МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 84, № 1, с. 3-26
= ОБЗОРЫ
УДК 579.222.3
УЧАСТИЕ Щ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ © 2015 г. А. А. Цыганков1, А. Н. Хуснутдинова
Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук, Пущино, Московская обл.
Поступила в редакцию 01.07.2014 г.
Представители пурпурных бактерий способны использовать Н2 в фотоавтотрофных, фотомиксо-трофных и хемоавтотрофных условиях, проявляя высокую лабильность клеточного метаболизма. В зависимости от используемого типа метаболизма водород может поглощаться, поставляя энергию и/или восстановительные эквиваленты. С другой стороны, пурпурные бактерии выделяют Н2 в качестве конечного акцептора электронов, а также при азотфиксации. Таким образом, метаболизм водорода у пурпурных бактерий многообразен, и эти бактерии часто используются как модельный объект при изучении особенностей метаболизма и взаимосвязей метаболических путей с участием молекулярного водорода. В обзоре представлено современное состояние исследований метаболизма водорода у пурпурных бактерий и его возможной практической значимости. Кратко рассмотрены основные ключевые ферменты метаболизма водорода, нитрогеназы и гидрогеназы. Приведена обобщенная схема участия Н2 в метаболизме пурпурных бактерий. Рассмотрены имеющиеся экспериментальные подходы, применяемые при изучении скоростей выделения водорода. Отмечено, что иммобилизованные культуры являются наиболее перспективным подходом для разработки модельных систем получения водорода.
Ключевые слова: пурпурные бактерии, метаболизм водорода, получение Н2 за счет энергии света, гидрогеназа, нитрогеназа.
DOI: 10.7868/S0026365615010152
ВВЕДЕНИЕ
Пурпурными бактериями называют про-теобактерии, способные к аноксигенному фотосинтезу. В соответствии с особенностями метаболизма серы пурпурные бактерии подразделяются на серные и несерные, причем описанные серные бактерии относятся к классу гаммапротеобакте-рий, тогда как пурпурные несерные бактерии встречаются как в классе альфапротеобактерий, так и бетапротеобактерий. Пурпурные серные бактерии растут в пресной и соленой воде и почве, где поддерживаются анаэробные условия, доступно солнечное освещение и имеется значительное количество восстановленных серных соединений. Пурпурные несерные бактерии можно выделить из освещенных мест, богатых органическими соединениями. Многие представители пурпурных серных бактерий способны расти в фотоавтотрофных и фотомиксотрофных условиях, а также в темноте за счет дыхания (при низком содержании кислорода) или брожения, в то время как пурпурные несерные бактерии имеют более подвижный метаболизм. Они способны использовать широкий спектр органических соедине-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: ttt-00@mail.ru).
ний для роста в фотогетеротрофных и хемогете-ротрофных (за счет дыхания или брожения) условиях. Кроме того, они способны к росту в фотоавтотрофных условиях с использованием Н2, восстановленных соединений серы и даже металлов, а также в хемоавтотрофных микроаэробных условиях с использованием Н2.
В соответствии с используемым пурпурными бактериями типом метаболизма Н2 может являться донором электронов и/или источником энергии, а также акцептором электронов. При этом активацию Н2 при его потреблении или выделении осуществляют разные ферменты. Одновременно в бактерии может проходить несколько разных последовательностей реакций с использованием или выделением Н2. Кроме того, Н2 является и побочным продуктом азотфиксации. Таким образом, метаболизм водорода у пурпурных бактерий сложен и многообразен. Поэтому пурпурные бактерии являются важным объектом изучения как особенностей метаболизма водорода, так и взаимосвязей разных метаболических цепей, в которых участвует молекулярный водород. Вследствие высоких скоростей роста в азот-фиксирующих условиях пурпурные бактерии
способны выделять водород на свету с высокой скоростью. Эта способность пурпурных бактерий привлекает исследователей как возможный практически важный процесс получения молекулярного водорода как топлива за счет использования альтернативного источника энергии — света.
В обзоре представлено современное состояние исследований метаболизма водорода у пурпурных бактерий и его возможной практической значимости.
УЧАСТИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА В МЕТАБОЛИЗМЕ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ
В настоящее время можно считать установленным, что активация молекулы водорода для разных метаболических цепей катализируется разными ферментами, которые можно разделить на 2 типа: гидрогеназы и нитрогеназы. Гидрогеназы, в зависимости от их функциональной роли в метаболизме, участвуют в поглощении и/или выделении H2. В случае нитрогеназ известно лишь их участие в выделении водорода. В данном обзоре изученные особенности метаболизма водорода у пурпурных бактерий описаны на основании классификации гидрогеназ. Это связано с тем, что гидрогеназы одного типа, находящиеся в разных бактериях, катализируют активацию H2 для участия в схожих метаболических цепях, а также с тем, что пурпурные бактерии не являются филогенетически обособленной группой.
Классификация гидрогеназ
На основании наличия металлов в активном центре гидрогеназ, они подразделяются на Fe-Fe-, Ni-Fe- и Fe-гидрогеназы (в которых активный центр находится не внутри белковой глобулы, а присоединен в виде кофактора). Ранее Fe-Fe гидрогеназы называли Fe-гидрогеназами, а Fe-гид-рогеназы — не содержащими металлов. После обнаружения у последних необычного активного центра, присоединенного в виде кофактора, содержащего железо [1], их стали называть Fe-гид-рогеназами, что потребовало изменения названия гидрогеназ, содержащих в активном центре 2 молекулы железа, причем сам активный центр встроен внутри белковой глобулы [2]. Наибольшее разнообразие кодирующих генов и свойств ферментов наблюдается среди Ni-Fe-гидрогеназ, что позволило их разделить на 5 групп (табл. 1). При этом принадлежность к той или иной группе Ni-Fe-гидрогеназ определяется наличием у них уникальных кодирующих последовательностей, не встречающихся в других гидрогеназах [3]. В частности, именно отличием в кодирующих последовательностях определяется различие групп 3b и 3d, поскольку эти группы гидрогеназ выполняют одинаковые функции в клетках (табл. 1).
Следует отметить, что многие пурпурные бактерии способны к росту в фотоавтотрофных условиях с использованием водорода, что, несомненно, свидетельствует о наличии у них гидрогеназ. Однако не у всех гены той или иной гидрогеназы известны, что не позволяет внести их в табл. 1.
Термины "поглощающие", "выделяющие" и "обратимые", применяемые в табл. 1, требуют некоторого пояснения. Все гидрогеназы катализируют активацию молекулярного водород обратимо. Однако в тестах выделения водорода в присутствии восстановленного метилвиологена и поглощения водорода в присутствии окисленного акцептора электронов (чаще всего бензилвиоло-гена) гидрогеназы разных групп ведут себя неодинаково. Обратимые гидрогеназы имеют примерно одинаковую активность в обоих тестах. Водо-родпоглощающие гидрогеназы более активны в реакции поглощения, а водородвыделяющие более активны в реакции выделения водорода. Связано это с различием условий проведения разных тестов. Реакция выделения водорода проводится в восстановительных условиях (практически весь метилвиологен восстановлен, Eh < —550 мВ), тогда как реакция поглощения — в более окислительных (Eh > —150 мВ). Вместе с тем, для разных гидрогеназ показано, что их активность зависит от редокс-потенциала среды [4, 5]: водородпогло-щающие имеют максимум активности при ре-докс-потенциале 0—200 мВ, водородвыделяющие — при Eh < —300 мВ, а обратимые, после их активации, — в широком диапазоне редокс-потенциала. Редокс-потенциал максимальной активности в значительной степени характеризует функцию гидрогеназы в клетках.
До настоящего времени Fe-Fe-гидрогеназы из пурпурных бактерий не выделены, и считается, что пурпурные бактерии не способны синтезировать гидрогеназы этого типа. Тем не менее, в геноме Rhodopseudomonas (Rps.) palustris BisA53 и Rhodopsirillum (Rsp.) rubrum обнаружен ген, аннотированный как структурный ген Fe-Fe-гидроге-назы hydC [3, 6]. Ген Fe-Fe гидрогеназы из Rsp. rubrum был успешно гетерологично экспрессирован в Eshcherichia coli в присутствии аксессорных генов Clostridium (C.) acetobutilicum с получением активного белка. Гомологичная экспрессия не приводила к синтезу активного белка, видимо, в связи с отсутствием аксессорных белков в геноме [6, 7]. Аналогичные гены обнаруживаются у представителей пурпурных несерных бактерий Phaeospirillum (Ph.) fulvum (номер доступа в GenBank NCBI: EPY03056) Rhodovulum (Rh.) sp. (WP_008382437) и Ph. molischianum (WP_002727095).
Оказалось, что филогенетически гены Fe-Fe-гидрогеназ Rps. palustris BisA53 и Rsp. rubrum близки периплазматической Fe-Fe-гидрогеназе Des-ulfovibrio (D.) vulgaris, которая, в отличие от боль-
Таблица 1. Классификация Fe-Ni-гидрогеназ
Группа Функции гидрогеназ Пурпурные бактерии, имеющие в геноме последовательность данной гидрогеназы
1 Мембрансвязанные Н2-поглощающие гидрогеназы Rhodobacter capsulatus; Rhodobactersphaeroides; Rhodopseudomo-nas palustris; Rhodospirillum rubrum; Rubrivivax gelatinosus; Rhod-oferax ferrireducens; Phaeospirillum fulvum; Phaeospirillum molis-chianum; Rhodovulum sp.; Rhodomicrobium vannielii; Thiocapsa roseopersicina; Allochromatium vinosum; Thiorhodococcus drewsii; Thiocapsa marina; Thiocystis violascens; Lamprocystispurpurea; Thiohalocapsa sp.; Marichromatiumpurpuretum; Thiorhodovibrio sp.; Thioflavicoccus mobilis; Thioalcalivibrio sp.
2а Мембрансвязанные Н2-поглощающие гидрогеназы цианобактерий —
2b Гидрогеназы — сенсоры Н2 Rb. capsulatus; Rb. sphaeroides; T. roseopersicina; Rf. ferrireducens; Rps. palustris; Rv. gelatinosus; Rm. udaipurense; Trhiorhodococcus sp.; Thioalkalivibrio sp.; Tr. drewsii; Rm. vannelii; T. marina
3a Гидрогеназы, взаимодействующие с F420 -
3b Обратимые гидрогеназы, взаимодействующие с NADPH Rb. capsulatus; Rhodovulum sp.; Thiorhodospira sp.; Thioalkalivibrio thiocyanoxidans;
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.