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.
Morfoloogia ja elutsükkel.
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.
Genoom.
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.
Klassifikatsioon.
Perekonda "Streptomyces" liigitatakse nüüdisajal rohkem kui 500 bakteriliiki (osaline):
Patogeensed liigid.
Inimeste patogeenid.
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.
Taimepatogeenid.
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&lt;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):
Saadused.
Antibakteriaalsed ühendid.
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:
Seenevastased ühendid.
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.
Parasiitidevastased ühendid.
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.
Immunosupressiivsed ühendid.
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.
Vähiravimid.
Ka mitmed kasutusel olevad vähiravimid on pärit "Streptomyces"’telt: