Использование галофильных микроорганизмов в промышленности

У галофильных бактерий есть уникальные свойства, благодаря которым они приспособились к жизни в заливе Кара-Богаз-Гол, озере Баскунчак и соленых озерах Америки и Египта. Это единственные живые существа, обитающие в безжизненных водах Мертвого моря, научившиеся жить в концентрированном растворе соли под лучами испепеляющего израильского солнца. Логично предположить, что химические вещества, которые позволили галобактериям защитить себя от такой агрессивной внешней среды, должны быть мощными адаптогенами.

Отличительное свойство галобактерий - наличие в них бактериородопсина, сложного молекулярного комплекса, состоящего из белка бактериоропсина и ретиналя (вещество, которое содержится в сетчатке глаза человека). Если пролистать научную литературу в поисках информации о галобактериях, можно прийти к выводу, что кроме бактериородопсина, который является ценным промышленным сырьем, в них нет ничего полезного, и, судя по всему, никаких открытых научных исследований их влияния на организм человека и животных не проводилось. Это тем более странно, если учесть, что галофильные бактерии используются в ряде косметических средств в качестве биологически активной добавки (например, серия Dr. Nona).

Кроме бактериородопсина, о котором уже шла речь, клетки галофилов синтезируют белки, нуклеиновые кислоты, каротиноиды (такие, как ксантофиллы, бактериоруберин, бета-каротин), липиды (фосфатидилглицерофосфат, фосфатидилглицеросульфат), глицерин, кардиолипин, гликолипиды, гликопротеины, а также витамины А, Е, С, бета-каротин, В1, В2, В3, В6, Н, РР.

Липиды галобактерий не содержат азота и характеризуются почти полным отсутствием жирных кислот. Мембранные липиды представлены в основном фосфолипидами, жирными спиртами и сложными молекулами с очень длинными названиями. Кроме того, в клетках галобактерий были обнаружены сквалены, производные гераниевого масла, бактериоруберины, ликопин (каротеноид, обладающий большей антиоксидантной активностью, чем бета-каротин), ретиналь.

Почти все галофилы имеют желтую, оранжевую или пурпурную окраску. Это объясняется высоким содержанием в их тканях каротиноидов, которые защищают бактерии от повреждающего действия УФ-излучения. Ученые университета г. Хиросимы в Японии показали, что бактериоруберин и другие каротиноиды с 50-звенными углеродными цепочками защищают клетки галофилов от мутагенных факторов, таких, как УФ-излучение, ионизирующая радиация, перекись водорода и антибиотик митомицин С. Известно, что в организме человека и животных каротиноиды работают как ловушки свободных радикалов, повышают иммунный статус, улучшают состояние кожи, благотворно влияют на зрение.

Галофилы богаты бетаинами и эктоинами. Эти вещества способны защищать биологические молекулы и живые клетки от экстремальных воздействий (замораживания/размораживания, высушивания, нагревания).

Кроме того, клетки галофилов содержат все разнообразие минералов Мертвого моря - К, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, P, Cu, Se, Cr и др. Особенно много в галофилах калия, так как высокая внутриклеточная концентрация этого вещества служит ионным противовесом концентрированному раствору NaCl в окружающей среде. Чем более концентрирован раствор соли, тем больше калия накапливают клетки галобактерий. При низкой концентрации NaCl клетки галобактерий разрушаются, поэтому организм человека как среда обитания для них непригоден - среди этих бактерий нет ни одного патогенного штамма (Жилина, 2001).

Итак, достаточно взглянуть на химический состав галобактерий, чтобы сделать вывод: галофильные бактерии - это уникальные лаборатории биологически активных веществ, в которых в роли непогрешимого фармацевта выступает сама природа. Известно, что естественные комплексы биологически активных веществ усваиваются организмом человека лучше, чем искусственно созданные смеси витаминов и минералов. Это объясняется тем, что в живых системах биологически активные вещества действуют сообща - одни компоненты восстанавливаются за счет других, активные соединения модулируют действие друг друга или работают как кофакторы в различных биохимических реакциях. Не исключено, что среди веществ, которые позволяют галобактериям адаптироваться к сложным условиям существования, есть неизвестные науке вещества, которые могут быть адаптогенами и для человека.

В России галобактериями в первую очередь занялись физики, которых галобактерии интересовали исключительно как сырье для получения бактериородопсина. В начале 90-х гг. российские ученые научились выращивать галобактерии в водно-минеральной среде и разработали технологию получения биомассы, обогащенной бактериородопсином.

Заинтересовавшись галофильными бактериями, которые так щедро насыщены каротиноидами, было установлено, что в них могут содержаться и другие вещества, исключительно полезные для организма человека.

Об этом свидетельствовал как химический состав галобактерий, так и экстремальные условия жизни этих удивительных созданий. И тогда на основании предварительных исследований группа ученых фирмы "Аксон" разработала оригинальный препарат Баксин на основе лиофилизированной биомассы галобактерий. Эксперименты показали способность Баксина влиять на процессы, протекающие с участием свободных радикалов, - замедлять образование малонового диальдегида в гомогенатах печени, в 2.7 раза снижать цитотоксическое действие противоопухолевого препарата ПХ+В в культуре клеток аденокарциномы человека, более чем вдвое снижать смертность мышей от лучевой болезни, вызванной гамма-излучением (Калюжная, 1999).

Антиоксидантная активность Баксина, оцененная по его действию на растертую ткань печени мышей, составила от 5 до 11 у. е. на 1 мг препарата, что значительно выше антиоксидантной активности витамина Е (2 у. е. на 1 мг препарата).

Токсикологические исследования показали, что препараты, содержащие лиофилизированную массу галобактерий, не обладают острой и хронической токсичностью, раздражающим и аллергенным действием, мутагенностью, эмбриотоксичностью, тератогенным действием.

 В процессе эволюции галофильные бактерии приспособились к жизни в концентрированном растворе соли при высокой интенсивности УФ-излучения. Это потребовало от них развития мощной антиоксидантной системы и других высокоэффективных защитных систем. Устойчивость галофилов к действию повреждающих факторов, уникальный химический состав, а также отсутствие среди галофилов патогенных штаммов стали основанием для использования этих микроорганизмов в качестве источника биологически активных веществ. В настоящее время отечественные препараты, содержащие лиофилизированные галобактерии (Баксин и мазь баксиновая), прошли испытания на эффективность и безопасность в условиях in vitro и in vivo. Доказано антиоксидантное и радиопротекторное действие Баксина. Получено разрешение на применение Баксина в качестве пищевой добавки на территории РФ, а также разрешение на использование баксиновой мази в ветеринарии.

Кроме использования в медицине, существует возможность применения биополимеров в качестве управляемых светом или электрическими импульсами модулей компьютерных и оптических систем (Калюжная, 1999).

Значительный интерес в связи с этим представляют белки, основная функция которых связана с трансформацией энергии света в химическую в различных фотосинтетических системах. Наиболее вероятным кандидатом среди них является светозависимый протонный насос - бактериородопсин (БР) из галофильного микроорганизма Halobacterium salinarum (ранее Halobacterium halobium), открытый в 1971 году (Звягинцев, 1999).

Бактериородопсин - ретиналь-содержащий генератор протонного транспорта представляет собой трансмембранный белок в 248 аминокислот с молекулярным весом 26 кДа, пронизывающий мембрану в виде семи -спиралей; N- и C-концы полипептидной цепи находятся по разные стороны цитоплазматической мембраны: N-конец обращен наружу, а C-конец - внутрь клетки.

БР содержится в клеточной мембране H. salinarum - галофильной архебактерии, которая живет и размножается в соленых болотах и озерах, где концентрация NaCl может превышать 4 М, что в 6 раз выше, чем в морской воде (~ 0,6 М). Этот уникальный белок во многом подобен зрительному белку родопсину, хотя их физиологические функции различны. В то время как зрительный родопсин действует как первичный фоторецептор, который обеспечивает темновое зрение большинства позвоночных животных, физиологическая роль БР заключается в том, чтобы давать возможность галобактериям действовать как факультативным анаэробам в случае, когда парциальное давление кислорода в окружающей среде мало. Белок функционирует как светозависимый протонный насос, который обеспечивает образование электрохимического градиента протонов на поверхности мембраны клетки, который, в свою очередь, служит для аккумулирования энергии. Первичная работа, производимая градиентом, заключается в синтезе АТФ через анаэробное (фотосинтетическое) фосфорилирование и, в этом случае, представляет собой классический пример хемиосмотической гипотезы Митчелла об окислительном фосфорилировании. Когда освещение отсутствует, а парциальное давление кислорода высоко, бактерии возвращаются к аэробному окислительному фосфорилированию (Овчинников, 1982).

Клетки H. salinarum содержат также два так называемых сенсорных родопсина (СР I и СР II), которые обеспечивают положительный и отрицательный фототаксис. Различные длины волн считываются СР I и СР II как детекторными молекулами, что вызывает каскад сигналов, управляющих жгутиковым двигателем бактерии. При помощи такого элементарного процесса светового восприятия микроорганизмы самостоятельно перемещаются в свет подходящего спектрального состава. Кроме того, в клетках имеется галородопсин (ГР), представляющий собой светозависимый насос ионов Cl–. Его основная функция - транспорт в клетку ионов хлора, которые постоянно теряются бактерией, перемещаясь в направлении изнутри —> наружу под действием электрического поля, создаваемого БР.

БР локализован в участках клеточных мембран H. salinarum в виде пурпурных мембран (ПМ), образующих двумерные кристаллы с гексагональной решеткой. Эти участки содержат сам белок, некоторые липиды, каротиноиды и воду. Обычно они имеют овальную или круглую форму со средним диаметром около 0,5 мкм и содержат около 25 % липидов и 75 % белка. ПМ устойчивы к солнечному свету, воздействию кислорода, температуре более чем 80ºC (в воде) и до 140ºC (сухие), рН от 0 до 12, высокой ионной силе (3 М NaCl), действию большинства протеаз, чувствительны к смесям полярных органических растворителей с водой, но устойчивы к неполярным растворителям типа гексана. Большое практическое значение имеет существующая возможность встраивания ПМ в полимерные матрицы без потери фотохимических свойств.

Уникальные свойства бактериородопсина обеспечивают широкий диапазон технических приложений, в которых он может использоваться, однако коммерчески осуществимы на сегодняшний день только оптические, поскольку их интеграция в современные технические системы наиболее проста (Пристл, 1987).

Оптические приложения основаны на применении пленок БР - полимерных матриц различного состава с включенными в них молекулами белка. Впервые в мире такие пленки на основе дикого типа БР были получены и исследованы в нашей стране в рамках проекта "Родопсин"; в 80-х годах была продемонстрирована эффективность и перспективность применения таких материалов, названных "Биохром", в качестве фотохромных материалов и среды для голографической записи.

Весьма интересной является возможность варьирования фотохимических свойств пленок БР:

1. заменой природного хромофора на модифицированный;

2. химическими (физико-химическими) воздействиями;

3. точечными заменами определенных аминокислотных остатков методами генетической инженерии.

Такие модифицированные материалы могут обладать ценными специфическими свойствами, что предопределит их использование как элементной базы биокомпьютера.