Биосинтез эктоина, широко распространенного в микробном мире осмопротектора, у гетеротрофных галофильных бактерий начинается реакцией трансаминирования L-аспартилполуальдегида с последующим ацетилированием образующегося L-2,4-диаминобутирата (ДАБ) и завершается циклизацией N-ацетил-L-2,4-ДАБ в эктоин (Galinski, 1995). В последние годы предпринимаются попытки детального изучения свойств ферментов и генов этого биохимического пути, что обусловлено практическими задачами получения эктоина, перспективного биопротектора, используемого в медицине и косметике, а также в научной практике в качестве водоудерживающего средства и стабилизатора биомолекул и целых клеток.

Специфические ферменты, катализирующие реакции биосинтеза эктоина – ДАБ-ацетилтрансфераза (EctА), ДАБ-аминотрансфераза (EctB) и эктоинсинтаза (EctС), частично охарактеризованы у Halomonas elongata (Ono et al., 1999), а так же у метанотрофной бактерии Methylomicrobium alcaliphilum 20Z (Reshetnikiov et. al., 2006). Гены, кодирующие эти ферменты, идентифицированы у ряда гетеротрофных, автотрофных галофильных прокариот и метилотрофных бактерий, установлено расположение данных генов в одном опероне ectABC. Однако соответствующие сведения о свойствах ферментов и организации генов биосинтеза эктоина у галотолерантной метилотрофной альфа-протеобактерии Methylarcula marina отсутствуют. В связи с вышеизложенным представлялось актуальным провести исследование ферментов и генов биосинтеза эктоина у M. marina для выявления степени сходства и/или возможных отличий от других бактерий.

Цель и задачи исследования. Цель данной работы - идентификация генов биосинтеза эктоина у метилотрофной альфа-протеобактерии Methylarcula marina. Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

1. Идентифицировать гены биосинтеза эктоина у M. marina, провести их филогенетический анализ.

2. Клонировать ген ectA, получить и охарактеризовать рекомбинантную ДАБ-ацетилтрансферазу.

3. Сконструировать плазмидную конструкцию, несущую ectABC гены под промотором метанолдегидрогеназы Pmax, для интеграции в хромосому негалофильной метилобактерии Methylobacterium еxtorquens AM1.

4. Измерить накопление эктоина в рекомбинантных клетках и в среде культивирования M. еxtorquens AM1.

Магистерская диссертация выполнена на базе ИБФМ им. Г.К. Скрябина РАН, в лаборатории радиоактивных изотопов под руководством д.б.н., проф. Троценко Ю.А.

Научная новизна. Установлено, что в ответ на увеличение солености среды изучаемый галотолерантная метилотрофная бактерия накапливает в клетках эктоин. Впервые определена полная нуклеотидная последовательность генов биосинтеза эктоина у метилотрофной бактерии Methylarcula marina, относящейся к классу α-Proteobacteria. Показано, что у M. marina гены, кодирующие ДАБ-ацетилтрансферазу (ectA), ДАБ-аминотрансферазу (ectB), эктоинсинтазу (ectC) и аспартаткиназу (ask), сцеплены и составляют оперон ectABC-ask.

Клонированием и экспрессией в Escherichia coli гена ectA из M. marina впервые получен гомогенный и частично охарактеризован препарат рекомбинантной ДАБ-ацетилтрансферазы. Полученные результаты создают основу для изучения регуляции биосинтеза эктоина на биохимическом и генетическом уровнях у M. marina .

Практическое значение работы. Проведенное расшифровка нуклеотидных последовательностей и организации ect-генов позволяет рационально манипулировать данным генетическим материалом с целью создания более эффективных штаммов-продуцентов эктоина на основе метанола.

Глава 1 Галофильные микроорганизмы

Микроорганизмы обитают в водной среде с различной степенью солености, от пресных и морских биотопов до гиперсолёных водоёмов с высокими концентрациями NaCl, вплоть до насыщения. По отношению к солености микроорганизмы разделяются на несколько физиологических групп.

Негалофилные микрооганизмы, обитающие в пресных и ультрапресных экосистемах, не нуждаются в NaCl и способны существовать в местах с крайне низким содержанием солей (≤0.01%). К ним относится также симбиотрофная микрофлора, связанная с организмом человека, животных и растений. Угнетение их роста начинается обычно при концентрации NaCl около 3%. Галотолерантные микрооганизмы выдерживают более высокие концентрации и часто обитают в местах с меняющейся соленостью, например, в почве. Слабые галофилы оптимально растут при солености около 3.5% и, как правило, развиваются в узком диапазоне концентраций соли (2.5–5% NaCl). К слабым галофилам относят большинство морских микроорганизмов. Умеренные галофилы лучше всего растут на средах, содержащих 5-15% соли. Микроорганизмы, способные к росту в присутствии менее чем 0.1 М соли, относятся к факультативным галофилам. Умеренные галофилы обычно нуждаются не только в ионах Na⁺ , но также в K⁺ и Mg²⁺ . Экстремальные галофилы оптимально растут на среде, содержащей от 12–15% NaCl вплоть до насыщенных растворов. Примером могут служить “красные галофилы” - галобактерии и галококки.

Особую группу составляют галоалкалофилы, растущие при высоких концентрациях соды и сочетающие в себе свойства галофилов и алкалофилов. Типичными местами их обитания являются высокоминерализованные содовые озера.

Галофильные и галотолерантные микроорганизмы находятся во всех трёх доменах жизни: Археи, Бактерии и Эукариоты (Oren, 1999).

1.1 Осмоадаптация

Один из основных параметров всех экосистем - осмотический стресс. Вода свободно проникает через мембрану, и неадаптированные организмы быстро теряют воду в присутствии солей. Чистая вода имеет активность (α_w ) равную 1, а растворы солей имеют значение α_w меньше 1 (α_w – отношение давления водяного пара над раствором к давлению над дистиллированной водой при испарении). Обитатели ультрапресных вод развиваются при водном потенциале 1, для морской воды этот потенциал равен 0.98, для гиперсоленых озер 0.75. Среды с повышенным содержанием сахара (α_w ≈0.61), благоприятны для развития ксерофильных организмов (грибы и дрожжи), в гиперсолёных местообитаниях, где доступность воды лимитируется высокими концентрациями солей, обычно NaCl, распространены, главным образом, прокариоты (Grant, 2004). Для своего существования клетки должны поддерживать тургор – равное или избыточное по отношению к окружающей среде осмотическое давление в цитоплазме.

Для достижения осмотического равновесия между клетками и окружающей средой микроорганизмы реализуют две различные стратегии. Первая стратегия предусматривает поддержание осмотического равновесия путём избирательного накопления в цитоплазме неорганических ионов (так называемый солевой тип осмоадаптации). Солевую стратегию используют две филогенетически удалённые группы микроорганизмов: аэробные экстремально галофильные археи семейства Halobacteriaceae и анаэробные галофильные бактерии порядка Haloanaerobiales, а также ацетогенные анаэробы (виды Halobacteroides, Sporohalobacter, Acetohalobium) и сульфатредукторы (Desulfovibrio halophilus, Desulfohalobium retbaense) (Zhilina and Zavarzin, 1990; Caumette et al., 1991; Galinski and Trüper, 1994). Эти микроорганизмы аккумулируют в клетках неорганические ионы в высоких концентрациях, при этом преобладающим катионом является K⁺ . В ходе эволюции ферменты и другие макромолекулы экстремальных галофилов модифицировались таким образом, чтобы эффективно функционировать при высоких внутриклеточных концентрациях солей. Адаптация ферментов заключаются в изменении их аминокислотного состава, при этом увеличение количества кислых и уменьшение количества гидрофобных аминокислот, которое компенсируется присутствием полярных аминокислот (серин и треонин), обусловливает наличие сильной гидратной оболочки вокруг белка (da Costa et al., 1998). Активность большинства ферментов экстремальных галофилов зависит от присутствия относительно высоких концентраций ионов K⁺ и/или Na⁺ , необходимых для поддержания конформации белков. Таким образом, эти микроорганизмы зависят от постоянного присутствия высоких концентраций соли в окружающей среде (da Costa et al., 1998).

Zaccai и др. (1989) предложили модель стабилизации галофильных белков. Согласно данной модели третичная и четвертичная структура ферментов галофильных бактерий образует петли, содержащие отрицательно заряженные аминокислоты и выступающие за границы глобулы. В условиях высокой осмолярности катионы (К⁺ ) нейтрализуют отрицательные заряды на выступающих белковых петлях, что приводит к уменьшению отталкивания между аминокислотами белковой поверхности и усилению гидрофобных взаимодействий. Снижение концентрации соли ниже 0.5 М приводит к ослаблению конформации галофильных белков и разворачиванию белковой глобулы (Sleator and Hill, 2001).

Второй тип осмоадаптации, характерный для большинства умеренно галофильных и галотолерантных микроорганизмов, связан с накоплением специфических низкомолекулярных органических веществ – осмолитов (или совместимых растворимых веществ). Эти низкомолекулярные вещества хорошо растворимы в воде и не несут заряда при физиологических значениях pH. Кроме этих общих свойств, совместимые растворимые вещества галофилов имеют мало общего в своей химической структуре. Некоторые из них более эффективны в качестве осмопротекторов, чем другие (Galinski, 1995).

У микроорганизмов с несолевым типом осмоадаптации внутриклеточные макромолекулы не подвергаются специфической модификации и, следовательно, чувствительны к высокой внутриклеточной концентрации соли. Такой тип осмоадаптации не предполагает значительных генетических, ферментативных и структурных изменений и поэтому обеспечивает более гибкий способ адаптации клеток к осмотическим колебаниям. Возможно, по этой причине механизм, связанный с накоплением органических веществ, имеет широкое распространение в микробном мире (Galinski, 1995).

Осмолиты не только поддерживают клеточный тургор, но также защищают макромолекулы от ингибирующего действия неорганических ионов или органических молекул (Galinski and Trüper, 1994). Существует несколько возможных объяснений стабилизирующего действия совместимых растворимых веществ. Модель Bull и Breese (1974) предполагает увеличение поверхностного натяжения воды осмолитами. Сольватация белков (с более низким поверхностным натяжением) энергетически более выгодна, поскольку основная масса воды гидратирует белок, снижая при этом высокое поверхностное натяжение на белковой молекуле.

Возможно, важную роль играет стерическое несоответствие. В отличие от воды, которая, благодаря своим небольшим размерам, полярности и водородному потенциалу, способна заполнить почти любую белковую поверхность, большинство органических осмолитов - большие и жесткие молекулы. Третье, и, возможно, наиболее простое объяснение заключается в существовании сил отталкивания между осмолитом и некоторыми функциональными группами на белковой глобуле. Независимо от механизма стабилизации, термодинамический эффект действия осмолитов на клеточные структуры одинаков и приводит не только к солеустойчивости, но также к устойчивости к другим стрессовым факторам, таким как замораживание, нагревание, высушивание (Sleator and Hill, 2001).

1.2 Гиперосмотический шок

Начальная фаза осмоадаптации: первичный ответ. При осмотическом шоке поглощение ионов К⁺ является первичным ответом как грамположительных (Г⁺ ), так и грамотрицательных (Г^- ) бактерий. Для поддержания электронейтральности при увеличении осмолярности у E. coli вслед за накоплением К⁺ увеличивается биосинтез и накопление глутамата как противоиона, причем при быстром увеличении осмолярности среды синтез глутамата осуществляется с минутной задержкой (McLaggan et al., 1994). У Bacillus subtilis при гиперосмотическом шоке повышение внутриклеточного пула К⁺ сопровождается накоплением большого количества пролина. Но природа противоиона для пролина у B. subtilis еще не доказана (Kempf and Bremer, 1998; Wood et al., 2001).

По сравнению с Г^- , для Г⁺ бактерий характерны более высокий внутриклеточный пул аминокислот, в котором большая часть приходится на глутамат, и более высокая концентрация К⁺ (около 1 М) в клетках даже в отсутствии осмотического стресса. Это коррелирует с высоким тургорным давлением (20 бар у Г⁺ бактерий и 3-10 бар у Г^- бактерий) (Poolman and Glaasker, 1998). Различия в составе цитоплазмы у Г⁺ и Г^- бактерий в отсутствии осмотического стресса отражаются на их реакции на гиперосмотический стресс: Г⁺ бактериям выгодней накапливать осмопротекторы (пролин или глицинбетаин), чем электролитную пару К⁺ -глутамат (Sleator and Hill, 2001).

При гиперосмотическом шоке бактерии теряют воду посредством её диффузии аквапорины. Затем происходит быстрое накопление ионов К⁺ через тургор-чувствительные транспортные системы, которые достаточно хорошо охарактеризованы у E. coli (Sleator and Hill, 2001), значительно меньше информации имеется относительно К⁺ -транспортных систем у других бактерий (Nakamura et al., 1998a; Nakamura et al., 1998b; Kawano et al., 1999; 2000; Murata et al., 1996; Holtmann et al., 2003; Kraegeloh et al., 2005).

Вторичный ответ: накопление осмопротекторов. Избыток положительного заряда в цитоплазме галотолерантных Proteobacteria, создаваемый избытком ионов К⁺ , не компенсируется ионами хлора, как у Halobacteriaceae и Haloanaerobiales, но полностью сбалансирован органическими анионами, синтезируемыми de novo или поступающими из среды. В качестве противоионов К⁺ , кроме глутамата, могут выступать его производные - g-глутамилглутамин и восстановленный глутатион (Galinski, 1995). Максимальный уровень К⁺ -глутамата (≈400 мМ) найден у Г^- бактерий при солености среды 0.5 М NaCl (Galinski, 1995). Увеличение концентрации соли выше этого уровня является пусковым механизмом для вторичного ответа, а именно, для накопления осмопротекторов.

1.3 Спектр совместимых растворимых веществи их распространение у микроорганизмов

Спектр совместимых растворимых веществ, обнаруженных у прокариот и эукариот, весьма широк и разнообразен (Roberts, 2004; 2005). Термин “совместимые растворимые вещества” был предложен для соединений, которые не ингибируют метаболические процессы, но защищают клетку и клеточные компоненты в условиях водного стресса (Brown, 1976). Этот термин применим к органическим осмолитам, которые предохраняют макромолекулы от ингибирующего действия неорганических ионов или органических молекул. Некоторые органические вещества могут также защищать клетки и макромолекулы при замораживании-оттаивании, высушивании и воздействии высокой температуры (da Costa et al., 1998). Так, например, в опытах in vitro показано, что эктоин стабилизирует лактатдегидрогеназу и другие ферменты при воздействии высушивания, высокой и низкой температуры. Благодаря этим свойствам, осмолиты могут использоваться в косметике и биотехнологии (Ventosa and Nieto, 1995).

Осмопротекторы относятся к различным классам органических соединений, специфических для разных групп галофильных и галотолерантных микроорганизмов. Проведенный скрининг осмопротекторов у более чем 200 галофильных изолятов, включая цианобактерии (Reed et al., 1984), аноксигенные фототрофные бактерии (Trüper and Galinski, 1986), аэробные хемогетеротрофы, протеобактерии a- и g-подклассов (виды рода Halomonas, Vibrio, Pseudomonas), актиномицеты (виды Actinopolyspora, Nocardiopsis), бациллы и родственные виды Staphylococcus и Salinicoccus, умеренно галотолерантные виды Brevibacterium и Corynebacterium (Bernard et al., 1993; Frings et al., 1993), позволил разделить эти соединения на следующие основные группы (Galinski, 1995):

- полиолы (глицерин, арабит, манит), сахара и их производные (сахароза, трегалоза и глюкозилглицерин);