ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΒΟΤΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ MIKΡOBIAKH ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑ Θετικά κατά Gram βακτήρια: Η βιοτεχνολογική σημασία των ακτινοβακτηρίων Δρ. E. A. Κατσίφας ΜΕΤΕΠΤΥΧΙΑΚΟ
Η πρώτη δημοσιευμένη απεικόνιση ακτινομυκήτων από τον Ferdinand Cohn (1828-1898) 1898). Απομονώθηκαν από δακρυϊκούς αδένες ανθρώπων και ονομάστηκαν Streptothrix foerster
Η κλάση Actinobacteria περιλαμβάνει πέντε υποκλάσεις με τη μεγαλύτερη να είναι εκείνη των Actinobacteriadae Η τάξη Actinomycetales (Buchanan 1917) περιλαμβάνει τους περισσότερους και βιοτεχνολογικά σημαντικότερους αντιπροσώπους και χωρίζεται σε 10 υποτάξεις Το 1997 προτάθηκε από τους Stackebrandt και συνεργάτες, η αλλαγή του ονόματος της κλάσης Actinomycetes σε Actinobacteria.
Η κλάση Actinobacteria : φυλογενετικές σχέσεις ανάμεσα σε τάξεις, υποτάξεις και οικογένειες βάσει στοιχείων ανάλυσης του 16S S rrna
Είναι θετικά κατά Gram, υψηλής περιεκτικότητας σε G+C, βακτήρια Λόγω των μορφολογικών και φυσιολογικών χαρακτηριστικών αποτελούν μια ομάδα διαχωρισμένη από τα υπόλοιπα βακτήρια τους καλά
Τα ακτινοβακτήρια δεν τοποθετούνται πια σε διαφορετικό βασίλειο από εκείνο των βακτηρίων Ο αριθμός των γενών έχει φτάσει τα 102
Φυλογενετικές σχέσεις ανάμεσα σε 90 γένη ακτινοβακτηρίων βάσει στοιχείων ανάλυσης του 16S rrna
Αποικίες ακτινοβακτηρίων σε τρυβλία με στερεό θρεπτικό υπόστρωμα
Α Β Α. Streptomyces sp. B. Microbispora sp. Γ. Actinoplanes sp. Δ. Microtetraspora sp. Γ Δ Φωτογραφίες από φωτονικό μικροσκόπιο στελεχών ακτινοβακτηρίων
Α Β Α. Nocardia sp. B. Nocardiopsis dassonvillei Γ. Actinoplanes rectilineatus Δ. Planobispora rosea Ε. Actinomadura sp. ΣΤ. Spirillospora albida Γ Δ Ε ΣΤ
Nocardia farcinica Streptomyces noursei Streptomyces cattleya
Ο κύκλος ζωής των στρεπτομυκήτων σε στερεά θρεπτικά υποστρώματα.
ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ - ΕΔΑΦΟΣΤΑΤΗΣ (Karagouni et al. 1993, Βιώνη (PhD) 1997, Κατσίφας (PhD) 1999, Vionis et al. 1997) Δείγμα ίσο με 10% του συνολικού όγκου του συστήματος Άμεση αντικατάσταση με ίση ποσότητα εδαφικού υποστρώματος Όγκος σταθερός Σχολαστική ανάδευση Ανακύκλωση - Εμπλουτισμός του εδαφικού υποστρώματος από 10% έως και 75% του συνολικού όγκου του συστήματος
7 6 5 log (β.μ.g-1) 4 3 2 1 0 MSD (P<0.05) 0 1 2 3 4 5 Χρόνος (Ημέρες) Επιβίωση του στελέχους S. albidoflavus ΑΜ41 σε συστήματα μικροκόσμου εδάφους σε τιμές θερμοκρασίας επώασης 22 C ( ), 28 C ( ), 32 C( ) και 35 C ( ). (Κατσίφας, PhD, 1999)
Παραδείγματα αναπαραγωγικών κατασκευών ακτινοβακτηρίων
Streptosporangium nondiaststicum Streptomyces plicatosporus Herbidospora cretacea
Αλυσίδες σπορίων στρεπτομυκήτων Streptomyces avermitilis
Αποικίες ακτινοβακτηρίων σε στερεό θρεπτικό υπόστρωμα. Actinoplanes sp. Actinomadura rugatopispora Dactylosporangium vinaceum
Streptomyces hygroscopicus Streptomyces hanamyceticus Streptomyces avermitilis Streptomyces sulfonofaciens
Mycobacterium bovis
Nocardia brasiliensis
Rhodococcus equi MCI-2132
Rhodococcus rhodochrous
Streptomyces albulus Streptomyces filipinensis
Σαπροφυτικοί κοσμοπολίτικοι οργανισμοί που απαντώνται κυρίως στο έδαφος σε μεγάλους πληθυσμούς Έχουν ικανότητα αποικοδόμησης μεγάλου αριθμού και ποικιλίας οργανικών υποστρωμάτων Εξαιρετικά σημαντικά στις ανοργανοποίησης του οργανικού υλικού διαδικασίες Παράγουν τα περισσότερα από τα αντιβιοτικά (~70%) που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική
Ελάχιστα ακτινοβακτήρια άνθρωπο, τα ζώα ή τα φυτά. είναι παθογόνοι για τον Π.χ. η ακτινομυκητίαση αποτελεί μια σπάνια ασθένεια που εμφανίζεται κυρίως σε υποανάπτυκτες περιοχές του κόσμου
Παραδείγματα παθογόνων ακτινοβακτηρίων Actinomadura madurae, A. pelletieri Nocardia sp. Saccharompolyspora rectivirgula, Thermoactinomyces sp. Dermatophilus sp. Streptomyces scabies Rhodococcus fasciens
μετά την ανακάλυψη της στρεπτομυκίνης ένας μεγάλος αριθμός αντιβιοτικών έχει ανακαλυφθεί και απομονωθεί από είδη που ανήκουν κυρίως στα γένη Streptomyces, Streptoverticillium και Micromonospora είναι κυρίως αμινογλυκοσίδες, χλωραφαινικόλη, τετρακυκλινες, μακρολίδια και β-λακτάμες
Η δράση τους εκτός από αντιβακτηριακή είναι και αντιμυκητιακή, αντικαρκινική και αντιιική επίσης παράγουν και μια μεγάλη ποικιλία άλλων βιοενεργών ουσιών όπως για παράδειγμα ενζυμικούς αναστολείς
άλλα προϊόντα τους είναι τα στεροειδή, ισομεράση της γλυκόζης μετασχηματισμένα άλλοι μεταβολίτες των ακτινοβακτηρίων χρησιμοποιούνται ως εντομοκτόνα, παρασιτοκτόνα, ή αντικαρκινικοί παράγοντες ικανότητα αποικοδόμησης αρωματικών υδρογονανθράκων αλειφατικών και κάποια άλλα έχουν αντιμικροβιακή δράση αναμφίβολα παίζουν ρόλο στη διατήρηση βακτηριακού πληθυσμού σε ποικίλα περιβάλλοντα και του
Θεωρούνται σαν μια από τις κύριες πηγές νέων βιοενεργών ουσιών.
Το γένος Streptomyces Ένα δισεκατομμύριο χρόνια εξέλιξης χωρίζουν τους στρεπτομύκητες και τα συγγενή γένη ακτινοβακτηρίων από τις άλλες γνωστές ομάδες βακτηρίων. Το γένος Streptomyces παράγει περίπου το 80% όλων των γνωστών αντιβιοτικών που παράγονται από ακτινοβακτήρια συμπεριλαμβανομένων και αυτών που χρησιμοποιούνται στην ιατρική και στη γεωργία.
Στην εικόνα παρατηρείτε την παραγωγή του αντιβιοτικού ακτινοροδίνη που γίνεται ορατό υπό μορφή σταγονιδίων στην επιφάνεια αποικίας του S. coelicolor. Η ακτινοροδίνη είναι ένα από τα τέσσερα αντιβιοτικά που παράγει το είδος αυτό και αξίζει να αναφερθεί ότι η εκμετάλλευση του στελέχους αυτού αποφέρει ετησίως 6 δις δολάρια!!!.
Παραγωγή στρεπτομυκίνης από τον Streptomyces griseous M-1027. Η ελάττωση της συγκέντρωσης της γλυκόζης οδηγεί στην αύξηση της παραγωγής του αντιβιοτικού.
Τα γένη Streptomyces μετά τα γένη Bacillus είναι οι καλύτεροι παραγωγείς πρωτεασών. Ο S. limosus παράγει αμυλάση όταν στο θρεπτικό υπάρχει μαλτόζη και άμυλο. εμπειρικά θρεπτικά φύσεως, λόγω ποσότητας). χαμηλού (αγροτικά κόστους προϊόντα και αγνώστου διαθέσιμης η υδρόλυσή τους αργή αργός ο ρυθμός παραγωγής
Βιομηχανική παραγωγή αντιβιοτικών - ζυμώσεις στην παραγωγή των αντιβιοτικών είναι επιλογή ζύμωσης δύσκολη η υπόστρωμα αναλογίας C/N/P στο θρεπτικό υπόστρωμα οι ζυμώσεις γίνονται συνήθως κάτω από συνθήκες περιορισμένης συγκέντρωσης αζώτου ή φωσφόρου παροχή οξυγόνου στην καλλιέργεια (η συγκέντρωση του αερίου έχει σχέση με το ύψος του βιοαντιδραστήρα) τα ακτινοβακτήρια απαιτούν κατά την αύξησή τους Fe και Zn για την παραγωγή των αντιβιοτικών
Έως και το 1992 το χρωμόσωμα των στρεπτομυκήτων θεωρείτο κυκλικό, Το 1993 αναφέρεται από τους Lin και συνεργάτες ότι το χρωμοσωμικό DNA του στελέχους S. lividans 66 είναι γραμμικό, ενώ παράλληλα πραγματοποιείται η χαρτογράφηση του από τους Leblond και συνεργάτες. Έκτοτε γραμμικά χρωμοσώματα έχουν παρατηρηθεί σε πολλά είδη στρεπτομυκήτων (S. griseus 2247, S. lividans ZX7, S. coelicolor M130). Αποτέλεσμα : η γραμμικότητα του χρωμοσώματος θεωρείται γενική ιδιότητα των στρεπτομυκήτων (Chen και συνεργάτες,, 1994)
Το χρωμοσωμικό DNA των στρεπτομυκήτων είναι ασυνήθιστα μεγάλο για βακτήριο,, (περίπου( 6-9 Mb) σε σύγκριση με αυτό άλλων βακτηρίων όπως η E. coli και Β. subtilis (περίπου 4 Μb) και υψηλής περιεκτικότητας σε G+C (~72%). S. coelicolor 7.700 γονίδια
γενετική αστάθεια - μεγάλη ικανότητα προσαρμογής μεταφορά γενετικού υλικού ανάμεσα σε διαφορετικά είδη, γένη ή και κλάσεις διεθνή ερευνητικά προγράμματα για την μελέτη των γονιδίων ανθεκτικότητας, μεταφοράς γενετικού υλικού και ανίχνευσης και απομόνωσης νέων στελεχών και μεταβολιτών
Ακραία περιβάλλοντα
Στρεπτομύκητες από ακραία περιβάλλοντα με ικανότητα αποικοδόμησης πετρελαϊκών υδρογονανθράκων από 44% έως 75% Στέλεχος Αριθμός ατόμων άνθρακα C26 C28 C30 C32 C34 O114 73 70 67 67 49 N005 68 71 69 68 54 A083 73 73 72 66 52 R123 75 71 72 68 49 N022 70 69 70 68 46 H093 66 65 61 60 44 % αποικοδόμηση αλειφατικών υδρογονανθράκων σε υγρές καλλιέργει ργειεςες (με GC-MS ανάλυση)
www.actapharm.org
Το γονίδιο trpb ως δείκτης εκτίμησης της ποικιλότητας των ακτινοβακτηρίων σε Ελληνικά ενδιαιτήματα trpb σε στελέχη αναφοράς DGGE με trpb σε στελέχη αναφοράς Σχεδιασμός μορίων εκκινητών για την ενίσχυση μιας περιοχής 500 βάσεων του γονιδίου trpb των ακτινοβακτηρίων
Το γονίδιο trpb ως δείκτης εκτίμησης της ποικιλότητας των ακτινοβακτηρίων σε Ελληνικά ενδιαιτήματα A: σε cdna, 16S rrna B: σε cdna, trpb 1 2 3 4 1 2 3 4 1. Olea europa 2. Μαραθώνας 3. Δάσος κωνοφόρων 4. Καισαριανή Α : ενίσχυση της περιοχής 16S rrna των ακτινοβακτηρίων, Β : ενίσχυση της περιοχής trpb των ακτινοβακτηρίων
Παραγωγή βιοενεργών ενώσεων oυσίες με βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον Streptomyces exfoliatus (ριζόσφαιρα Ebenus sipthorpii)
mau 120 A-Komponenten B 3 100 80 60 mau B-Komponenten mau 200 175 DAD1 A, Sig=210 DAD1 B, Sig=230 DAD1 C, Sig=260 DAD1 D, Sig=280 DAD1 E, Sig=310 DAD1 F, Sig=360 DAD1 G, Sig=435 DAD1 H, Sig=500 B 2 40 20 0 250 300 350 400 450 500 550 A 1 nm 80 60 40 20 150 0 125 B 4 mau 1200 C-Komponente 250 300 350 400 450 500 550 nm 100 A 3 1000 800 Prof. Dr. Hans Peter Fiedler 600 75 B 1 C 400 200 50 0 200 250 300 350 400 450 500 550 nm 25 0 2 4 6 8 10 12 14 min HPLC-DAD ανάλυση