в конце эксплуатации станции.
Было показано, что в различных пробах грунта вечной мерзлоты преобладают мицелиальные грибы с одноклеточными конидиями небольшого размера, в том числе РвтеШшт 8рр. [21]. Известно, что низкая температура окружающей среды стимулирует защитные механизмы у клеток грибов путем повышения внутриклеточной концентрации трегалозы, полиолов и полиненасыщенных жирных кислот, а также синтеза ферментов, активных при низких температурах [22]. Все это
способствует выживанию грибов в экстремальных условиях при низких температурах, обезвоживании и гипоксии. У пенициллов, выделенных из мерзлых отложений, можно было ожидать синтез неизвестных вторичных метаболитов, потенциальных биологически активных соединений, которые помогают продуценту выживать и адаптироваться к неблагоприятным условиям.
Для грибов рода РвтеШшт из пермафроста характерно высокое видовое разнообразие и высокая частота встречаемости. В различных экотопах идентифицированы виды пенициллов, которые широко распространены и в различных современных местах обитаниях — Р. aurantiogrisвum, Р. ЬгвУ1-еотраеШт, Р. еhrysogвnum, Р. еrustosum, Р. granulatum, Р. grisвofUlfum, Р. ршЬвтЫт, Р. vвrruеosum, Р. viridiеa-шт, Р. еШтт, Р. твШи, Р. miеzynskii, Р. simpliеissi-тшт, Р. dвеumЬвns, Р. glaЬrum, Р. ^Мшт, Р. ттюЫ-tвum, Р. purpurogвnum, Р. rugulosum и Р. variaЬilв [21]. Для этих видов характерна высокая адаптационная способность к условиям окружающей среды. Они колонизируют различные органические материалы, многие из них являются галотолерант-ными и психрофильными [1].
Был изучен биосинтез вторичных метаболитов у 83 штаммов пенициллов [23]. Штаммы были выделены из образцов грунта, воды, криопэгов и пепла вулканов различного геологического возраста в регионах вечной мерзлоты: в Антарктиде, в Северной Америке (Канада), в Северо-Восточной Азии и на Камчатке (Россия) [21]. Установлено, что 59% изученных штаммов из пермафроста синтезируют вторичные метаболиты. Было идентифицировано 25 известных вторичных метаболитов, относящихся к различным структурным группам [23]. Клавиновые эргоалкалоиды были представлены а-циклопиазоновой кислотой, фу-мигаклавинами А и Б, фестуклавином, ругулова-зинами А и Б, агроклавином-1 и эпоксиагрокла-вином-1. Среди дикетопиперазиновых алкалоидов обнаружена группа рокефортина, в которую входили триптофанилдегидрогистидилдикетопи-перазин, 3,12-дигидророкефортин, рокефортин, гландиколины А и Б, мелеагрин. Были идентифицированы циклопептин и циклопенин, относящиеся к бензодиазепиновым алкалоидам. Хино-линовые алкалоиды были представлены вириди
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.