1. Огляд літератури

1.1. Загальна характеристика представників роду Pseudomonas

Представники роду Pseudomonas належать до грамнегативних бактерій паличкоподібної форми, які входять до групи γ-протеобактерій. Грамнегативність означає, що їхня клітинна стінка має тонкий шар пептидоглікану та зовнішню мембрану, яка підвищує стійкість клітини до низки зовнішніх чинників і впливає на взаємодію бактерії з середовищем. Рухливість більшості псевдомонад забезпечується полярними джгутиками, тобто джгутиками, розташованими на одному або обох полюсах клітини. І. Саманта та С. Бандйопадхьяй характеризують Pseudomonas як екологічно поширену групу бактерій, представники якої трапляються у ґрунтах, поверхневих і ґрунтових водах, ризосфері рослин, а також в організмах тварин і людини (Samanta & Bandyopadhyay, 2020).

Рід Pseudomonas є таксономічно й екологічно різноманітним. До нього належать як умовно-патогенні види, зокрема Pseudomonas aeruginosa, так і види з вираженим біотехнологічним або агрономічним значенням, наприклад Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida та Pseudomonas chlororaphis. Така різноспрямованість властивостей пояснюється високою метаболічною пластичністю псевдомонад, тобто здатністю використовувати різні джерела вуглецю, адаптуватися до змін складу середовища та синтезувати сполуки, які забезпечують виживання в конкурентних мікробних угрупованнях. У публікації Л. Вакетта рід Pseudomonas розглядається як важливий об’єкт біотехнологічного інтересу, що пов’язано з різними напрямами його прикладного використання у мікробній біотехнології (Wackett, 2022).

Важливою особливістю псевдомонад є здатність розкладати широкий спектр органічних сполук, зокрема компоненти нафтових забруднень, пестициди та інші ксенобіотики. А. Афонсу, Б. Джонко-Кано, А. Симіонато та співавтори розглядають мікробні біоактивні сполуки як важливий інструмент у контролі хвороб рослин, зокрема через здатність мікроорганізмів продукувати речовини з антагоністичною дією щодо фітопатогенів (Afonso et al., 2021). Біоремедіаційний потенціал цих бактерій пов’язаний не лише з наявністю специфічних ферментів, а й із гнучкими регуляторними системами, які дозволяють перебудовувати метаболізм відповідно до доступних субстратів і стресових чинників середовища (Samanta & Bandyopadhyay, 2020).

Отже, представники роду Pseudomonas є грамнегативними рухомими бактеріями з високою екологічною пластичністю. Їхня здатність заселяти різні екологічні ніші, використовувати широкий спектр органічних речовин і синтезувати біоактивні метаболіти визначає значення цього роду для ґрунтової мікробіології, біоремедіації, захисту рослин і промислової біотехнології.

1.1.1. Вторинні метаболіти псевдомонад

Вторинні метаболіти псевдомонад – це біологічно активні сполуки, які не є безпосередньо необхідними для базового росту клітини, проте забезпечують адаптацію бактерій до складних умов існування. Вони беруть участь у міжмікробній конкуренції, пригніченні патогенних організмів, захопленні дефіцитних елементів живлення, формуванні біоплівок і взаємодії з рослинами. До таких сполук належать феназини, антибіотики, циклічні ліпопептиди, рамноліпіди, полікетиди та сидерофори.

Однією з найважливіших груп вторинних метаболітів Pseudomonas є феназини. Б. Серафім, А. Бернардіно, Ф. Фрейташ і К. Торреш характеризують феназини як азотовмісні ароматичні гетероциклічні сполуки з широким спектром біологічної активності, зокрема антибактеріальною, протигрибковою, інсектицидною та цитотоксичною дією (Serafim et al., 2023). Найвідомішим феназином Pseudomonas aeruginosa є піоціанін, який має синьо-зелене забарвлення, здатний брати участь у редокс-реакціях і може пошкоджувати клітини конкурентних мікроорганізмів або клітини хазяїна. За даними Б. Серафіма та співавторів, представники роду Pseudomonas продукують значну частину відомих феназинових сполук, що підкреслює їхню роль як важливих продуцентів біоактивних молекул (Serafim et al., 2023).

Синтез феназинів у псевдомонад регулюється не лише на рівні генів біосинтезу, а й через складні регуляторні системи. Б. Рен, Х. Шен, З.-Дж. Лу, Х. Лю та Ю. Сюй показали, що в Pseudomonas aeruginosa M18 транскрипт phzA2-G2, пов’язаний із біосинтезом феназинів, зазнає прямої активації з боку RsmA – регуляторного білка, який впливає на посттранскрипційний контроль бактеріального метаболізму (Ren et al., 2014). Це означає, що продукція феназинів залежить не тільки від наявності відповідних біосинтетичних генів, а й від регуляторних механізмів, які координують синтез вторинних метаболітів відповідно до умов середовища.

Крім феназинів, псевдомонади продукують інші антибіотичні та антагоністичні сполуки. Зокрема, окремі штами Pseudomonas fluorescens синтезують 2,4-діацетилфлороглюцинол – сполуку, що має протигрибкову активність і бере участь у пригніченні фітопатогенів. А. Афонсу та співавтори зазначають, що біоактивні метаболіти бактерій, зокрема сполуки, які продукують псевдомонади, можуть використовуватися у біологічному контролі хвороб рослин як альтернатива або доповнення до хімічних засобів захисту (Afonso et al., 2021).

Важливе місце серед метаболітів псевдомонад посідають рамноліпіди – поверхнево-активні речовини, які належать до біосурфактантів. Дж. Чжоу, Ж. Сюе, С.-Л. Лю та співавтори досліджували продукцію дірамноліпідів у Pseudomonas aeruginosa KT1115 і показали значення оптимізації умов культивування для підвищення їхнього виходу (Zhou et al., 2019). Біосурфактанти знижують поверхневий натяг, полегшують емульгування гідрофобних речовин і тому мають значення для біоремедіації нафтових забруднень, промислової біотехнології та формування біоплівок.

Окрему функціональну групу становлять сидерофори – низькомолекулярні залізозв’язувальні сполуки, які бактерії виділяють за умов дефіциту доступного заліза. Л. Чжан, В. Чень, Ц. Цзян, Ц. Фей і М. Сяо у геномному аналізі Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca JD37 пов’язують наявність генетичних детермінант синтезу сидерофорів із властивостями рослинно-асоційованих бактерій, здатних стимулювати ріст рослин і конкурувати з фітопатогенами за залізо (Zhang et al., 2020). Завдяки сидерофорам псевдомонади можуть ефективно вилучати залізо із середовища, обмежуючи доступ до нього для інших мікроорганізмів і водночас забезпечуючи власні метаболічні потреби.

Сучасні геномні дослідження підтверджують, що біосинтетичний потенціал псевдомонад не обмежується вже відомими сполуками. П. Таманг, А. Упадхая, П. Паудел та співавтори, використовуючи повногеномне секвенування Pseudomonas vancouverensis, виявляли біосинтетичні генні кластери, які можуть бути пов’язані з продукцією нових або недостатньо вивчених вторинних метаболітів (Tamang et al., 2024). Це свідчить про перспективність геномного аналізу для пошуку нових антибіотичних, протигрибкових або біотехнологічно цінних сполук серед представників роду Pseudomonas.

Отже, псевдомонади синтезують широкий спектр вторинних метаболітів, зокрема феназини, антибіотичні сполуки, рамноліпіди та сидерофори. Їхня роль полягає не лише у пригніченні конкурентних мікроорганізмів, а й у забезпеченні доступу до поживних елементів, адаптації до стресових умов, формуванні біоплівок і взаємодії з рослинами. Саме різноманіття вторинного метаболізму є однією з ключових причин екологічної успішності та біотехнологічної цінності роду Pseudomonas.

1.1.2. Електрогенні властивості та позаклітинний перенос електронів серед псевдомонад

Електрогенні властивості бактерій пов’язані з їхньою здатністю передавати електрони за межі клітини до зовнішніх акцепторів. Такий процес називають позаклітинним переносом електронів. У природних умовах зовнішніми акцепторами можуть бути оксиди металів або інші редокс-активні сполуки, а в лабораторних і прикладних біотехнологічних системах – аноди мікробних паливних елементів. Мікробні паливні елементи – це біоелектрохімічні системи, у яких бактерії окиснюють органічні речовини, а вивільнені електрони надходять на електрод і формують електричний струм.

Ф. Рабісо, М. Педріно, Ж.-П. Нарсізо та співавтори розглядають псевдомонади як перспективні мікроорганізми для мікробних паливних елементів, оскільки окремі їхні види здатні продукувати природні редокс-медіатори, які полегшують перенесення електронів від бактеріальної клітини до електрода (Rabiço et al., 2023). Особливо важливим у цьому контексті є Pseudomonas aeruginosa, який продукує феназини, зокрема піоціанін. Феназини можуть багаторазово переходити між окисненою та відновленою формами, завдяки чому виконують роль переносників електронів між клітинним метаболізмом і зовнішнім акцептором (Serafim et al., 2023).

Порівняно з класичними електрогенними бактеріями, такими як Shewanella або Geobacter, Pseudomonas aeruginosa зазвичай розглядають як слабший електроген, оскільки його електроактивність значною мірою залежить від секреції розчинних редокс-медіаторів, а не лише від прямого контакту клітини з електродом. Однак саме продукція феназинів надає цьому виду важливу перевагу: електрони можуть переноситися не тільки через клітинну поверхню, а й через молекули-посередники, які дифундують у позаклітинному середовищі. За даними Ф. Рабісо та співавторів, такі властивості роблять псевдомонади перспективними для розроблення синтетико-біологічних інструментів і біоелектрохімічних систем, спрямованих на генерацію електроенергії в мікробних паливних елементах (Rabiço et al., 2023).

Позаклітинний перенос електронів має значення не лише для прикладної біотехнології, а й для виживання бактерій у середовищах з обмеженою кількістю кисню. За умов дефіциту кисню клітина потребує альтернативних шляхів відведення електронів, які утворюються під час окиснення органічних субстратів. У таких умовах феназини можуть виконувати функцію редокс-буфера, тобто приймати й передавати електрони, підтримуючи енергетичний метаболізм бактеріальної клітини. Б. Серафім та співавтори підкреслюють, що феназини мають не лише антимікробну активність, а й важливе фізіологічне значення для самих бактерій-продуцентів, зокрема у процесах редокс-регуляції та адаптації до стресових умов (Serafim et al., 2023).

У мікробних паливних елементах псевдомонади можуть формувати біоплівки на поверхні анода. Біоплівка є структурованим угрупованням клітин, занурених у позаклітинний матрикс, який утримує клітини на поверхні та створює умови для накопичення редокс-активних метаболітів. Ф. Рабісо та співавтори зазначають, що здатність псевдомонад до утворення електроактивних біоплівок і продукції медіаторів перенесення електронів є важливою передумовою їхнього використання у біоелектрохімічних технологіях (Rabiço et al., 2023).

Отже, електрогенні властивості псевдомонад зумовлені насамперед синтезом феназинів та інших редокс-активних сполук, які забезпечують позаклітинний перенос електронів. Ця здатність має подвійне значення: у природних умовах вона допомагає бактеріям адаптуватися до середовищ із дефіцитом кисню, а в прикладному аспекті відкриває можливості для використання Pseudomonas у мікробних паливних елементах і біоелектрохімічних системах.

1.2. Біосинтетичні генні кластери для синтезу вторинних метаболітів представниками роду Pseudomonas

Сучасні геномні дослідження псевдомонад показують, що здатність цих бактерій синтезувати вторинні метаболіти значною мірою пов’язана з наявністю біосинтетичних генних кластерів. Біосинтетичний генний кластер – це група функціонально пов’язаних генів, які розташовані поруч у геномі та разом забезпечують синтез певної біоактивної сполуки або групи споріднених сполук. Такі кластери можуть містити гени ферментів біосинтезу, транспортних білків, регуляторних елементів і білків, які забезпечують стійкість самої бактеріальної клітини до власного метаболіту.

П. Таманг, А. Упадхая, П. Паудел та співавтори, використовуючи повногеномне секвенування Pseudomonas vancouverensis, показали, що геном цього виду містить різноманітні біосинтетичні генні кластери, пов’язані з потенційним синтезом нерибосомних пептидів, полікетидів, ацил-гомосерин-лактонів, циклодипептидів, бактеріоцинів і рибосомно синтезованих та посттрансляційно модифікованих пептидів (Tamang et al., 2024). Нерибосомні пептиди є сполуками, які утворюються не на рибосомах, а за участю великих ферментних комплексів NRPS, тому вони часто мають складну структуру і виражену антибіотичну, протигрибкову або сигнальну активність. Полікетиди синтезуються за участю ферментних систем PKS і також належать до важливих джерел природних антибіотиків, пігментів та інших біологічно активних речовин.

Геномне профілювання псевдомонад є особливо важливим тому, що не всі біосинтетичні кластери активно проявляються у стандартних лабораторних умовах. Частина з них може бути «мовчазною», тобто потенційно здатною до синтезу певної сполуки, але активованою лише за специфічних екологічних умов, наприклад за дефіциту поживних речовин, конкуренції з іншими мікроорганізмами або контакту з рослинним організмом. Саме тому методи genome mining, зокрема біоінформатичний пошук біосинтетичних генних кластерів у геномах бактерій, дають змогу прогнозувати метаболічний потенціал штамів ще до експериментального виділення конкретних речовин. П. Таманг та співавтори пов’язують такий підхід із пошуком нових біоактивних сполук у представників роду Pseudomonas (Tamang et al., 2024).

Подібні висновки отримано і під час аналізу геномів рослинно-асоційованих псевдомонад. Л. Чжан та співавтори у дослідженні Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca JD37 показали, що геном цього штаму містить генетичні детермінанти, пов’язані з ростостимулювальними властивостями, синтезом вторинних метаболітів і взаємодією з рослинами (Zhang et al., 2020). Це свідчить про те, що біосинтетичні кластери мають не лише хімічне або біотехнологічне значення, а й екологічну функцію, оскільки забезпечують псевдомонадам конкурентні переваги у ризосфері.

Б. Серафім та співавтори підкреслюють, що феназинові сполуки є однією з найбільш характерних груп вторинних метаболітів псевдомонад, а їхній синтез забезпечується спеціалізованими генними комплексами (Serafim et al., 2023). Отже, наявність у геномах Pseudomonas кластерів NRPS, PKS, феназинових оперонів, кластерів сидерофорів та інших біосинтетичних систем пояснює високу метаболічну гнучкість цього роду і його здатність продукувати широкий спектр біоактивних речовин.

Таким чином, біосинтетичні генні кластери є генетичною основою вторинного метаболізму псевдомонад. Їхнє різноманіття визначає здатність цих бактерій синтезувати антибіотики, пігменти, сидерофори, ліпопептиди, бактеріоцини та інші сполуки, які забезпечують виживання у конкурентних мікробних угрупованнях і створюють перспективи для пошуку нових біотехнологічно цінних продуктів.

1.2.1. Шляхи біосинтезу феназинів та регуляція цього процесу

Біосинтез феназинів у псевдомонад є одним із найбільш досліджених прикладів вторинного метаболізму. Феназини утворюються з хоризмату – проміжного продукту шікіматного шляху, який також бере участь у синтезі ароматичних амінокислот. Основний етап формування феназинового ядра забезпечує оперон phzA-G. Оперон – це група генів, які функціонально пов’язані між собою і транскрибуються як єдина регуляторна одиниця. У феназинпродукуючих псевдомонад гени phzA-G кодують ферменти, необхідні для перетворення хоризмату у феназин-1-карбоксилову кислоту, яка є базовим попередником для утворення інших феназинових похідних (Serafim et al., 2023).

Феназин-1-карбоксилова кислота є центральною сполукою, від якої відходять різні шляхи модифікації. Б. Серафім та співавтори зазначають, що подальші перетворення залежать від наявності специфічних модифікуючих ферментів, які змінюють структуру базового феназинового ядра і формують різні похідні з відмінними біологічними властивостями (Serafim et al., 2023). Зокрема, у Pseudomonas aeruginosa метилтрансфераза PhzM перетворює феназин-1-карбоксилову кислоту на 5-метилфеназин-1-карбоксилат, після чого флавін-залежна монооксигеназа PhzS бере участь в утворенні піоціаніну (Serafim et al., 2023). Піоціанін є редокс-активним пігментом, який може впливати на клітини інших мікроорганізмів і водночас брати участь у перенесенні електронів.

Інші ферменти забезпечують формування альтернативних феназинових похідних. PhzH каталізує перетворення феназин-1-карбоксилової кислоти у феназин-1-карбоксамід, тоді як PhzO пов’язаний із синтезом гідроксильованих феназинових похідних, зокрема 2-гідроксифеназин-1-карбонової кислоти та 2-гідроксифеназину (Serafim et al., 2023). Саме тому різні види і штами Pseudomonas можуть продукувати неоднаковий набір феназинів: базовий біосинтетичний шлях є подібним, однак кінцевий профіль метаболітів залежить від наявності додаткових модифікуючих генів.

Регуляція біосинтезу феназинів є багаторівневою, оскільки синтез таких сполук потребує значних енергетичних ресурсів і має активуватися лише тоді, коли це екологічно доцільно. Одним із ключових механізмів регуляції є quorum sensing – система міжклітинної комунікації бактерій, за допомогою якої клітини «оцінюють» густоту власної популяції через накопичення сигнальних молекул у середовищі. У псевдомонад такими сигналами часто є ацил-гомосерин-лактони. Коли їхня концентрація досягає певного порогу, активуються регуляторні білки, які запускають або посилюють експресію генів, відповідальних за синтез вторинних метаболітів. Б. Серафім та співавтори описують участь системи PhzI/PhzR у регуляції феназинового біосинтезу в окремих феназинпродукуючих псевдомонад (Serafim et al., 2023).

Крім quorum sensing, важливу роль відіграє глобальна регуляторна система GacS/GacA. Вона належить до двокомпонентних регуляторних систем, тобто складається із сенсорної кінази, яка реагує на зовнішні сигнали, і регуляторного білка, який змінює експресію відповідних генів. Через малі некодуючі РНК ця система впливає на білки родини Rsm, які беруть участь у посттранскрипційній регуляції бактеріального метаболізму. Б. Рен, Х. Шен, З.-Дж. Лу, Х. Лю та Ю. Сюй показали, що в Pseudomonas aeruginosa M18 RsmA може безпосередньо активувати транскрипт phzA2-G2, пов’язаний із синтезом феназинів (Ren et al., 2014). Це свідчить про те, що регуляція феназинового біосинтезу не обмежується лише запуском транскрипції, а охоплює також посттранскрипційний контроль.

Отже, біосинтез феназинів у псевдомонад забезпечується консервативним опероном phzA-G, який формує феназин-1-карбоксилову кислоту як центральний попередник. Подальші модифікації за участю PhzM, PhzS, PhzH, PhzO та інших ферментів зумовлюють різноманіття феназинових похідних. Регуляція цього процесу здійснюється через quorum sensing, систему GacS/GacA, малі некодуючі РНК та білки родини Rsm, що дозволяє псевдомонадам узгоджувати синтез феназинів із густотою популяції, доступністю ресурсів і умовами середовища.

1.2.2. Застосування псевдомонад у біотехнології та мікробних паливних елементах

Біотехнологічне значення представників роду Pseudomonas зумовлене поєднанням кількох властивостей, які роблять ці бактерії придатними для використання у прикладних мікробіологічних процесах. До таких властивостей належать здатність швидко адаптуватися до різних джерел вуглецю, витримувати зміну умов середовища, продукувати вторинні метаболіти, формувати біоплівки та брати участь у перенесенні електронів до зовнішніх акцепторів. Л. Вакетт розглядає Pseudomonas як важливий об’єкт біотехнологічного інтересу, що пов’язано з широким спектром напрямів, у яких ці бактерії можуть бути використані або досліджені як перспективні мікробні платформи (Wackett, 2022). У цьому контексті псевдомонади доцільно розглядати не лише як продуцентів окремих метаболітів, а як групу мікроорганізмів із комплексним потенціалом для біоелектрохімічних, промислових, екологічних та агробіотехнологічних процесів.

Одним із прикладних напрямів використання псевдомонад є мікробні паливні елементи. У таких системах мікроорганізми виконують роль біокаталізаторів: вони окиснюють органічні речовини, а електрони, що утворюються під час метаболічних реакцій, передаються на анод. Цінність Pseudomonas у цьому напрямі полягає не лише у здатності окиснювати органічні субстрати, а й у продукції редокс-активних сполук, які можуть виконувати функцію природних медіаторів перенесення електронів. Ф. Рабісо, М. Педріно, Ж.-П. Нарсізо, А. де Андраде, В. Реджинатто та М.-Е. Гваццароні дослідили новий вид Pseudomonas як перспективний для генерації електроенергії в мікробних паливних елементах і пов’язали його потенціал із можливістю використання синтетико-біологічного інструментарію для подальшого підвищення ефективності таких систем (Rabiço et al., 2023).

Практичне значення псевдомонад у мікробних паливних елементах пов’язане з можливістю використання доступних органічних субстратів. Зокрема, Ф. Рабісо та співавтори наводять дані про використання гліцерину, який є побічним продуктом виробництва біодизелю, як субстрату для електрогенних процесів за участю Pseudomonas (Rabiço et al., 2023). У дослідженні зазначено, що штам Pseudomonas sp. BJa5 під час використання гліцерину забезпечував щільність потужності до 39 мВт/м², що свідчить про можливість поєднання утилізації органічних відходів із біоелектрохімічним отриманням енергії (Rabiço et al., 2023). Такий підхід є важливим для екологічно орієнтованої біотехнології, оскільки дає змогу розглядати відходи не лише як проблему забруднення, а й як ресурс для мікробного перетворення.

Ефективність псевдомонад у мікробних паливних елементах залежить від їхньої здатності утворювати біоплівки на поверхні електродів. Біоплівка забезпечує просторову фіксацію клітин на аноді, стабілізує контакт між бактеріальною популяцією та електродною поверхнею, а також сприяє локальному накопиченню редокс-активних метаболітів. У випадку Pseudomonas aeruginosa важливу роль можуть відігравати феназини, зокрема піоціанін, оскільки ці сполуки здатні переходити між окисненою та відновленою формами і брати участь у перенесенні електронів (Serafim et al., 2023). Ф. Рабісо та співавтори пов’язують електроактивність окремих штамів Pseudomonas із продукцією природних редокс-медіаторів і формуванням біоплівок, що є важливою умовою функціонування біоелектрохімічних систем (Rabiço et al., 2023).

Водночас електрогенний потенціал псевдомонад не слід узагальнювати на весь рід без уточнення видової або штамової належності. Дані Ф. Рабісо та співавторів стосуються конкретних електроактивних представників Pseudomonas і показують, що перспективність таких бактерій у мікробних паливних елементах залежить від субстрату, здатності до утворення біоплівки, продукції медіаторів та умов культивування (Rabiço et al., 2023). Отже, для практичного використання важливим є не загальне твердження про електрогенність псевдомонад, а добір штамів із підтвердженими властивостями, оптимізація складу середовища і стабілізація роботи біоплівки на електроді.

Іншим важливим напрямом біотехнологічного застосування псевдомонад є отримання біосурфактантів. Біосурфактанти – це поверхнево-активні речовини мікробного походження, які знижують поверхневий і міжфазний натяг, емульгують гідрофобні речовини та можуть підвищувати доступність малорозчинних органічних сполук для мікробного розкладання. Найбільш відомими біосурфактантами, пов’язаними з Pseudomonas aeruginosa, є рамноліпіди. Дж. Чжоу, Ж. Сюе, С. Лю та співавтори дослідили Pseudomonas aeruginosa KT1115 як продуцент дірамноліпідів і показали, що оптимізація умов культивування може підвищувати вихід цих сполук (Zhou et al., 2019). Це підтверджує значення штамового добору та технологічної оптимізації для промислового отримання мікробних поверхнево-активних речовин.

Рамноліпіди мають прикладне значення тому, що можуть бути використані в галузях, де потрібні емульгувальні, змочувальні або поверхнево-активні властивості. За даними Дж. Чжоу та співавторів, рамноліпіди розглядаються як перспективні біопродукти для нафтової промисловості, косметичної галузі та харчових технологій (Zhou et al., 2019). У нафтовій промисловості їхня дія може бути пов’язана зі здатністю полегшувати взаємодію водної фази з гідрофобними компонентами, а в екологічних технологіях – із підвищенням доступності органічних забрудників для подальшого мікробного перетворення. При цьому цінність рамноліпідів визначається не лише фактом їхнього синтезу, а й можливістю регулювати співвідношення моно- і дірамноліпідів, продуктивність штаму та умови культивування, що впливає на практичну ефективність отриманого біопродукту (Zhou et al., 2019).

Біосурфактантна активність псевдомонад пов’язана також із біоремедіаційним потенціалом. Гідрофобні органічні забрудники, зокрема нафтові вуглеводні, часто є малодоступними для мікроорганізмів через низьку розчинність у водному середовищі. Поверхнево-активні сполуки можуть полегшувати їх емульгування, а отже створювати кращі умови для подальшої ферментативної деградації. У цьому аспекті рамноліпіди не потрібно розглядати ізольовано від метаболічної пластичності самих бактерій: ефективність процесу залежить від того, чи здатен конкретний штам не лише продукувати біосурфактант, а й використовувати відповідний субстрат або співіснувати з іншими мікроорганізмами у складі мікробного консорціуму. І. Саманта та С. Бандйопадхьяй пов’язують екологічне значення Pseudomonas із поширеністю цих бактерій у різних середовищах і здатністю брати участь у трансформації органічних речовин (Samanta & Bandyopadhyay, 2020).

Застосування псевдомонад у біоремедіації потребує врахування не лише їхньої здатності розкладати або трансформувати забрудники, а й умов, у яких ці властивості проявляються. На ефективність процесу впливають склад забруднення, доступність кисню, температура, рН, наявність інших мікроорганізмів, концентрація поживних речовин і стійкість штаму до токсичного впливу середовища. Саме тому перспективним є використання не випадкових ізолятів, а штамів із дослідженими метаболічними та генетичними характеристиками. У цьому контексті значення мають не лише експериментальні дані про ріст бактерій на певному субстраті, а й геномні відомості про наявність ферментативних систем, транспортних білків і регуляторних механізмів, які можуть забезпечувати адаптацію до забрудненого середовища.

Окремим напрямом біотехнологічного використання псевдомонад є агробіотехнологія, зокрема біологічний контроль хвороб рослин і підтримка функціонування ризосферного мікробіому. А. Афонсу, Б. Джонко-Кано, А. Симіонато та співавтори розглядають мікробні біоактивні сполуки як чинники, що можуть використовуватися в управлінні хворобами рослин і зменшенні залежності від хімічних засобів захисту (Afonso et al., 2021). Для Pseudomonas цей напрям пов’язаний із продукцією феназинів, сидерофорів, ліпопептидів, 2,4-діацетилфлороглюцинолу та інших речовин, здатних впливати на мікроорганізми-конкуренти в ризосфері. Такі сполуки можуть обмежувати розвиток фітопатогенів або змінювати умови мікробної конкуренції навколо кореневої системи рослин.

Рослинно-асоційовані штами Pseudomonas становлять особливий інтерес, оскільки їхня дія може поєднувати кілька механізмів: конкуренцію за поживні речовини, синтез антагоністичних метаболітів, продукцію сидерофорів і стимуляцію росту рослин. Л. Чжан та співавтори під час геномного аналізу Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca JD37 показали наявність генетичних ознак, пов’язаних із ростостимулювальними властивостями, біоконтрольною активністю та захисними реакціями (Zhang et al., 2020). Це дає підстави розглядати окремі штами Pseudomonas chlororaphis як перспективні для агробіотехнологічних досліджень, однак такі висновки стосуються конкретних досліджених штамів і потребують експериментального підтвердження для кожної системи «рослина – мікроорганізм – патоген».

У системах біологічного контролю важливе значення мають феназинові сполуки. Б. Серафім та співавтори систематизували дані про феназини Pseudomonas, зокрема їхні біосинтетичні шляхи, регуляцію, біологічну активність, біопродукцію та можливі сфери застосування (Serafim et al., 2023). Феназини можуть проявляти антибактеріальну, протигрибкову, редокс-активну та інші види дії, що пояснює інтерес до них як до біоактивних молекул. Водночас їхня активність не є однозначно «корисною» в усіх умовах: цитотоксичні властивості окремих феназинів означають, що практичне застосування таких речовин потребує оцінювання безпечності, концентраційного діапазону, вибірковості дії та можливого впливу на нецільові організми (Serafim et al., 2023).

Значення феназинів у біотехнології не обмежується біоконтролем. Завдяки редокс-активним властивостям вони можуть бути пов’язані з біоелектрохімічними процесами, зокрема з перенесенням електронів у мікробних паливних елементах. Поєднання даних про біологічну активність феназинів і даних про електроактивність окремих псевдомонад дозволяє розглядати ці сполуки як функціональні метаболіти подвійного значення: з одного боку, вони беруть участь у конкурентних взаємодіях бактерій, а з іншого – можуть сприяти перенесенню електронів до зовнішніх акцепторів у біоелектрохімічних системах (Rabiço et al., 2023; Serafim et al., 2023). Саме така багатофункціональність підвищує прикладний інтерес до феназинпродукуючих штамів, але водночас ускладнює їхнє безпечне та контрольоване використання.

Важливим інструментом для добору перспективних штамів Pseudomonas є геномний майнінг. У прикладному аспекті він дає змогу не лише описати вже відомі метаболіти, а й виявити прихований потенціал бактерій до синтезу нових сполук. П. Таманг та співавтори виявили біосинтетичні генні кластери, пов’язані з потенційним синтезом нерибосомних пептидів, полікетидів, ацил-гомосерин-лактонів, циклодипептидів, бактеріоцинів і рибосомно синтезованих та посттрансляційно модифікованих пептидів (Tamang et al., 2024). У межах біотехнології такі дані важливі тому, що дозволяють попередньо оцінювати, які штами можуть бути джерелами нових антибіотичних, сигнальних, протигрибкових або технологічно цінних молекул.

Водночас наявність біосинтетичного генного кластера ще не означає автоматичного синтезу відповідної речовини в умовах культивування. Частина кластерів може бути слабоактивною або неактивною у стандартних лабораторних середовищах, оскільки їхня експресія залежить від зовнішніх сигналів, густоти популяції, доступності поживних речовин і регуляторних систем клітини. Тому геномний майнінг є лише першим етапом біотехнологічного пошуку. Після виявлення перспективних кластерів необхідні експериментальна активація, культивування за різних умов, виділення продуктів біосинтезу, визначення їхньої структури та перевірка біологічної активності. Дані П. Таманга та співавторів щодо Pseudomonas vancouverensis підтверджують значний біосинтетичний потенціал цього виду, але остаточна оцінка практичної цінності прогнозованих метаболітів потребує подальших експериментальних досліджень (Tamang et al., 2024).

Складність практичного використання псевдомонад також пов’язана з регуляцією вторинного метаболізму. Біотехнологічна продуктивність штаму залежить не лише від наявності потрібних генів, а й від того, наскільки ефективно ці гени експресуються за конкретних умов. Б. Рен, Х. Шен, З.-Дж. Лу, Х. Лю та Ю. Сюй показали, що транскрипт phzA2-G2 у Pseudomonas aeruginosa M18 безпосередньо активується регулятором RsmA, що свідчить про складний рівень контролю феназинового біосинтезу (Ren et al., 2014). Для біотехнології це має принципове значення, оскільки підвищення виходу цільового метаболіту потребує розуміння не тільки біосинтетичного шляху, а й регуляторних механізмів, які визначають інтенсивність його роботи.

Практичне застосування псевдомонад обмежується також питаннями біобезпеки. Насамперед це стосується Pseudomonas aeruginosa, який є умовно-патогенним видом і може бути пов’язаний із проблемою антимікробної резистентності. І. Саманта та С. Бандйопадхьяй розглядають Pseudomonas у контексті антимікробної резистентності в аграрному середовищі, що підкреслює необхідність обережного ставлення до використання окремих штамів у відкритих екосистемах або неконтрольованих біотехнологічних процесах (Samanta & Bandyopadhyay, 2020). Тому перспективними є контрольовані біореакторні системи, використання непатогенних або добре охарактеризованих штамів, очищених метаболітів, а також перенесення окремих біосинтетичних шляхів у безпечніші мікробні платформи.

Отже, застосування псевдомонад у біотехнології має кілька основних напрямів: біоелектрохімічні системи, отримання рамноліпідних біосурфактантів, біоремедіація забруднених середовищ, біологічний контроль хвороб рослин і пошук нових вторинних метаболітів за допомогою геномного майнінгу. Найбільш перспективними є не абстрактні представники роду загалом, а конкретні штами з підтвердженими метаболічними, електроактивними або біосинтетичними властивостями. Водночас широке практичне використання Pseudomonas потребує врахування біобезпеки, регуляції вторинного метаболізму, умов культивування та можливого впливу на навколишнє середовище. Саме поєднання високого прикладного потенціалу й потреби в контрольованому використанні визначає місце псевдомонад серед важливих об’єктів сучасної промислової, екологічної та аграрної біотехнології.

Список використаних джерел

Afonso, L., Gionco-Cano, B., Simionato, A. S., Niekawa, E. T. G., Pega, G. E. A., Taira, L. A., Dealis, M. L., Andreata, M. F. de L., Chryssafidis, A. L., & Andrade, G. (2021). Microbial bioactive compounds in plant disease management. In A. Kumar & S. Droby (Eds.), Food security and plant disease management (pp. 37-61). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821843-3.00013-1

Rabiço, F., Pedrino, M., Narcizo, J. P., de Andrade, A. R., Reginatto, V., & Guazzaroni, M.-E. (2023). Synthetic biology toolkit for a new species of Pseudomonas promissory for electricity generation in microbial fuel cells. Microorganisms, 11(8), 2044. https://doi.org/10.3390/microorganisms11082044

Ren, B., Shen, H., Lu, Z.-J., Liu, H., & Xu, Y. (2014). The phzA2-G2 transcript exhibits direct RsmA-mediated activation in Pseudomonas aeruginosa M18. PLoS ONE, 9(2), Article e89653. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0089653

Samanta, I., & Bandyopadhyay, S. (2020). Pseudomonas. In I. Samanta & S. Bandyopadhyay (Eds.), Antimicrobial resistance in agriculture: Perspective, policy and mitigation (pp. 285-291). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815770-1.00023-7

Serafim, B., Bernardino, A. R., Freitas, F., & Torres, C. A. V. (2023). Recent developments in the biological activities, bioproduction, and applications of Pseudomonas spp. phenazines. Molecules, 28(3), 1368. https://doi.org/10.3390/molecules28031368

Tamang, P., Upadhaya, A., Paudel, P., Meepagala, K., & Cantrell, C. L. (2024). Mining biosynthetic gene clusters of Pseudomonas vancouverensis utilizing whole genome sequencing. Microorganisms, 12(3), 548. https://doi.org/10.3390/microorganisms12030548

Wackett, L. P. (2022). Pseudomonas in biotechnology: An annotated selection of World Wide Web sites relevant to the topics in microbial biotechnology. Microbial Biotechnology, 15(6), 1922-1923. https://doi.org/10.1111/1751-7915.14081

Zhang, L., Chen, W., Jiang, Q., Fei, Z., & Xiao, M. (2020). Genome analysis of plant growth-promoting rhizobacterium Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca JD37 and insights from comparason of genomics with three Pseudomonas strains. Microbiological Research, 237, 126483. https://doi.org/10.1016/j.micres.2020.126483

Zhou, J., Xue, R., Liu, S., Xu, N., Xin, F., Zhang, W., Jiang, M., & Dong, W. (2019). High di-rhamnolipid production using Pseudomonas aeruginosa KT1115, separation of mono/di-rhamnolipids, and evaluation of their properties. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 7, 245. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00245