Delovanje rastlinskih fenolnih spojin na bakterije

Uvod

Rastline imajo izjemno sposobnost sinteze aromatskih spojin, med katerimi prevladujejo fenolne spojine. Večina teh spojin ima vlogo sekundarnih metabolitov, katere rastline tvorijo v namen boljše rasti ali obrambe pred škodljivimi organizmi. Fenolne spojine so med najbolj raziskanimi fitokemikalijami, k čemur je pripomoglo tudi zanimanje za uporabo fenolnih spojin zaradi njihovih raznolikih učinkov. Raziskave so pokazale, da imajo številne fenolne spojine antimikrobne učinke. Zaradi precej različnih mehanizmov delovanja lahko te spojine delujejo na rast in delovanje številnih bakterij. Trenutno se rastlinske fenolne spojine večinoma uporabljajo kot razkužila in antiseptiki v povezavi s kožnimi obolenji. Primeri takih spojin so resorcinol, salicilna kislina in timol. Obstajajo tudi zdravila na osnovi rastlinskih fenolnih spojin (krofelemer, kombretastatin), vendar se ta zdravila ne uporabljajo v zdravljenju bakterijskih okužb.

Fenolne spojine v rastlinah

Vloga fenolnih spojin v rastlinah

V rastlinah najdemo več tisoč različnih fenolnih spojin z raznolikim naborom lastnosti. Kemijska raznolikost fenolnih spojin se odraža v raznolikosti funkcij, ki jih te spojine opravljajo v rastlinah. Njihove funkcije vključujejo strukturno vlogo, zaščito pred škodljivo UV svetlobo in preveliko izgubo vode, privabljanje opraševalcev, signalno vlogo v stresnih pogojih in ne nazadnje tudi kot zaščita pred rastlinojedimi in patogenimi organizmi. Med fenolnimi spojinami z znanimi antimikrobnimi učinki so preprosti fenoli, fenolne kisline, kinoni, flavonoidi, flavoni, flavonoli, tanini in kumarini.

Sinteza in kopičenje fenolnih spojin v rastlinah

Sinteza prekurzorjev fenolnih spojin poteka predvsem preko dveh metabolnih poti. Prva je pot šikiminske kisline in druga je pot malonske kisline, pri čemer je v višjih rastlinah pomembnejša pot šikiminske kisline. Preko te poti rastline pridobijo aromatske aminokisline, kar poteka preko encimske pretvorbe šikimata. Med produkti poti šikiminske kisline je tudi fenilalanin, ki služi kot pomemben prekurzor fenolnih spojin in njegova nadaljna pretvorba poteka preko ključne reakcije z L-fenilalanilil amoniazo (ang. 'L-phenylalanine ammonia liase', PAL). PAL deaminira fenilalanin, pri čemer nastane trans-cimetova kislina. Od tu naprej se metabolne poti razmahnejo in vodijo v sintezo različnih fenolnih spojin. Zaradi pomena v sintezi fenolnih spojin je PAL pogosto tudi mesto uravnavanja, preko katerega se nadzira koncentracija fenolnih spojin v rastlini.

Tako biotski kot tudi abiotski stresni dejavniki povzročijo v rastlinah povečan pretok ogljika iz primarnih v sekundarne metabolne poti, kar vodi v povečano sintezo in kopičenje fenolnih spojin. Stresni dejavniki, med njimi tudi okužba rastline s patogenimi organizmi, povzročijo spremembe v metabolizmu rastline. Pri višjih rastlinah prihaja ob stresnih dejavnikih do povečanega izražanja genov za encime, ki so vpleteni v sintezo fenolnih spojin, s katerimi rastlina odgovori na stresno okolje. V stresnem okolju se tako večkratno poveča koncentracija fenolnih spojin v rastlini, vendar to od rastline terja precej energije, zato v tem času rastlina zaustavi rast.

Mehanizmi delovanja rastlinskih fenolnih spojin na bakterije

Antibakterijska aktivnost skupine rastlinskih fenolov je v glavnini odvisna od posameznih fenolnih spojin, od katerih imajo pomembnejšo vlogo kompleksnejše molekule (npr. tanini in proantocianidini). Na antibakterijsko delovanje vpliva sposobnost molekule, da prehaja celične membrane bakterij, njena osnovna geometrija, velikost in v veliki meri tudi število in položaj vezanih hidroksilnih skupin.

Vpliv na celične membrane

Rastlinski fenoli lahko spremenijo lastnosti bakterijskih celičnih membran preko naluknjanja membrane ali zmanjšanja fluidnosti le te. Preko slednjega mehanizma deluje spojina soforaflavanon G iz skupine flavanonov. Znanstveniki so s pomočjo modelnih liposomov ugotovili, da spojina vpliva na fluidnost obeh slojev membrane, kar omogočajo specifične funkcionalne skupine, ki so podobne alifatskim notranjim delom dvosloja.

Inhibicija sinteze nukleinskih kislin

Antibakterijske lastnosti kot posledica inhibicije sinteze nukleinskih kislin so bile podrobenje preučene na primeru delovanja epigalokatehin galata (EGCG) iz zelenega čaja na bakterijsko DNA-girazo. EGCG se veže na ATP-vezavno mesto na podenoti B. Vezava povzroči inhibicijo ATPazne aktivnosti giraze B in onemogoči posledično dodatno zvijanje DNA. Naravni polifenoli s funkcijo inhibicije podenote B DNA-giraze prinašajo veliko prednost pri razvoju potencialnih antibiotikov, saj je večina do sedaj odkritih umetnih spojin s takim delovanjem dokazano toksična za evkariontske celice.

Vpliv na energijski metabolizem

Fenoli lahko inhibirajo energijski metabolizem na dva različna načina. Spojine iz skupine retrohalkonov inhibirajo NADH-citokrom c reduktazo v elektronski prenašalni verigi. Drugi mehanizem pa je inhibicija ATP-sintaze, ki je podrobneje raziskan pri flavonoidih. Ti se vežejo v vezavni žep za polifenole v ATP-sintazi, ki se nahaja na stiku med podenotami α, β in γ. Flavonoid z okoliškimi aminokislinskimi ostanki tvori hidrofobne in nepolarne interakcije, vezava pa onemogoči vrtenje podenote γ. V večini se močneje vežejo tisti flavonoidi, ki imajo več hidroksilnih skupin. Vezava v vezavni žep za polifenole je v celoti reverzibilna, hkrati pa so aminokisline v žepu med vrstami zelo ohranjene, kar za praktično uporabo prinaša probleme s specifičnostjo interakcije.

Inhibicija aktivnost drugih encimov

Sposobnost inhibicije aktivnosti tarčnih encimov v bakterijskih celicah je najbolj izrazita pri skupini polifenolov, ki se imenujejo tanini. Njihova skupna značilnost je sposobnost obarjanja proteinov, kar ključno prispeva k njihovim antibakterijskim lastnostim. Tanini lahko s proteini tvorijo tako kovalentne, kot tudi vodikove in hidrofobne povezave. Pri bakterijah najverjetneje lahko dostopajo zgolj do proteinov, ki se izločajo v zunanjost celic in preprečujejo nastajanje biofilma.

Odvzem mikrohranil

Za življenje bakterijskih celic je ključna zadostna koncentracija nekaterih kovinskih ionov v njihovi okolici. Nekateri tanini, še posebej taninska kislina, delujejo kot siderofori in sprožajo tvorbo kelatnih kompleksov z železom in tako znižujejo količino železa, ki je dostopen celici. Za tvorbo kelatov so odločilni pari hidroksilnih skupin na mestih orto. Drugi možni mehanizmi delovanja fenolov na bakterije so še vezava na membranske proteine, vpliv na izločanje bakterijskih toksinov ter vezava na adhezine.

Sinergijski učinki fenolnih spojin z drugimi antibiotiki

Fenolne spojine so zanimive tudi na področju sinergijskih učinkov z drugimi antibiotiki. V primerjavi s sintetičnimi antibiotiki so fenoli relativno šibki, vendar pa so v nekaterih kombinacijah pokazali sinergijske učinke z drugimi, komercialno uporabljenimi antibiotiki. Pri tem lahko dodatek fenola nekajkrat zmanjša minimalno inhibitorno koncentracijo (ang. 'minimum inhibitory concentration', MIC). Zveza med strukturo fenola, bakterijsko vrsto in dodanim antibiotikom ni jasna, prav tako ni znan mehanizem sinergije. Eden od predlaganih mehanizmov je zaviranje delovanja bakterijskih izlivnih črpalk, ki bakteriji omogočajo prečrpavanje antibiotika iz celice in so eden izmed možnih načinov razvoja odpornosti na antibiotike. S pomočjo simulacije umestitve so predvideli, da se nekateri fenoli lahko vežejo v hidrofobni vezavni žep in delujejo kot kompetitivni blokatorji.

Odpornost bakterij na rastlinske fenolne spojine

Fenolne spojine se v farmacevtski industriji kot antibiotiki skorajda ne uporabljajo, zato je tudi razvoj odpornosti nanje slabo raziskan. Predlagani mehanizmi za odpornost vključujejo izločanje proteinov, ki vežejo nekatere fenole, preden te spojine vstopijo v celico, in delovanje fenol oksidaz, tanaz in drugih encimov, ki lahko oksidirajo ali razgradijo fenole. Mehanizmi delovanja teh encimov niso znani, vendar ima veliko število bakterij sposobnost rasti na gojiščih, kjer so edini vir ogljika fenoli, kar kaže na to, da so ti encimi dokaj pogosti in se lahko pojavljajo hkrati v eni bakteriji. Preživetje bakterij je pri tem odvisno od koncentracije fenolov in kompleksnosti njihove strukture; kompleksnejši fenoli so namreč težje razgradljivi.

Prihodnost uporabe rastlinskih fenolnih spojin

Problemi pri preučevanju fenolnih spojin

Kljub dokazanemu antibiotičnemu in sinergičnemu delovanju rastlinskih fenolov pa je raziskav na tem področju relativno malo. Velik problem namreč predstavlja sam postopek raziskav. Rastlinske fenolne spojine so dokaj kompleksne spojine in jih ne moremo sintetizirati v laboratoriju, ker pa se v rastlinah največkrat nahaja veliko različnih fenolov, je izolacija ene same učinkovine težko dosegljiva. Rastlinski izvlečki imajo zelo spremenljivo sestavo, izolacija posameznih spojin pa lahko spremeni njihovo biološko aktivnost. Zaradi majhnega števila raziskav je tudi standardnih postopkov za delo s fenolnimi spojinami malo, raziskave pa zaradi razlik v metodologiji in ocenjevanju aktivnosti teh spojin niso primerljive med seboj.

Prihodnost rastlinskih fenolnih spojin kot antibiotikov

Zaradi nizke učinkovitosti se fenoli v farmaciji ne uporabljajo kot antibiotiki, njihova uporaba pa je pogosta v tradicionalni medicini. Poleg tega bi bila izolacija fenolov v dovolj velikih količinah cenovno neugodna in viri omejeni, sam učinek pa bi bil in vivo precej manjši kot in vitro, saj fenolne spojine deloma razgradi naša mikrobiota. Kljub temu so fenolne spojine zanimiva alternativa sintetičnim antibiotikom, predvsem zaradi širjenja odpornosti nanje, vendar je do klinične uporabe potrebno še veliko raziskav.

Viri

• Caretto, S., Linsalata, V., Colella, G., Mita, G., Lattanzio, V. 2015. Carbon Fluxes between Primary Metabolism and Phenolic Pathway in Plant Tissues under Stress. International Journal of Molecular Sciences, 16(11), 26378-26394.

• Cushnie, T. P. T., Lamb, A. J. 2011. Recent advances in understanding the antibacterial properties of flavonoids. International Journal of Antimicrobial Agents, 38, 99-107.

• Daglia, M. 2012. Polyphenols as antimicrobial agents. Current Opinion in Biotechnology, 23, 174-181.

• Ohene-Agyei, T., Mowla, R., Rahman, T., & Venter, H. 2014. Phytochemicals increase the antibacterial activity of antibiotics by acting on a drug efflux pump. MicrobiologyOpen, 3(6), 885-896.

• Scalbert, A. 1991. Antimicrobial properties of tannins. Phytochemistry, 30(12), 3875-3883.

Nazaj na stran Mehanizmi delovanja in odpornosti proti antibiotikom