научная статья по теме ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РИБОНУКЛЕАЗЫ BACILLUS PUMILUS Биология

Текст научной статьи на тему «ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РИБОНУКЛЕАЗЫ BACILLUS PUMILUS»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 1, с. 56-62

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.22;577.35

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РИБОНУКЛЕАЗЫ BACILLUS PUMILUS

© 2014 г. П. В. Зеленихин1, А. В. Макеева, А. П. Ложкин, А. А. Родионов, T. Н. Нгуен, О. Н. Ильинская

Казанский (Приволжский) федеральный университет Поступила в редакцию 06.06.2013 г.

Перспектива использования цитотоксичной рибонуклеазы Bacillus pumilus (биназы), индуцирующей избирательную гибель опухолевых клеток, обусловливает интерес к ее биологическим эффектам в отношении нормальной микрофлоры человека. С помощью проточной цитометрии установлено, что биназа в концентрации, вызывающей апоптоз раковых клеток, не влияет на жизнеспособность Escherichia coli K12. Впервые методом ЭПР-спектроскопии зарегистрированы изменения парамагнитных центров клеток E. coli K12 под действием биназы в нетоксичных концентрациях: повышение интенсивности ЭПР-сигналов, характерных для железосодержащих белков, в том числе, Fe—S кластеров, усиление интенсивности спектра сверхтонкой структуры двухвалентного марганца. С применением спинового зонда ТМТН ^-(1-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпипередин-4-ил-)-2-ме-тилпропанамид гидрохлорида) зафиксировано двукратное повышение уровня активных форм кислорода (АФК) в клетках, провоцирующее окислительный стресс у бактерий, обработанных ферментом. Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой продемонстрировано увеличение содержания в клетках щелочных (Li, Na, K), щелочноземельных (Mg, Ca), переходных (Cr, Mn, Fe, Cu, Zn) и постпереходных (Bi, Pb) металлов. Особого внимания заслуживают данные по возрастанию содержания Cu и Zn, нарушающих функции ферментов дыхательной цепи, и Mn, известного как кофактор супероксид дисмутазы, подтверждающие развитие окислительного стресса у бактерий.

Ключевые слова: цитотоксичные рибонуклеазы, Bacillus pumilus, биназа, кишечная микрофлора, ЭПР, АФК, окислительный стресс, переходные металлы.

DOI: 10.7868/S0026365614010170

Рибонуклеазы (РНКазы) бактерий обладают широким спектром биологической активности

[1]. Секретируемые РНКазы бактерий влияют на метаболизм самих прокариотических организмов

[2] и опосредуют ряд реакций у эукариот [3]. Известна способность микробных РНКаз, в частности РНКазы Bacilluspumilis 3-19 (биназы), индуцировать избирательную апоптотическую гибель опухолевых клеток, не оказывая воздействия на немалигнизированные клетки [4]. Потенциал биназы как средства химиотерапии злокачественных новообразований, в том числе и опухолей разных отделов кишечника, ставит вопрос о ее биологических эффектах в отношении микрофлоры желудочно-кишечного тракта. Ранее показано, что биназа в отношении микроорганизмов способна в низких концентрациях проявлять стимулируюшее, а в высоких, порядка 1 мг/мл, — ингибирующее действие [5]. Диапазон концентраций, эффективно индуцирующих апоптоз опухо-

1 Автор для корреспонденции (e-mail: Pavel.Zelenikhin@kpfu.ru).

левых клеток, лежит в интервале 0.10—0.75 мг/мл [6, 7]. Эти концентрации не влияют на рост бактерий, но могут вызывать скрытые до определенного момента изменения различных параметров жизнедеятельности микробных клеток. Ферментные комплексы электрон-транспортных цепей, расположенные в цитоплазматической мембране бактерий, способны откликаться на самые незначительные изменения окружающей среды [8]. Эффективно характеризовать состояние этих комплексов позволяет ЭПР-спектроскопия, детектирующая качественный и количественный состав парамагнитных центров в составе электрон-транспортных цепей как в цитоплазмати-ческой мембране бактерий, так и в мембранах хлоропластов и митохондрий эукариот [9].

Цель настоящей работы — выявить изменения функционального состояния клеток Escherichia coli K12 под действием рибонуклеазы Bacillus pumilis 3-19 в концентрациях, не вызывающих токсического и рост-стимулирующего эффектов у

бактерий, с помощью ряда методов физико-химического анализа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Фермент. В работе использована биназа, гуа-нил-специфичная РНКаза Bacillus pumilus 3-19 дикого типа (EC 3.1.27.3, молекулярная масса 12.3 кДа, 109 аминокислотных остатков, pI = 9.5), изолированная как гомогенный белок из культуральной жидкости рекомбинантного штамма Escherichia coli BL21, несущего плазмиду pGEMGX1/ent/Bi [10].

Среды и условия культивирования. В качестве тест-объекта использовали стрептомицинустой-чивый штамм E. coli К-12 (ВКПМ-3254), который культивировали в LB-бульоне в присутствии стрептомицина (100 мкг/мл) при 37° С в течение 18 ч. Затем культуру использовали как инокулят, перенося в свежую питательную среду (конечная концентрация клеток 1 х 106), инкубировали 24 ч при 37°С в присутствии биназы (100 и 300 мкг/мл) либо без нее, клетки осаждали центрифугированием (2600 g, 20 мин), затем ресуспендировали в натрий-фосфатном буфере (PBS, "Sigma", США), доводили их концентрацию до 3 х 109 КОЕ/мл и использовали для подготовки проб для ЭПР-анализа.

Цитофлуориметрический анализ жизнеспособности E. coli К12. 24-часовые культуры E. coli K12, выросшие в LB-бульоне, содержащем биназу, либо без нее, как описано выше, центрифугировали (2600 g, 20 мин). Затем клетки отмывали охлажденным натрий-фосфатным буфером ("Sigma", США) и анализировали с помощью проточного цитофлуориметра FACSCanto II (BD, США), определяя изменение жизнеспособности клеток E. coli K12 при их окрашивании йодидом пропи-дия (PI), согласно [11].

ЭПР характеристика парамагнитных центров в клетках E. coli К12. ЭПР характеристики клеток, инкубированных с биназой, определяли на стационарном спектрометре ESP-300 ("Bruker", Германия) с рабочей частотой 9.4—9.9 ГГц, при напряженности магнитного поля 20—1600 мТ (погрешность — не более 0.01 мТ), частоте модуляции 100 кГц при мощности СВЧ-излуче-ния 2—20 мВт, с использованием капилляров объемом 25 мкл ("Sigma", США). Образцы для эксперимента подготавливали в двух видах — замороженные при 77 К и лиофилизированные. Клетки лиофилизировали на сушке Martin Christ (Германия) при температуре —76°С и давлении 0.001 Бар до полного высушивания. В качестве контролей использовали биомассу бактерий, выращенных на среде без добавления биназы, надосадочную жидкость и натрий-фосфатный буфер ("Sigma", США). Спектры замороженных образцов регистрировали при 77 К. Лиофилизированные образцы исследовали при 15 К с помощью гелиевого

проточного криостата Oxford-9 (Великобритания), контроль температуры осуществляли с применением прибора ITC 4 Oxford (Великобритания).

Для определения активных форм кислорода (АФК) использовали спиновый зонд — циклический гидроксиламин М-(1-гидрокси-2,2,6,6-тетра-метилпипередин-4-ил-)-2-метилпропанамид гидрохлорид (TMTH) (Институт органической химии, Новосибирск), аналогичный широко применяющимся зондам для определения супероксида по генерации стабильного нитроксильного радикала [12]. В 1 мл суспензии E. coli К12 (1 х 107 кл/мл) вносили 1 мМ TMTH, спектры ЭПР регистрировали при комнатной температуре (25°C), мощности СВЧ излучения 1 мВт, на частоте 9.72 ГГц, амплитуде высокочастотной модуляции 0.3 Гаусс, с использованием капилляров объемом 25 мкл.

Определение содержания металлов в клетках E. coli К12. Количественное определение металлов проводили в соответствии со стандартами РФ согласно методическим указаниям [13]. Измерения осуществляли на масс-спектрометре Elan DRC II ("Perkin Elmer", США), образцы предварительно подвергали микроволновой подготовке в системе MWS-3 ("Berghof", Германия) при температуре 150°С, в присутствии азотной кислоты и бидистиллированной воды.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Цитофлуориметрическая оценка жизнеспособности клеток E. coli К12. Анализ жизнеспособности E. coli К12 показал, что биназа в концентрации, цитотоксической для малигнизированных клеток эукариот, не приводила к гибели бактерий. Доля нежизнеспособных клеток с компрометированной мембраной в вариантах с обработкой биназой составила 5.9 и 5.4% для концентраций РНКазы 100 и 300 мкг/мл соответственно, и не имела достоверных различий с вариантом без внесения фермента.

ЭПР-спектроскопия образцов клеток E. coli

К12. В препаратах клеток E. coli К12 было обнаружено несколько различных типов ЭПР-сигналов. Первый тип зарегистрирован в замороженных образцах при g = 2.00, причем интенсивность данного сигнала в клетках, обработанных биназой, была выше, чем в необработанных клетках (рис. 1, I, II). Этот же сигнал, но большей интенсивности наблюдали в образцах лиофилизированных клеток, с той же тенденцией к росту интенсивности после обработки ферментом (рис. 1, III). Значения g и форма линии сигнала позволяют предположить, что источником сигнала является радикал, содержащий серу [14].

Второй тип сигнала зарегистрирован при g = 3.00, его интенсивность не зависела от обработки клеток E. coli К12 биназой (рис. 1, I).

ть

с о н

и с н е т н И

g = 3.00

g = 2.00 /

g = 2.00

/

А

Б

Рис. 1. Спектры ЭПР клеток E. coli К12 (СВ частота 9.63 ГГц, мощность СВЧ 20 мВт): I — спектры ЭПР замороженных клеток в широком диапазоне магнитных полей при 77 К, II — спектры ЭПР замороженных клеток в области магнитных полей вблизи g = 2 при 77 К, III — спектры ЭПР лиофилизированных клеток в широком диапазоне магнитных полей при 15 К, IV — спектры ЭПР клеток, отрицательного контроля и супернатантов. А — клетки бактерий, обработанные биназой (300 мкг/мл, 24 ч), Б — клетки бактерий без обработки, В — натрий-фосфатный буфер, Г — супер-натант после осаждения клеток, инкубированных с биназой, Д — супернатант после осаждения необработанных клеток.

1000 2000 3000 4000 5000 6000

ть

с о н

и с н те

н И

II А

[\\ g = 2.00 g = 1.93 / / ' ' Б

Y

1 1 1 1 1 1 1 1 1

3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900

ть

с о н

rn

и с н те

н И

ть

с о н

m

и с н те

н И

g = 5.84 g = 4.27

А

Б

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Б

В

Г

IV "-■■■-.. Д

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Напряженность магнитного поля, Гаусс

Третий тип сигнала, присутствующий в спектрах, характеризовался g = 1.93. Сигнал хорошо различим при малой развертке магнитно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком