Мутуалистические, комменсальные и паразитические ассоциации бактерий с человеком, животными, грибами и растениями подробно описаны.
Многие из этих синергетических взаимодействий опосредованы выделяемыми ими биомолекулами, представляющими промышленный и фармацевтический интерес. Бактерии классифицируются как грамположительные и грамотрицательные в основном по строению клеточной стенки. Грамположительные бактерии выделяют метаболиты непосредственно в культуральную среду, что способствует их быстрому выделению для последующего использования. Статьи, представленные в данном обзоре, включают оригинальные исследования, обзоры и in silico анализ соединений с антимикробными и биологически активными свойствами, выделяемых грамположительными бактериями в различных экологических нишах.
Egan et al. использовали программу BAGEL3 для сканирования общедоступных геномов, содержащих предполагаемые кластеры бактериоциновых генов. Они определили эндоспорообразующий род Geobacillus как потенциальный источник новых бактериоцинов, которые могут иметь коммерческое и терапевтическое значение для лечения антибиотикорезистентных инфекций, имеющих клиническое значение.
Способность видов Lactococcus и Lactobacillus поддерживать иммунный баланс и целостность эпителия кишечника, признанных пробиотическими бактериями, представляет значительный интерес. Sokovic et al. показали, что Lactobacillus brevis BGZLS10-17, штамм, выделенный из сыра Zlatar, способен вырабатывать высокий уровень гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и снижать адгезию Salmonella enterica и Escherichia coli к колоноцитоподобным клеткам Caco-2. Кроме того, монослой дифференцированных клеток Caco-2, обработанный супернатантами, содержащими ГАМК, ослаблял воспалительную реакцию и увеличивал выработку белков плотного соединения. Полученные результаты продемонстрировали возможность разработки новых функциональных молочных продуктов и напитков, которые могут быть полезны для модуляции и подавления иммунологических реакций, приводящих к клинически значимым воспалительным состояниям в пищеварительной системе.
Одна из технических проблем, связанных с получением достаточного количества бактериоцинов для фундаментальных и прикладных исследований, заключается в том, что они синтезируются в малых количествах местными штаммами-продуцентами. В группе Lactococcus, по данным Telke et al., Lactococcus garvieae KS1546 продуцирует бактериоцин гарвицин, который активен в отношении клинически значимых бактерий. Комбинируя различные стратегии, включая генную инженерию, модифицируя культуральные среды и условия, авторы получили штамм KS1546, в котором синтез гарвицина был увеличен в 2000 раз.
Значительный интерес представляет также оптимизация роста полезных микроорганизмов в естественных нишах с помощью "вспомогательных" микроорганизмов. С этой целью в работе Xu et al. было показано, что добавление Lactobacillus plantarum и L. buchneri в кукурузный силос способствует размножению местных полезных видов Lactobacillus, подавляя при этом рост других видов. Интересно, что в ходе исследования также было установлено, что кукурузный силос, обработанный L. plantarum и L. buchneri, увеличивал выход метаболитов, обладающих антимикробной и антиоксидантной активностью, а также биологически активных соединений, способных снижать уровень холестерина и помогать бороться с депрессией.
Еще одна интригующая группа микроорганизмов представлена Bacillus spp., которая продуцирует метаболиты, представляющие интерес для пищевой, фармацевтической и ветеринарной промышленности. Учитывая это, Caulier et al. представляют своевременный обзор антимикробных метаболитов, продуцируемых группой Bacillus subtilis, и предлагают систему классификации, основанную на путях биосинтеза - рибосомальные пептиды (РП), нерибосомальные пептиды (НРП), летучие вещества, поликетиды (ПК), соединения и гибриды между ПК и НРП, а также на химической природе этих микроорганизмов.
Помимо антимикробных препаратов, виды Bacillus и актинобактерий синтезируют соединения, полезные для растений, а их симбиотическое взаимодействие с растениями приводит к образованию биомолекул широкого применения. Ek-Ramos et al. представили полный обзор метаболитов, продуцируемых эндофитами Bacillus и актинобактерий. Среди этих метаболитов - ароматические соединения, липопептиды, растительные гормоны, способствующие росту растений, полисахариды, ферменты и другие соединения, которые потенциально могут найти применение в сельском хозяйстве, а также в ветеринарии и медицине.
По сравнению с гидратированными биомами, исследований микробной конкуренции в аридных почвах было проведено сравнительно меньше. В работе Nasfi et al. было обнаружено, что доминирующими видами в аридной ризосфере являются Bacillus sp. Интересно, что 93% изолятов были активны в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий. Среди этих изолятов перспективной антимикробной активностью в отношении грамотрицательных бактерий обладал Bacillus sp. M2. Ингибирующая активность была обусловлена органическим соединением 1-ацетил-β-карболином, который также обладает противоопухолевыми, противовирусными и противопаразитарными свойствами. Bacillus sp. M2 также продуцирует фунгициды, такие как бацилломицин, фенгицин и сурфактин, которые могут быть полезны для борьбы с другими организмами. Так, в работе Rodriguez et al. показано, что Bacillus atrophaeus продуцирует липопептиды, включая сурфактины, фенгицины и бацилломицины, которые повреждают кутикулярную мембрану и снижают кормовую способность тли Rhopalosiphum padi, наносящей значительный экономический ущерб зерновым культурам.
Грамположительные бактерии также могут быть использованы в качестве фабрик микробных клеток для производства метаболических предшественников биомолекул, которые могут использоваться для лечения таких заболеваний человека, как рак. Abdallah et al. успешно произвели таксадиен, предшественник таксола, с помощью метаболической инженерии B. subtilis 168, трансформировав этот штамм для получения таксадиен-синтетазы (TXS). TXS превращает геранилгеранилпирофосфат (GGPP) в такса-4,11-диен. Более того, дополнительно сконструировав TXS-продуцирующую B. subtilis для экспрессии генов ispA и crtE и синтетического оперона, увеличивающего поступление и поток предшественника GGPP, они увеличили производство таксадиена в 81 раз.
Наконец, в фармацевтической и химической промышленности все большее значение приобретают малые молекулы, такие как пипеколиевая кислота или L-PA, поскольку эти соединения играют важную роль в синтезе специфических аминокислот, нейромедиаторов, а также в иммунной защите растений от бактериальных патогенов. Эти метаболиты могут быть синтезированы культурой Corynebacterium glutamicum. Понимание физиологической функции L-PA на микробных фабриках необходимо для их коммерческого развития. Pérez-Garcia et al. показали, что внешнее добавление L-AP в культуральную среду или его синтез de novo благоприятствует росту бактерий в условиях гиперосмотического стресса и что пролин-пермеаза ProP и механочувствительный канал YggB участвуют в экспорте и импорте L-PA.
В заключение следует отметить, что грамположительные бактерии остаются ресурсом секретируемых биомолекул, включая антимикробные метаболиты, липопептиды, метаболиты (ГАМК, 1-ацетил-β-карболин) и органические кислоты, которые не только естественным образом влияют на создание и поддержание разнообразных экологических ниш, но и находят широкое применение в медицине человека и животных, защите растений и пищевой промышленности. Современные разработки в области генетических манипуляций, направленные на инженерию грамположительных бактерий с целью их использования в качестве микробных фабрик для экспрессии белков или метаболитов, имеющих биотехнологическое применение, являются интригующими. Несмотря на то, что в рамках данного обзора были рассмотрены, пожалуй, наиболее значимые ресурсные виды - Lactococcus, Lactobacillus и Bacillus, очевидно, что текущие и будущие исследования менее изученных микроорганизмов, включая Geobacillus, несомненно, позволят выявить новые метаболиты, секретируемые широким спектром грамположительных бактерий, которые могут быть использованы в прикладных целях.
