Статья: Метилотрофные бактерии - источники изотопно-меченных Н-2 и С-13 аминокислот

Данные по включению ¹³ С приведены для M. flagellatum при росте на среде, содержащей 1 об.% ¹³ СН₃ ОН и 99 об.% Н₂ О.

Во всех опытах наблюдалось специфичное возрастание уровней изотопного включения дейтерия в индивидуальные аминокислоты культуральной жидкости при ступенчатом увеличении концентраций тяжёлой воды в ростовой среде (табл. 3). Как видно из таблицы 3, для аминокислот из культуральной жидкости, количество включенных атомов дейтерия по углеродному скелету молекулы варьирует в пределах 49 об.%-ной концентрации ² Н₂ O и составляет для фенилаланина 27,5%, аланина - 37,5%, валина - 46,3%, лейцина (изолейцина) - 47%.

Как и следовало ожидать, для получения ¹³ С-аминокислот за счет микробной биоконверсии ¹³ СН₃ ОН, предварительная адаптация не является необходимым этапом, поскольку этот изотопный субстрат не оказывает существенного влияния на ростовые и биосинтетические характеристики метилотрофов. Масс-спектр культуральной жидкости M. flagellatum , полученной после обработки дансилхлоридом и диазометаном со среды, содержащей 1 об.% ¹³ СН₃ ОН и 99 об.% Н₂ О показан на рис. 2,б (Масс-спектр приведён относительно контрольных условий, где использовали обычную воду и метанол (а)). Как видно из рис. 2,б, в дериватизованной культуральной жидкости М. lagellatum детектируются обогащённые изотопом ¹³ С пики молекулярных ионов производных аминокислот с М+. при m/z 337,4; 368,5; 382,3; 420,5, которые соответствуют по массе аланину, валину, лейцину (изолейцину) и фенилаланину. Так как отношения массы к заряду m/z для лейцина (изолейцина) в масс-спектрах электронного удара метиловых эфиров дансиламинокислот совпадают, то вследствие этого нельзя точно идентифицировать структуру соединения данным методом. Кроме вышеназванных пиков молекулярных ионов, в масс - спектре фиксируется пик с М+. при m/z 323,2 (вместо m/z 322,0 в контроле), соответствующий метиловому эфиру дансил-глицина.

В связи с тем, что штамм B. methylicum был ауксотрофом по лейцину, а другой штамм M. flagellatum - ауксотрофом по изолейцину, было интересно изучить как изменяются уровни включения дейтерия в этих аминокислотах. Для этого лейцин добавляли в ростовую среду B. methylicum , приготовленную на основе 98 об.% ² Н₂ О в немеченном виде. В случае с M . flagellatum изолейцин добавляли в среду, приготовленную из обычной воды и 1 об.% ¹³ СН₃ ОН. Как показали наши исследования, в условиях ауксотрофности по лейцину (изолейцину) уровень изотопного обогащения лейцина (изолейцина), а также метаболически связанных с ними аминокислот ниже, чем для других аминокислот. Так, при росте B. methylicum на среде, содержащей 98 об.% ² Н₂ О и немеченный L-лейцин, уровни включения дейтерия в лейцин (изолейцин) составили 51,0%, аланин - 77,5%, валин - 58,8% (табл. 3). Уровень включения дейтерия в фенилаланин в этих условиях составил 75%. Эта же особенность проявляется при росте M. flagellatum на среде с 1 об.% ¹³ СН₃ ОН и добавкой немеченного L-изолейцина. Как видно из таблицы 3, в отличие от фенилаланина (уровень изотопного обогащения - 95%), уровни включения изотопа ¹³ С в лейцин (изолейцин), аланин и валин составили 38,0; 35,0; 50,0 % соответственно. Уровень изотопного обогащения глицина составил 60%. Суммируя полученные данные, можно сделать вывод о сохранении минорных путей метаболизма, связанных с биосинтезом лейцина (изолейцина) de novo .

Изучение уровней включения изотопов ² Н- и ¹³ С в аминокислоты суммарных белков метилотрофных бактерий .

² Н- и ¹³ С-меченные аминокислоты в составе гидролизатов белка биомассы были получены в условиях, аналогичных таковым для секретируемых аминокислот (табл. 4). Хотя в таблице 4 приведены данные только для 10 аминокислот, не вызывает сомнения, что в остальных аминокислотах уровни изотопного включения сопоставимы, хотя они не детектируются данным методом. Это предположение подтверждается данными по разделению белковых гидролизатов метилотрофных бактерий методом ионнообменной хроматографии, где детектируется уже 16 аминокислот (см. рис. 3).

Полученные данные свидетельствуют о возможности достижения максимальных уровней включения стабильных изотопов ² Н-и ¹³ С в аминокислоты. Например, в случае с дейтерированными аминокислотами этого результата удалось достичь за счет адаптации культуры B. methylicum к росту и биосинтезу на среде с максимальной концентрацией ² Н₂ О. Как видно из табл. 4, при росте B. methylicum на данной среде, содержащей 98 об.% ² Н₂ О, уровни включения ² Н востатки глицина, аланина, и фенилаланина составляют 90, 97,5, и 95% соответственно. Как и следовало ожидать, в этих условиях метка распределена равномерно по всем положениям углеродного скелета молекул аминокислот.

В экспериментах по получению аминокислот за счёт биоконверсии ¹³ СН₃ ОН метилотрофными бактериями M. flagellatum была показана эффективность мечения аминокислот ¹³ С. Так, в фенилаланине детектировалось 80,5 % метки, в аланине - 95 %, в глицине - 90% (см. табл. 4).

Таблица 4.

Уровни включения ² Н и ¹³ С в аминокислоты общих белков биомассы B. methylicum и M. flagellatum (данные получены для Z-и Dns-производных аминокислот*).

Аминокислоты	Содержание 2 Н2 О в среде, об% 24,5 49,5 73,5 98,0				1 % 13 СН3 ОН
Глицин	15,0	35,0	50,0	90,0	90,0
Аланин	20,0	45,0	62,5	97,5	95,0
Валин	15,0	36,3	50,0	50,0	50,0
лейцин (изолейцин)	10,0	42,0	45,0	49,0	49,0
фенилаланин	24,5	37,5	50,0	95,0	80,5
тирозин	20,0	48,8	68,8	92,8	53,5
Серин	15,0	36,7	47,6	86,6	73,3
аспарагиновая кислота	20,0	36,7	60,0	66,6	33,3
глутаминовая кислота	20,0	40,0	53,4	70,0	40,0
Лизин	10,0	21,1	40,0	58,9	54,4

*Данные по включению ² Н в аминокислоты приведены для B. methylicum при росте на средах, содержащих 2 об.% CH₃ OH и 24,5; 49,5; 73,5; 98,0 об.% ² Н₂ О.

Данные по включению ¹³ С приведены для M. flagellatum при росте на среде, содержащей 1 об.% ¹³ СН₃ ОН и 99 об.% Н₂ О.

Во всех экспериментах уровни включения ² Н и ¹³ С в метаболически связанных аминокислотах обнаружили определённую коррелляцию. Так, уровни изотопного обогащения валина и лейцина, фенилаланина и тирозина совпадают (см. табл. 4). Уровни изотопного включения в глицине и серине, аспарагиновой и в глутаминовой кислотах также имеют близкие величины. Сравнивая данные таблицы 3 и 4 можно заключить, что уровни изотопного обогащения секретируемых аминокислот и соответствующих аминокислотных остатков суммарного белка в целом также коррелируют. Причина некоторых наблюдаемых расхождений в уровни включения изотопов в аминокислоты до конца не выяснена.

Как и в случае с секретируемыми аминокислотами, при росте бактерий на средах, содержащих 98 об.% ² Н₂ О или 1 об.% ¹³ СН₃ ОН, низкие уровни включения ² Н- и ¹³ С в остатки лейцина (изолейцина) и метаболически связанные с ним аминокислоты, обусловлены ауксотрофностью бактерий в лейцине (изолейцине).

Выделение изотопно-меченных аминокислот из культуральной жидкости и гидролизатов биомассы метилотрофных бактерий .

В ходе выполнения работы было проведено препаративное разделение аминокислот культуральной жидкости и гидролизатов биомассы метилотрофных бактерий методами обращенно-фазовой ВЭЖХ в виде бензилоксикарбонильных производных аминокислот. Так, дейтерий-меченный фенилаланин был выделен из культуральной жидкости В. methylicum методом обращённо-фазовой ВЭЖХ в виде Z-производного с хроматографической чистотой 99% и выходом 89%. Хроматографически чистые ² Н-и ¹³ С-аминокислоты были выделены из гидролизатов биомассы B. methylicum и M. flagellatum в виде их Z-производных в миллиграммовых количествах [8]. Отдельные аминокислоты: фенилаланин и лейцин были также хроматографически выделены из культуральных жидкостей данных штаммов метилотрофных бактерий в виде метиловых эфиров дансил-аминокислот.

Ионнообменная хроматография аминокислот на колонке “Dowex” хорошо зарекомендовал себя как аналитический метод для изучения качественного и количественного состава белковых гидролизатов метилотрофных бактерий. Хроматограмма гидролизата суммарных белков B. methylicum , полученных при росте бактерий на среде, содержащей 98 об.% ² Н₂ О и 2 об.% С² Н₃ О² Н представлена на рис. 3. Как видно из рис.3, в этом гидролизате присутствуют 16 аминокислот. Поскольку пролин не детектируется в данных условиях его определяли при длине волны 440 нм.

Таким образом, проведённые исследования подтвердили эффективность использования метилотрофных бактерий для получения ² Н-и ¹³ С-аминокислот. Предложенный подход предполагает комплексное использование метилотрофных бактерий, позволяя выделять аминокислоты как из культуральной жидкости после ферментации штаммов продуцентов, так и из гидролизатов суммарных белков биомассы.

ЛИТЕРАТУРА .

1. Patel G.B., Sprott G.D., Ekiel I. // Appl. Environ. Microbiol. - 1993. - V. 59. - N. 4. - P. 1099-1103.

2. John Colby, Howard Dalton. // Ann. Rev. Microbiol. - 1979. - V. 33. - P. 481-517.

3. Skladnev D.A., Baev M.V., Shilova S.Yu., et al. // Proceedings of 6th Europ. Conf. on Biomass for Energy. - Industry and Environment. - Athens. - 1991. - P. 47-51.

4. Katz J., and Crespi H. L. // Pure Appl. Chem. - 1972. - V. 32. - P. 221-250.

5. Crespi H. L. // Biosynthesis and uses of per-deuterated proteins. in: Synthesis and Applications of Isotopically labeled Compounds, Proceedings of the Second Inter. Symp. - Elsevier. - 1986. - P. 111-112.

6. Karnaukhova E.N., Reshetova O.S., Semenov S.Y., Skladnev D.A., Tsygankov Y.D. // Amino Acids. - 1994. - V. 6. - P. 165-176.

7. Мосин О.В., Карнаухова Е.Н., Пшеничникова А.Б.,Складнев Д.А., Акимова О.Л. // Биотехнология. - 1993. - N. 9. - С. 16-20.

8. Егорова Т.А., Мосин О.В., Еремин С.В., Карнаухова Е.Н.,Звонкова Е.Н., Швец В.И. // Биотехнология. - 1993. - N. 8. - С. 21-25.

9. Karnaukhova E.N., Mosin O.V., Reshetova O.S. // Amino Acids. - 1993. - V. 5. - P. 125.

10. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Юркевич А.М., Швец В.И. // Биотехнология. - 1996. - N. 3. (в печати).

11. Миллер Дж. Эксперименты в молекулярной генетике. - М.: Мир, - 1976. - С. 393.

12. Звонкова Е.Н., Зотчик Н.В., Филлипович Е.И., Митрофанова Т.К., Мягкова Г.И., Серебренникова Г.А // Химия биологически активных природных соединений. - М.: Химия, 1970. - С. 65-68.