Streptomyces avermitilis
Актиномицет Streptomyces avermitilis принадлежит к семейству Стрептомицеты (Streptomycetaceae). Это грамположительные нитевидные почвенные бактерии, характеризующиеся двумя основными параметрами:
Подробно о морфологии и биологии актиномицетов рода Streptomyces – в статье «Род Streptomyces».
Физические и химические свойства
Авермектины – 16-членные макроциклические лактоны, обладающие широким спектром противопаразитарного действия при высоком терапевтическом индексе и безвредности для млекопитающих[3].
В естественных условиях Streptomyces avermitilis продуцирует все восемь (А1a, А1b, А2а, А2b, B1a, B1b, В2a и В2b) известных структурно родственных авермектинов. Наиболее активны против возбудителей паразитов авермектины группы В1[3].
Полипетидная структура авермектинов образована из семи ацетатных, пяти пропионатных радикалов и одного радикала 2-метилмасляной кислоты (изобутиловой кислоты), образующей изопропильную группу, присоединённую с С25 спирокетальной части[7].
Агликон (часть молекулы высокомолекулярных углеводосодержащих соединений, в которой углеводы отсутствуют) авермектина дополнительно модифицируется гликозилированием по С13 с присоединением двух o-метилированных остатков олеандрозы и о-метилирование при С5. Таким образом все восемь различных комбинаций авермектина, являются результатом вариабельности в положениях С5, С22, 23 и С25. (фото «Общая формула авермиктинов»)[7].
В молекулах разных авермектинов содержится 46–48 атомов углерода, 70–72 атома водорода, 14–15 атомов кислорода. Молекулярная масса варьирует от 845,1 до 891,1[4].
Авермектины нерастворимы в воде (поэтому не способны транспортироваться по сосудистой системе растений), стабильны при хранении, слабо передвигаются в почве, разлагаются микроорганизмами, не накапливаются в окружающей среде[4].
Авермектины трансламинарны и при опрыскивании быстро проникают в ткань листа, создавая в нем своеобразный запас вещества, что повышает их активность против минирующих вредителей. Быстрое исчезновение с листовой поверхности (период полураспада менее 4 часов) обеспечивает относительную безопасность для пчел и полезных насекомых[4]. Авермектины устойчивы к осадкам в течение нескольких часов после обработки[4].
Авермектины эффективно действуют на вредителей при температурах 18–20 °С, а при температурах свыше 28 °С их эффективность возрастает[5].
Паутинный клещ
Действие на вредные организмы
Авермектины обладают мощной активностью против экто- и эндопаразитических организмов. Препараты с действующими веществами класса авермектины эффективны в борьбе с паразитическими организмами в сфере ветеринарии, защиты растений, инфекций человека[7].
. Авермектины относятся к препаратам, нарушающим функцию нервной системы
[4]. Уникальная способность авермектинов подавлять развитие насекомых, нематод и клещей связана с возможностью блокировать передачу нервного импульса в нервно-мышечном синапсе. Сущность этого
механизма действия, приводящего к параличу и гибели паразитов, заключается в стимуляции выброса ионов хлора, деполяризации мембраны клеток и патологическом нарушении ее функций
[3].
По классификации механизмов действия IRAC (Комитет по борьбе с устойчивостью к инсектицидам / Insecticide Resistance Action Committee) авермектины относят к группе 6 – аллостерические модуляторы глумат-зависимых хлоридных каналов (Glutamate-gated chloride channel (GluCl) allosteric modulators)[8].
Механизм действия авермектинов и близкородственных к ним мильбемицинов (milbemycins) – необратимое открытие хлоридных каналов в мышечных мембранах. Ранее предполагалось, что такие хлоридные каналы связаны с рецепторами гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), но позднее было установлено, что авермиктины воздействуют именно на глутамин-зависимые хлоридные каналы. Такой механизм объясняет эффективность действия данных соединений и на круглых червей (нематод), и на членистоногих[7].
Предполагается, что у нематод авермектины блокируют активность, связанную с функцией глотки и непосредственно питанием, регулированием гидростатического давления и/или секрецией, что вызывает паралич паразита и способствуя его выведению из организма хозяина[7].
У насекомых авермектины аллостерически активируют глутамат-зависимые хлоридные каналы (GluCls), вызывая паралич, поскольку глутамат является важным ингибирующим нейромедиатором у насекомых[8]. В результате замедляется передача импульсов, насекомые быстро теряют подвижность. Максимальный эффект наблюдается через три – четыре дня после обработки[4].
У млекопитающих использование хлоридных каналов в качестве нейромедиаторов ограничено центральной нервной системой. Как следствие, считается, что гематоэнцефалический барьер препятствует попаданию препарата в хлоридные каналы, управляемые глютамином. Это объясняет превосходный терапевтический индекс и профиль безопасности авермектинов. Сочетание такой мощной активности в отношении широкого спектра паразитов и очень безопасного действия на млекопитающих сделало авермектины самым успешным противопаразитарным продуктом, когда-либо разработанным для применения в ветеринарии[7].
. Паралич, а затем гибель особей чувствительных
видов вредителей[4].
. Авермектины поражают широкий спектр
вредителей различных культурных растений, в том числе
чешуекрылые,
клещи, минирующие насекомые,
листоблошки,
трипсы настоящие,
трипсы трубкохвостые[4]. Подробнее – в статьях «
Абамектин», «
Аверсектин С», «
Авертин N», «
Эмамектин бензоат».
Классы химических соединений, по механизму действия – аллостерические модуляторы глутамат-зависимых хлоридных каналов (GluCl) (группа 6 по классификации IRAC):
-
авермектины (avermectins);
-
мильбемицины (milbemycins).
. Таким же
механизмом действия, как и авермектины характеризуется только один химический класс соединений – мильбемицины (milbemycins). Это объясняет эффективность данной группы препаратов против популяций насекомых, клещей и нематод, сформировавших
резистентность к другим соединениям и отсутствие формирования перекрёстной
резистентности[4].
Установлено, что авермектины в настоящее время недостаточно эффективны в отношении некоторых групп насекомых. Так из зарубежных литературных источников известно:
- у рыжих тараканов (Blattella germanica) из мультирезистентных популяций в лабораторных условиях была выявлена толерантность или резистентность к абамектину при кишечном пути его поступления в организм и толерантность или резистентность к абамектину при его нанесении непосредственно на насекомых;
- обнаружены популяции головных вшей (Pediculus humanus capitis) с низким уровнем толерантности, а абамектрину;
- у природных популяций кровососущего комара Aedes albopictus, выявлена резистентность к бензоату эмамектина, сформировавшаяся возможно из-за массового применения этих инсектицидов в сфере сельского хозяйства;
- в природных условиях обнаружены толерантные к ивермектину (получинтетическому производному абамектина) комары Aedes aegypti, уровень толерантности к ивермектину у комаров этого вида в условиях лаборатории удалось повысить в два раза у рас, предварительно подвергнутых их селекции перметрином;
- личинки комаров Culex quinquefasciatus из лабораторных рас, селектированных спиносадом, обладали достаточно высоким уровнем перекрёстной резистентности к абамектину;
- при лабораторной селекции перметрином мультирезистентная раса комнатной мухи (Musca domestica) стала толерантной к абамектину при его нанесении непосредственно на насекомых;
- в США природные популяции комнатной мухи, устойчивые к ФОС и пиретроидам, обладали невысокой толерантностью к абамектину;
- в Венгрии, где ивермектин ранее никогда не применяли для борьбы с комнатными мухами, у ряда мультирезистентных популяций была обнаружена резистентность и к этому соединению;
- при селекции мух природной популяции в США методом топикального нанесения через 7 этапов селекции в течение 24 поколений получили высокорезистентную к абамектину расу;
- в Пакистане методом группового кормления установлена высокая устойчивость природных мультирезистентных популяций комнатных мух к абамектину и бензоату эмамектина[1]
Анализ чувствительности и устойчивости к ивермектину демонстрирует, что резистентность к нему у паразитов связана с мутацией генов, детермирующих синтез субъединиц GluCl (glc-1, avr-14 и avr-15), и повышеной экспрессии генов P-гликопротеина[3].
Чувствительность собак породы колли к ивермектину и моксидоктину обусловлена мутацией гена MDR1, отвечающего за образование P-гликопротеина – обязательного компонента гематоэнцефалического барьера. Последний играет важную роль в сохранении данного барьера и предотвращает проникновение препарата в головной мозг. Мутация в гене этого белка приводит к проникновению лактонов через гематоэнцефалический барьер млекопитающих[3].
В ряду авермектинов наблюдается определенная специфичность в формировании резистентности в зависимости от структуры соединения. В частности, возможно формирование перекресной резистентности к ивермектину и дорамектину. Во многих случаях дорамектин проявляет высокую активность при резистенции к авермектинам[3]. Установлено, что увеличение концентрации нейромедиатора ГАМК при кормлении паутинного клеща Tetranychus cinnabarinus экзогенным ГАМК или подавлении экспрессии гена ГАМК-трансаминазы определяет появление резистентности у подопытных особей вредителя к абамектину[3].
:
- соблюдения регламента применения инсектицидов с действующими веществами авермектины;
- проведение периодического мониторинга популяций членистоногих, имеющих медицинское и санитарно-гигиеническое значение на устойчивость к соединениям класса авермектины;
- ротация инсектицидов и акарицидов с действующими веществами различного механизма действия[1][4].
При обработке инсектицидами и акарицидами с действующими веществами класса авермектины следует избегать чередования с пестицидами, содержащими соединения химического класса мильбемицины (milbemycins)[8].
. Авермектины не фитотоксичны для растений
[4].
Авермектины
действующие вещества
Применение
Авермектины в сфере защиты растений применяются в качестве действующих веществ инсектицидов и акарицидов. На территории России зарегистрированы пестициды с действующими веществами: абамектин, аверсектин, авертин N, Эмамектин бензоат[2].
Авермектины хорошо действуют на вредителей при температурах 18–20 °С, а при температурах выше 28°С их эффективность возрастает в 2 раза[6].
Срок защитного действия авермектинов – 5–7 дней. В условиях защищенного грунта они достаточно быстро теряют токсичность[6].
Подробнее – в статьях «Абамектин», «Аверсектин С», «Авертин N», «Эмамектин бензоат».
Токсикологические свойства и характеристики
Авермектины, разрешенные к применению в качестве действующих веществ инсектицидов, акарицидов, нематицидов относятся к высоко опасным и умеренно опасным веществам (2 – 3 класс опасности) по отношению к человеку и млекопитающим и высоко опасными (1 класс опасности) – по отношению к пчелам[2].
Авармектины опасны при вдыхании паров, попадании на кожу,вызывают раздражение глаз[4].
При работе с ними нельзя допускать в зону обработки детей, поскольку токсичность авермектинов зависит от возраста человека, они опаснее людям до 21 года[6].
. Авермектины токсичны для большинства водных беспозвоночных и рыб
[6].
. Авермектины сильно поглощаются почвой, почти не передвигаются по профилю, из почвы в растение не поступают. Период полураспада (ДТ
50) составляет 1–7 дней
[6].
– не накапливаются, поскольку не обладают
системным действием
[6].
Подробнее – в статьях «Абамектин», «Аверсектин С», «Авертин N», «Эмамектин бензоат».
Получение
Технология полного химического синтеза авермектинов на данный момент не разработана. Все предложенные варианты имеют сложную схему синтеза и низкий выход целевого продукта, не более 0,08 %[3].
Практически используются два пути получения авермектинов: микробиологический и методы синтетической биологии[3].
Микробиологический синтез
Традиционные технологии получения авермектинов – микробиологические, их суть заключается в:
- в получении высокопродуктивных штаммов Streptomyces avermitilis, продуцирующих преимущественно авермектины B1;
- оптимизации питательных сред для культивирования продуцента;
- производство полусинтетических аналогов авермектинов В1 с улучшенными физико-химическими и фармакологическими свойствами[3].
Микробиологический синтез авермектинов ставит целью получение высокопроизводительных штаммов, образующих авермектиновый комплекс с преобладанием В1 и подавленным синтезом олигомицетов, отрицательно влияющих на развитие Streptomyces avermitilis[3].
При селекции высокоактивных продуцентов применяется мутагенное воздействие на споры стрептомицетов корткоимпульсным рентгеновским излучением с энергией квантов 80-160 КэВ м, УФ-облучение, азотистая кислота, N-метил-N”-нитро-N-нитрозогуанидин, этилметансульфонат, другие традиционные и новые мутагены[3].
Характерно, что при весьма интенсивной селекционной работе с продуцентами авермектинов практическое применение находят только единичные штаммы[3].
Типичная технология получения аверментиного комплекса предусматривает культивирование продуцента в качалочных колбах (250 и 750мл) или ферментерах (250 л). Данную технологию усовершенствуют, изменяя геном штаммов или внося в среду компоненты, оказывающие влияние на метаболизм продуцента. Например, в присутствии антиметаболита синефунгина, ингибирующего превращение авермектинов B в авермектины A, доля авермектинов B, продуцируемых культурой Streptomyces avermitilis NRRL 8165, от их общего количества достигала 77 %[3].
Способны регулировать соотношение компонентов В и А в авермектиновом комплексе различные аминокислоты. По окончании культивирования концентрат продукта экстрагируют органическим растворителем, не смешивающимся с водой (это может быть этилацетат) или смесью растворителей, состоящей из воды и низко- (пропанол, этанол) и высококипящих (ПЭГ-200) растворителей, смешивающихся с водой без ограничения[3].
Полусинтетические авермектины – производные авермектинов и мильбемицинов включают этапы микробиологического синтеза и химической модификации. Стратегия химической модификации определяется сведениями о биологической активности компонентов авермектинового и мильбемицинового комплексов, обладающих противопаразитарной активностью[3].
Методы синтетической биологии
Методы синтетической биологии в сочетании с органическим синтезом – новый способ усовершенствования авермектиноподобных субстанций[3].
Путем замены участков ДНК в кластере генов биосинтеза авермектинов у промышленного штамма Streptomyces avermitilis NA-108 фрагментом из кластера биосинтеза мильбемицинов у штамма Streptomyces bingchenggensis создан высокопроизводительный штамм Streptomyces avermitilis AVE-T27 с выходом биосинтетического ивермектина 3450±65 мкг/мл[3].
Полусинтетический ивермектин получают реакцией гидрирования 22,23-двойной связи абамектина в присутствии катализатора Уилкинсона. При замене участков ДНК в кластере генов биосинтеза авермектинов на фрагменты из кластера биосинтеза мильбемицинов сконструирован штамм Streptomyces аvermitilis AVE-H39, синтезирующий два новых ивермектиноподобных метаболита, содержащих метильный (выход 2093±61 мкг/мл) и этильный (выход 951±46 мкг/мл) радикалы в положении С25. Их биоцидная активность против Caenorhabditis elegans (свободноживущая почвенная нематода) в 2,5 раза выше, чем у мильбемектина[3].
История
Авермектины более 35 лет успешно применяются в терапии и профилактике паразитарных болезней человека, животных, в защите растений. Ежегодный объем продаж авермектиновых субстанций превышает 850 млн USD[3].
Авермектины были выделены из почвы в 1978 году Сатоси Омуро. Инсектицидные и акарицидные свойства соединений данного класса исследовал Уильям Кэмпбел – специалит фирмы «Мерк и Ко»[3].
В 1984 году Остинд и Лэгг (Ostind, Lagg, 1984) получили авермектины синтетическим путем[3].
Первоначально авермектины были выделены как агенты, способные убивать нематод. Вскоре стало ясно, что эти соединения обладают широким спектром активности не только против практически всех видов нематод, но и против круглых червей, обитающих в организме млекопитающих, включая желудочно-кишечный тракт, легкие, сердце и глаза, а также против эктопаразитов, таких как клещи, кусачие мухи[7].
Современные промышленные штаммы генеалогически происходят от дикого типа Streptomyces avermitilis MA-4680 (штамм NRRL 8165; NCIMB 12804), японского изолята из почвы. Он дипонирован под разными номерами в коллекциях микроорганизмов различных стран[3].
Прародитель российских продуцентов авермектинов – штамм ВКМ Ac-1301 из Всероссийской коллекции микроорганизмов. Более поздние штаммы получены путем отбора спонтанных и индуцированных физическими (уф- излучения, рентгеновское излучение) или (и) химическими (азотистый иприт, метилметанолсульфонат) агентами мутантов, либо путем усовершенствования продуцента методами генной инженерии[3].
Примером может служить штамм Streptomyces аvermitilis MA-4848, продуцирующий восемь известных авермектинов. Он получен в США с помощью УФ-мутагенеза с использование лиофилизированной суспензии родительского штамма MA-4680 (АТСС 31267), оптимизации состава питательной среды и условий культивирования. Выход авермектинового комплекса у данного штамма – 500 мг/мл, относительное содержание В1 около 35 %. Данная композиция носит название С-076, обладает нематоцидным, акарицидным и инсектицидным действием. Штамм MA-4848 в лиофилизированной и замороженной формах депонирован под названиями соответственно АТСС 31271 и АТСС 31272 (патент 1981 года), в дальнейшем его производительность была повышена до > 9000 мкг/мл при содержании авермектина В1 до 95 % и более[3].
В России получен штамм Streptomyces аvermitilis ВНИИСХМ 56 выход по авермектиновому комплексу в среднем 500 мкг/мл, на долю группы B (В1 + В2) приходится до 50–70 %[3]. Полученные при селекции продуценты не синтезируют токсичный олигомицин, содержащийся в значительном количестве в экстракте мицелия исходного штамма ВКМ Ас-1301[3].
Первый отечественный препарат Аверсект-1 (МГП «Бифидум» при НПО «Биотехнология», г. Москва), зарегистрированный в 1992 году Главным управлением ветеринарии МСХ РФ, включал авермектины штаммов Streptomyces аvermitilis 198 (ВНИИСХМ 50) и ВНИИСХМ 51, отобранных ступенчатой селекцией из Streptomyces аvermitilis ВКМ Ас 1301. Из этих штаммов при отборе получили ВНИИСХМ 54 и ВНИИСХМ 56 с производительностью 400-500 мкг/мл. Описываемые штаммы составили основу для отбора более активных продуцентов и продолжают использоваться.
В промышленном производстве препаратов с действующим веществом группы авермектины в настоящее время используются штаммы Streptomyces аvermitilis: G8-17, SA-01, AV-LP, A-144, A-178, NA-108 (Китай), продуцирующие абамектин, ВКПМS-1440, ВНИИСХМ 56 (Россия), синтезирующие известный авермектиновый комплекс[3].
Статья составлена с использованием следующих материалов:
Литературные источники:
1.Алексеев М.А. Чувствительность популяций насекомых к авермектинам. Сборник статей V Международной конференции. Концептуальные и прикладные аспекты научных исследования и образования в области зоологии беспозвоночных 26–28 октября 2020 г., г. Томск, Россия, УДК 57.014 DOI: 10.17223/978-5-94621-931-0-2020-61, стр 239 – 243.
Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2024 год. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации (Минсельхоз России)
Джафаров М.Х., Василевич Ф.И., Мирзаев М.Н. Получение Авермектинов: биотехнологии и органический синтез (обзор) Сельскохозяйственная биология 2019, том 54 , № 2, с. 199-215.
Зинченко В.А. Химическая защита растений: средства, технология и экологическая безопасность. – М.: «КолосС», 2012. – 127 с.
Козлов С.Н., Кажарский В.Р. Методы и средства защиты растений. Химические средства защиты овощных, плодовых и ягодных культур от вредителей, Учебно-методическое пособие. — Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2019. — 310 с.
Попов С.Я. Основы химической защиты растений. Попов С.Я., Дорожкина Л.А., Калинин В.А./ Под ред. профессора С.Я Попова. - М.: Арт-Лион, 2003. - 208 с.
7.Kirst H.A., Yeh W-K., Zmijewski M.J. Jr. (eds.) Enzyme Technologies for Pharmaceutical and Biotechnological Applications, Handbook. – New York, Marcel Dekker, Inc. 2001 – 611 p.
Источники из сети интернет:
8.Изображения (переработаны):
9.
Свернуть
Список всех источников
Оставьте свой отзыв:
Отзывы:
Комментарии для сайта Cackle