Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 23 )

Внеклеточную целлюлозу - полисахарид, распространенный в растениях, из бактерий синтезируют некоторые представители Pseudomonas, Zooglea, Azotobacter, подавляющее число видов Rhizobium и Agrobacterium, Acetobacter xylinum. β-(1→3)-Глюкан, называемый курдланом, образуют Alcaligenes faecalis var. myxogenes и виды Rhizobium. Сильно разветвленный α-(1→4)-глюкан с боковыми цепочками, присоединенными α-(1→6)-связями, - полимер типа гликогена, резервного полисахарида животных, многих бактерий и дрожжей - можно обнаружить в культуральной жидкости Neisseria perflava. Нигеран - α-глюкан с чередующимися (1→4)- и (1→3)-связями - образует гриб Aspergillus niger.

Разветвленные полимеры фруктозы - леваны с (2→6)-связями - синтезируют уксуснокислые бактерии Gluconobacter охуdans, Acetobacter aceti, некоторые виды Pseudomonas, Erwinia (подгруппы «herbicola»), Aeromonas, Bacillus. Фруктаны типа инулина (резервный полисахарид растений семейства сложноцветных) с (2→1)-связями в основной цепи и ответвлениями в положении С6 образуют штаммы Str. mutans.

Маннаны обнаружены в культурах некоторых видов Bacillus и Corynebacterium, а также у многих дрожжей.

Чаще всего микроорганизмы, способные к образованию внеклеточных полисахаридов, синтезируют капсулы и свободную слизь. Мономерный состав слизи и капсул в большинстве случаев одинаковый.

Но не всегда можно определить, какие именно полисахариды свойственны той или иной группе микроорганизмов. В ряде случаев филогенетически близкие бактерии синтезируют внеклеточные гликаны, сходные по составу и строению. К ним относятся, например, бактериальный альгинат Pseudomonas aeruginosa и Azotobacier vinelandii, курдлан Rhizobium и A. faecalis var. myxogenes, кислые гетерогликаны Corynebacterium и Arthrobacter, декстраны Streptococcus и Lactobacillus и др. Однако нередко микроорганизмы, далеко отстоящие в таксономическом отношении, образуют гликаны сходного состава или одинаковые. Обычно в этом случае полимеры проявляют и функциональное сходство. Так, очень близки по coставу экзогликаны различных фитопатогенных бактерий и возбудителей менингита. У ряда бактерий цементирующим материалом при образовании клеточных агрегатов служит внеклеточная целлюлоза.

Известно, что не только разные виды одного рода микроорганизмов, но часто и разные штаммы одного вида синтезируют неодинаковые экзополисахариды. Так, Е. coli имеет около 70 серотипов, различных по составу и структуре капсульных полисахаридов и, соответственно, по иммунохимическим свойствам. Экзогликаны эффективных и неэффективных штаммов клубеньковых бактерий различаются по мономерному составу, а разных штаммов дрожжей рода Lipomyces - по соотношению моносахаров. Неодинаковыми по моносахаридному составу могут быть внеклеточные гликаны М-, S - и R-форм бактерий.

Отмечены случаи, когда в культуральной жидкости одного микроорганизма накапливается несколько различных гликанов. Например, L. mesenteroides образует декстран и леван, у Serratia marcescens обнаружено три экзополисахарида: кислый глюкорамнан, содержащий глюкуроновую кислоту, рамноглюкан и гептоглюкан. Гриб Aupeobasidium (Pullularia) pullulans образует два гомоглюкана: аубазидан - разветвленный полимер с α-(1→4), β-(1→3) и β-(1→6)-связями, причем в боковой цепи может быть от одного до четырех остатков глюкозы на одно звено триозы, и пуллулан - линейный глюкан, состоящий из мальтотриозных и мальтотетраозных фрагментов, соединенных α-(1→6)-связями.

Внеклеточные полисахариды не являются жизненно необходимыми для микроорганизмов. В природе есть виды, никогда их не образующие. Экспериментально показано, что клетки, лишенные капсул, столь же жизнеспособны, как и капсулированные. Тем не менее внеклеточные полисахариды выполняют определенные функции, способствующие поддержанию условий, благоприятных для жизнедеятельности продуцента. Одни из них - универсальны для всех полисахаридов, поскольку определяются общими для этих веществ свойствами, другие - специфичны для определенного полисахарида, что обусловлено особенностями состава и строения данного полимера.

Внеклеточные полисахариды предохраняют клетки от высушивания, от губительного действия ультрафиолетовых лучей и различных химических агентов, в том числе тяжелых металлов и лекарственных препаратов. Замечено, что капсулированные бактерии устойчивее к химиотерапевтическим средствам, чем бескапсульные варианты. Располагаясь поверхностно, капсулы защищают клетки от бактериофагов и поглощения их простейшими, предупреждают денатурацию клеточного белка.

Многие внеклеточные гликаны биологически активны и определяют иммунологические свойства и вирулентность штаммов. Как правило, чем толще капсула, тем выше вирулентность и патогенность бактерий. Некоторые патогенные бактерии, лишенные капсул, становятся авирулентными. К-антигены являются агрессинами, подавляющими фагоцитоз бактерий и тем создающими условия для их размножения.

Одно из характерных проявлений биологической активности полисахаридов - способность модифицировать ферменты различных организмов, в результате чего стимулируется или снижается их активность. Экзополисахариды фитопатогенных бактерий являются фитотоксинами, участвующими в специфическом взаимодействии бактерий с растительной тканью. К ним относится, например, ксантан.

В некоторых случаях внеклеточные гликаны служат резервным источником углерода и энергии, а азотсодержащие полисахариды - источником азота для продуцента. Полианионные полисахариды концентрируют катионы из окружающей среды и способствуют транспорту их в клетку. Полисахаридно-липидные комплексы микроорганизмов, растущих на средах с н-алканами: псевдомонад, нокардий, коринебактерий, дрожжей - хорошие эмульгаторы. Они снижают поверхностное натяжение, увеличивают поверхность соприкосновения углеводорода и воды, образуют мицеллы и тем самым способствуют проникновению углеводородов в клетку.

Нейтральные внеклеточные полисахариды поддерживают целостность нитчатых форм и различных скоплений клеток. Полисахариды, несущие определенный заряд, напротив, способствуют диспергированию клеток. Экзогликаны некоторых бактерий ответственны за прикрепление клеток к поверхности. Так, Str. mutans, вызывающий кариес зубов, прикрепляется к зубной эмали с помощью декстрана.

20. 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОБНЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ

В настоящее время полисахариды микроорганизмов достаточно широко используются в практике (табл. 20.2). Они находят применение в самых различных сферах человеческой деятельности: в медицине, фармацевтической, пищевой, химической и текстильной промышленности, в гидрометаллургии, при добыче нефти и в ряде других областей народного хозяйства. При этом внимание исследователей и практиков привлекают и внутриклеточные и внеклеточные гликаны, однако в технико-экономическом плане предпочтительнее последние - масштаб их производства и применения значительно шире.

Возможность и перспективность использования полисахаридов в медицине в значительной мере определяется их биологической активностью.

Многие микробные полисахариды обладают лечебным и профилактическим действием: повышают устойчивость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, обладают противоопухолевой активностью, способствуют заживлению ран и регенерации тканей, благоприятно влияют на течение и исход воспалительных процессов, устраняют болевой синдром, снижают побочное действие лекарственных препаратов и рентгенотерапии. Лечебное и защитное действие полисахаридов определяется прежде всего их способностью повышать неспецифическую иммунобиологическую реактивность организма, влиять на различные защитные реакции, поддерживающие постоянство его внутренней среды. Преимущества многих полисахаридных препаратов перед другими средствами, повышающими неспецифическую резистентность организма, определяются тем, что они свободны от примесей, оказывающих нежелательное действие на организм. Некоторые микробные полисахариды уже нашли применение в лечебной практике различных клиник мира.

В нашей стране для лечения последствий травм и нарушений проводимости нервной системы, для предупреждения образования грубых послеожоговых или посттравматических рубцов успешно применяли пирогеналь - препарат, выделяемый из клеток Salmonella typhi и Pseudomanas aeruginosa. В ФРГ и США с этой же целью использовали липополисахариды, изолированные из различных патогенных бактерий. Бактериальные ЛПС обладают также и противолучевой активностью.

В клиниках Советского Союза уже более 20 лет применяют продигиозан - гетерополисахаридный комплекс с липидами, выделенный из клеток Serratia marcescens, и зимозан - препарат из оболочек клеток Sacch. cerevisiae, состоящий из глюкана, глюкоманнана и минорных количеств тейхоевых кислот. Эти препараты нормализуют ряд сдвигов в иммунобиологических реакциях, оказывают положительное действие при лечении опухолей, ряда инфекционных и неинфекционных заболеваний. Перспективны в качестве противоопухолевых агентов ЛПС ряда грамотрицательных бактерий, внутриклеточный глюкан парамилон (астазиан) бесцветных фитофлагеллят Astasia longa, внеклеточные полисахариды различных дрожжей родов Lipomyces, Cryptococcus, Bullera и др., бактерий родов Alcaligenes и Agrobacterium. Перечисленные соединения рекомендованы для клинических испытаний. Противовирусную активность проявляет продигиозан. Модифицированный (сульфатированный) полярный маннан - внеклеточный полисахарид Rhodotorula rubra - перспективен как средство профилактики и лечения атеросклероза.

Полисахариды, обладающие антигенной специфичностью, начинают использоваться в медицинской практике в качестве диагностических средств. К ним относятся, например, полисахаридные препараты патогенных и условно патогенных видов дрожжей рода Candida, облегчающие диагностику заболеваний кандидозной природы. Показана возможность использования модифицированных ЛПС-антигенов сальмонелл в диагностике сальмонеллезов.