Streptomyces

Streptomyces on bakteriperekond, milles on kirjeldatud üle 700 liigi. Sarnaselt teiste aktinobakteritega on Streptomyces’ed grampositiivsed ja nende genoom on väga GC-rikas. Neid leidub põhiliselt mullas ja lagunevates taimedes. Enamik selle perekonna liikidest moodustavad spoore ja on tuntud oma iseloomuliku mulla lõhna järgi, mida põhjustab üks nende bakterite toodetud metaboliit – geosmiin. Perekonda Streptomyces iseloomustab keerukas sekundaarne metabolism. Aktinobakterid toodavad umbes kaks kolmandikku kliiniliselt kasutatavatest looduslikest antibiootikumidest (näiteks neomütsiin, kanamütsiin, tetratsükliin ja klooramfenikool), millest suurem osa on toodetud just Streptomyces’te poolt. Lisaks antibiootikumidele leidub Streptomyces’te sekundaarsete metaboliitide seas ka näiteks immunosupressante, tsütotoksikuid, viirustevastaseid ja vererõhku alandavaid ühendeid. Perekonnas Streptomyces leidub ka väike hulk patogeene. Taimepatogeenidest on tuntuimad S. acidiscabies, S. turgidiscabies ja S. scabiei, mis põhjustavad kartulitel kärntõbe. Inimese patogeenidest on teada vaid mõni üksik liik. S. somaliensis ja S. sudanensis põhjustavad naha või naha aluskoe infektsioone ehk aktinomütsetoome. Perekonda Streptomyces kuuluvad aeroobsed grampositiivsed filamentsed bakterid, mis moodustavad hargnevaid, hästi arenenud vegetatiivseid hüüfe, mille diameeter jääb vahemikku 0,5–1 μm, ning vähem hargnevaid aeraalseid hüüfe. Vegetatiivsetest hüüfidest moodustunud kompleksne mütseel aitab substraadilt orgaanilisi ühendeid omastada. Hüüfide kasv toimub tipu pikenemise ja hargnemise teel ning ei toimu mitte rakujagunemine nagu enamikul bakteritest, vaid hüüfid jaotatakse osadeks vaheseinte abil ning igas tekkinud segmendis on mitu kromosoomi koopiat. See tunnus teeb neist haruldase näite hulkraksetest prokarüootidest. Aeraalsed hüüfid erinevad substraatsetest selle poolest, et need on umbes kaks korda suuremad ning nende kasv toimub palju kiiremini. Need on ümbritsetud kestaga, millest hiljem saab spooride ümbris. Selle kesta välimine külg on hüdrofoobne, mis aitab neil rakusisese turgori kaasabil tungida läbi niiske mulla, sarnaselt seeneniidistikuga. Mütseel ja aeraalne hüüfistik on liikumatu, kuid mobiilsus saavutatakse spooride dispersiooniga. Spooride pind võib olla kurruline, ogaline, näsaline, sile või kaetud karvakestega. Mõnede liikide aeraalne hüüfistik koosneb pikkadest sirgetest filamentidest, mis kannavad 50 või enamat spoori. Iga haru tipust väljuvad sarikana kaks või enamat sfääriliste, ellipsoidsete, pikerguste või silindriliste spooride ahelat. Ahelad võivad olla keerdunud spiraali, aasadeks või kerasse. Streptomyces’te elutsükkel algab spoori idanemisega, mille järel areneb vegetatiivne hüüfistik. Vegetatiivsed hüüfid harunevad ja moodustavad mütseeli. Ebasoodsate tingimuste tekkimisel, näiteks toitainete ammendumisel, areneb vegetatiivsest mütseelist aeraalne hüüfistik, mille eesmärk on toota jälle uusi spoore. Toitainete otsa lõppemisel algab vegetatiivse mütseeli autolüütiline lagundamine, mida juhib programmeeritud rakusurma laadne mehhanism. See on vajalik, et saada "ehituskive" uue biomassi tootmiseks. Kuna suur hulk vabanenud aminohappeid, nukleiinhappeid, suhkruid ja lipiide meelitab kohale teisi mikroobe, on loogiline, et antibiootikumide tootmine algab just selles kasvufaasis. Aeraalne mütseel annab Streptomyces’te kolooniatele iseloomuliku koheva välimuse. Geene, mis vastutavad aeraalse mütseeli moodustumise eest, nimetatakse bld geenideks. Nende nimetus tuleb ingliskeelsest sõnast bald, mis tähendab "karvutu". Nende elutsüklis toimub ka teine programmeeritud rakusurm. Kui aeraalne hüüfistik on tekkinud, moodustuvad nende külge ühe kromosoomikoopiaga spooride ahelad ning kui spooride idanemine on algatatud toimubki teine programmeeritud rakusurm, mille käigus lagundatakse aeraalne mütseel. Esimene perekonda Streptomyces kuuluva bakteriliigi täielikult sekveneeritud genoom avaldati 2002. aastal ajakirjas Nature, kus oli järjestatud S. coelicolor A3(2) genoom. Selle ajani ei olnud ühestki teisest bakterist leitud nii suurt hulka geene. Tema kromosoom on 8 667 507 aluspaari (bp) pikk, GC sisaldus on 72,1% ja eeldatav valke kodeerivate geenide hulk on 7825. Järgmisena valmis S. avermitilise genoom 2003. aastal. Streptomyces’e perekonna liikidel on lineaarne genoom, suure GC sisaldusega, mis jääb tavaliselt 70% juurde. Võrdluseks, näiteks Escherichia coli genoomi GC sisaldus on ligikaudu 50%. Lineaarse kromosoomi DnaA box järjestuste rikas replikatsiooni alguspunkt (ingl. k origin) paikneb üsna kromosoomi keskel ning replikatsioon toimub korraga kahele poole telomeeride suunas. Streptomyces’te kromosoomil on "tuumikregioon" (ingl. k core region), kus paiknevad üsna konserveerunud "koduhoidja" geenid (ingl. k housekeeping genes) ja kaks sellega külgnevat regiooni, kus on divergeerunud ja horisontaalselt ülekanduvad geenid. Kromosoomi terminaalsed regioonid on väga ebastabiilsed ning kahe kromosoomi otsa vahel toimub ristsiire. 17 Streptomyces’e genoomi võrdlusel selgus, et sekundaarse metabolismi geenidest paikneb tuumikregioonis vaid 5%. Sinna gruppi kuulub näiteks geosmiini tootmise eest vastutav geen. Perekonda Streptomyces liigitatakse nüüdisajal rohkem kui 500 bakteriliiki (osaline): Juhtumeid Streptomyces’te tekitatud infektsioonidest on dokumenteeritud vähe, põhiliselt on tegu naha ja naha aluskoe püsivate infektsioonide, aktinomütsetoomidega, mida põhjustavad S. somaliensis ja S. sudanensis. Üksikuid teateid on ka kopsupõletike ja abstsesside kohta. Ka taimede patogeene on Streptomyces’te hulgas üsna vähe. Teada on üle 10 patogeeni, millest mõned on allpool loetletud. Nende mõju põllukultuuridele on siiski suur. Üks olulisemaid haigusi on harilik kärntõbi või harilik kartulikärn (ingl. k common scab), mida esineb peamiselt kartulil, kuid nakatuvad ka redis, peet, porgand ja teised juurviljad. Harilikku kärntõbe põhjustavad peamiselt S. scabiei ja S. turgidiscabies. See tekib kuivades ning neutraalsetes või leeliselistes muldades. Harilik kärntõbi kahjustab juurvilja koort ja soodustab sellega teiste taimehaiguste teket ning saagikuse ja säilivuse vähenemist. Taime maapealsetes osades aga pärast nakatumist mingeid nähtavaid kahjustusi ei teki. Veidi vähem levinud on happeline kärntõbi (ingl. k acid scab), mida põhjustab S. acidiscabies, kes erinevalt eelnevalt mainitud patogeenidest suudab taluda happelist mulda (pH<5,2). Teadaolevalt põhjustavad Sterptomyces’ed veel maguskartuli mullamädanikku (ingl. k soil rot of sweet potato), russet’i kärntõbe, võrkjat kärntõbe (ingl. k netted scab) ja maapähklite kärntõbe (ingl. k peanut pod wart). Lisaks suudavad mõned liigid inhibeerida ka ühe- ja kaheiduleheliste taimede seemikute kasvu. Taimehaigusi põhjustavatest fütotoksiinidest on enim uuritud takstomiin (ingl. k thaxtomin), millel on oluline roll nii hariliku kartulikärna, happelise kärntõve kui ka maguskartuli mullamädaniku tekkimisel. Veel on fütotoksiinidest kirjeldatud näiteks concanamycin’id, FD-891 ja borrelidiin (ingl. k borrelidin). Virulentsust põhjustavad geenid on koondunud genoomis ühte klastrisse, mida nimetatakse patogeensussaareks. See võib horisontaalse geeniülekande teel mittepatogeensete liikide genoomi integreeruda, mille tagajärjeks on uued patogeensed tüved. Streptomyces’e perekonna taimepatogeene (sulgudes on taimehaigus, mida konkreetne liik põhjustab): Streptomyces scabiei (harilik kärntõbi, maguskartuli mullamädanik) Streptomyces acidiscabies (happeline kärntõbi) Streptomyces europaeiscabiei (harilik ja võrkjas kärntõbi) Streptomyces luridiscabiei (harilik kärntõbi) Streptomyces niveiscabiei (harilik kärntõbi) Streptomyces puniciscabiei (harilik kärntõbi) Streptomyces reticuliscabiei (võrkjas kärntõbi) Streptomyces stelliscabiei (harilik kärntõbi) Streptomyces turgidiscabies (harilik kärntõbi) Streptomyces ipomoeae (maguskartuli mullamädanik) Streptomyces cheloniumii (russet'i kärntõbi). Perekonda Streptomyces liigitatud bakterid leiavad rakendust biotehnoloogias, arvatakse et nende elusorganismide abiga toodetakse ligi 2/3 kliiniliselt tähtsatest looduslikest antibiootikumidest. Esimeste aktinomütseetide toodetud antibiootikumidena avastati aktinomütsiin (leiti 1940. aastal bakterist S. antibioticus), streptotritsiin (1942, S. lavendulae) ja streptomütsiin (1944, S. griseus). Need avastas Waksman koos oma kolleegidega. Järgnevalt on välja toodud suuremad antibiootikumide klassid, mida toodavad Streptomyces’ed: aminoglükosiidid neomütsiin (S. fradiae) kanamütsiin (S. kanamyceticus) streptomütsiin (S. griseus) ansamütsiinid rifamütsiin (S. mediterranei) klooramfenikool (S. venezuelae) lipopeptiidid daptomütsiin (S. roseosporus) oksasolidoonid tsükloseriin (S. orchidaceus) tetratsükliinid tetratsükliin (S. aureofaciens) makroliidid erütromütsiin (S. erythraeus) linkomütsiin (S. lincolnensis) oleandomütsiin (S. antibioticus) Seenevastaseid ühendeid leidub Streptomyces’te sekundaarsete metaboliitide seas üsna palju. Allpool on välja toodud mõned olulisemad. Nüstatiin ja amfosteritsiin B on suhteliselt laialdaselt kasutatavad inimesel esinevate seeninfektsioonide raviks. Neid eritavad vastavalt S. noursei ja S. nodosus. Need makroliidsete polüeenide hulka kuuluvad ühendid seonduvad seene rakukestas paikneva ergosterooliga, suurendavad rakukesta läbilaskvust ja põhjustavad seeneraku hukkumise. Samasse rühma kuulub ka S. natalensis’e toodetav natamütsiin, mis on leidnud kasutust nii meditsiinis kui ka toiduainetööstuses säilitusainena. Põllumajanduslikult on olulised näiteks kasugamütsiin ning polüoksiin B ja D. S. kasugaensis’est pärit kasugamütsiin toimib valkude biosünteesi inhibiitorina ja seda kasutatakse riisi lehemädanikku põhjustava Magnaporthe grisea vastu. Polüksiin B ja D on pärit S. cacaoi var. asoensis’est ning takistavad seente rakukesta sünteesi. Esimest neist kasutatakse puuviljadel, aedviljadel ja ilutaimedel esinevate seenpatogeenide tõrjeks ning teist Rhizoctonia solani poolt põhjustatud mädaniku tõrjeks riisil. Milbemütsiinid on makroliidide hulka kuuluvad ühendid, mida toodavad näiteks S. hygroscopicus ja S. bingchenggensis Milbemütsiine kasutatakse veterinaarias usside, täide ja kirpude tõrjeks ette nähtud ravimites. Tetranaktiin on S. aureus’e toodetud tsükliline ühend, mida kasutatakse tee ja puuviljade peal parasiteerivate lestade vastu. Ivermektiin on avermektiini dehüdroderivaat, mida produtseerib S. avermitilis. Sellel on lai aktiivsusspekter nii sise- kui välisparasiitidena tegutsevate ümarusside ja lülijalgsete vastu ning on tavameditsiinis ja veterinaarias laialdaselt kasutusel. Ivermektiin seondub ainult selgrootutel esinevate ioonkanalitega ning seeläbi häirib närvisüsteemi ja lihaste tööd. Avermektiini avastamise eest said Satoshi Omura ja William C. Campbell 2015. aastal ka Nobeli auhinna. Siroliimust ehk rapamütsiini toodab S. hygroscopicus. Algselt märgati tema seenevastast toimet, kuid tänapäeval on see kasutusel pärast neerusiirdamist äratõukereaktsiooni ennetamiseks. Siroliimus inhibeerib tsütokiinide retseptorsõltuvaid signaaliülekande mehhanisme ja sellega blokeerib B- ja T-rakkude aktivatsiooni. Takroliimus avastati 1975. aastal S. tsukubaensis’e kultuurist. See toimib kaltsineuriini inhibiitorina, mille kaudu pärsib T-lümfotsüütide jagunemist ja aktiivsust. Ka mitmed kasutusel olevad vähiravimid on pärit Streptomyces’telt: doksorubitsiin ja daunorubitsiin leiti S. peucetius’est ja nende tsütotoksiline toime tuleb nende omadusest interkaleeruda DNAsse; bleomütsiini toodab S. vertillicus ja see blokeerib rakujagunemise G2 faasis; aktinomütsiin D on pärit S. parvullus’est ja see inhibeerib RNA sünteesi; mitomütsiin C avastati S. caepitosus’est ja see inhibeerib DNA sünteesi, tekitades ahelate vahele ristsidemeid. William B. Whitman, Aidan Parte, Michael Goodfellow, Peter Kämpfer, Hans-Jürgen Busse, Martha E. Trujillo, Wolfgang Ludwig, Ken-ichiro Suzuki, Bergey's Manual of Systematic Bacteriology: Volume 5, Parts A,lk 1446, 2nd ed, 2012, Bergey's Manual Trust, Google'i raamat veebiversioon (vaadatud 08.03.2014) (inglise keeles) Genus Streptomyces www.bacterio.net (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Ventura, et al. (2007). Genomics of Actinobacteria: Tracing the Evolutionary History of an Ancient Phylum. Microbiol. Mol. Biol. Rev., Vol. 71-3, pp. 495–548 mmbr.asm.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Bibb (2013). Understanding and manipulating antibiotic production in actinomycetes. Biochemical Society Transactions, Vol. 41, pp. 1355–1364 www.biochemsoctrans.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Procópio, et al. (2012). Antibiotics produced by Streptomyces, The Brazilian Journal of Infectious Diseases, Vol. 16-5, pp. 466–471 www.sciencedirect.com (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Barka et al. (2015). Taxonomy, Physiology, and Natural Products of Actinobacteria, Microbiol. Mol. Biol. Rev., Vol. 80, pp. 1–43 www.researchgate.net (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Anderson ja Wellington (2001). The taxonomy of Streptomyces and related genera. Int J Syst Evol Microbiol, Vol. 51, pp. 797–814 ijs.microbiologyresearch.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Chater (1984). Morphological and Physiological Differentiation in Streptomyces, Microbial development Vol.16, pp. 89–115 cshmonographs.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Wezel, et al. (2011). The regulation of the secondary metabolism of Streptomyces: new links and experimental advances. Nat. Prod. Rep., Vol. 28, pp. 1311–1333 www.researchgate.net (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Dietz ja Mathews (1971). Classification of Streptomyces Spore Surfaces into Five Groups. Applied Microbiology, Vol. 21-3, pp. 527–533 www.ncbi.nlm.nih.gov (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Tresner, et al. (1961). Electron Microscopy of Streptomyces Spore Morphology and Its Role In Spcies Differentation, Journal of Bacteriology, vol. 81: 70–80 www.ncbi.nlm.nih.gov (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Miguélez, et al. (1999). Hyphal Death during Colony Development in Streptomyces antibioticus: Morphological Evidence for the Existence of a Process of Cell Deletion in a Multicellular Prokaryote. JCB, vol. 145(3), pp. 515–525 jcb.rupress.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Bibb (2005). Regulation of secondary metabolism in streptomycetes. Current Opinion in Microbiology, vol. 8, pp. 208–2015 www.jic.ac.uk (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Hopwood, et al. (1970). Mutants of Streptomyces coelicolor Defective in Sporulation. Microbiology, vol. 61, pp. 397–408 mic.microbiologyresearch.org (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Bentley, et al. (2002). Complete genome sequence of the model actinomycete Streptomyces coelicolor A3(2). Nature, vol. 417, pp. 141–147 www.nature.com (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Ikeda, et al. (2003). Complete genome sequence and comparative analysis of the industrial microorganism Streptomyces avermitilis. Nature Biotechnology, vol. 21, pp. 526–531 www.nature.com (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Kim, et al. (2015). Comparative Genomics Reveals the Core and Accessory Genomes of Streptomyces Species. J. Microbiol. Biotechnol., vol. 25(10), pp. 1599–1605. Santhanam, Rakesh; Rong, Xiaoying; Huang, Ying; Andrews, Barbara A.; Asenjo, Juan A.; Goodfellow, Michael. "Streptomyces bullii sp. nov., isolated from a hyper-arid Atacama Desert soil". Antonie van Leeuwenhoek. 103 (2): 367–373. DOI:10.1007/s10482-012-9816-x. Kapaida, et al. (2007). Invasive Streptomyces Infections, Am. J. Clin. Pathol, vol. 127, pp. 619–624 ajcp.oxfordjournals.org (vaadatud 01.03.2016) (inglise keeles) David P. Labeda,Multilocus sequence analysis of phytopathogenic species of the genus Streptomyces, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2011), 61, 2525–2531 DOI 10.1099/ijs.0.028514-0, Veebiversioon (vaadatud 08.03.2014) (inglise keeles) Bignell, et al. (2013). Phytotoxins produced by plant pathogenic Streptomyces species. Applied Microbiology, vol. 116(2),pp. 223–235 onlinelibrary.wiley.com (vaadatud 01.03.2016) (inglise keeles) Lerat, et al. (2009). Genetic and physiological determinants of Streptomyces scabies pathogenicity. Mol. Plant Pathol., vol. 10(5), pp.579–85 www.ncbi.nlm.nih.gov (vaadatud 01.03.2016) (inglise keeles) Toidukartuli kaubandusliku kvaliteedi ja toiteväärtuse muutused ning seda mõjutavad tegurid (vaadatud 01.03.2016) (inglise keeles) John M. Lackie,The Dictionary of Cell & Molecular Biology, lk 21–23, 4th ed, 2007, Academic Press, Google'i raamat veebiversioon (vaadatud 08.03.2014) (inglise keeles) Carillo-Muñoz, et al. (2006).Antifungal agents: Mode of action in yeast cells. Rev Esp Quimioterap, vol. 19(2), pp. 130–139 www.researchgate.net (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Lemke, et al. (2005). Amphotericin B. Appl. Microbiol. Biotechnol. vol. 68, pp. 151–162 www.researchgate.net (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Hesham, et al. (2000). Influence of inoculum type and cultivation conditions on natamycin production by Streptomyces natalensis. J. Basic Microbiol., vol. 40, pp. 333–342 www.researchgate.net (vaadatud 26.02.2016) (inglise keeles) Nokana, et al. (2000). New Milbemycins from Streptomyces hygroscopicus subsp. aureolacrimosus: Fermentation, Isolation and Structure Elucidation. The Journal of Antibiotics. vol. 53(7), pp. 694–704 www.jstage.jst.go.jp (vaadatud 27.02.2016) (inglise keeles) Wang, et al. (2010). Genome Sequence of the Milbemycin-Producing Bacterium Streptomycesbingchenggensis. J. Bacteriol, vol. 192(17), pp. 4526–4527 jb.asm.org (vaadatud 27.02.2016) (inglise keeles) Yates ja Wolstenholme (2004). An ivermectin-sensitive glutamate-gated chloride channel subunit from Dirofilaria immitis. International Journal for Parasitology, vol. 34(9), pp. 1075–1081 www.sciencedirect.com (vaadatud 27.02.2016) (inglise keeles) Vézina, et al. (1975). Rapamycin (AY-22, 989), a New Antifungal Antibiotic. The Journal of Antibiotics, vol. 28(10), pp. 721–726 www.jstage.jst.go.jp (vaadatud 27.02.2016) (inglise keeles) Kino, et al. (1987). FK-506, a novel immunosuppressant isolated from a Streptomyces. II Immunosuppressive effect of FK-506 in vitro. J. Antibiot. vol. 40,pp. 1256–1265 www.jstage.jst.go.jp (vaadatud 27.02.2016) (inglise keeles) William B. Whitman, Aidan Parte, Michael Goodfellow, Peter Kämpfer, Hans-Jürgen Busse, Martha E. Trujillo, Wolfgang Ludwig, Ken-ichiro Suzuki, Bergey's Manual of Systematic Bacteriology: Volume 5, Parts A,lk 1446- 1763, 2nd ed, 2012, Bergey's Manual Trust, Google'i raamat veebiversioon (vaadatud 08.03.2014) (inglise keeles) Sekveneeritud genoomid Streptomyces’te perekonnast NCBI andmebaasis Assembly: Streptomyces (vaadatud 25.02.2016) (inglise keeles) Selles artiklis on kasutatud ingliskeelseid artikleid en:Streptomyces ja en:List_of_Streptomyces_species seisuga 08.03.2014.