научная статья по теме ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АКТИНОБАКТЕРИЙ КАК ОСНОВА ИХ ВЫСОКОЙ БИОДЕГРАДАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АКТИНОБАКТЕРИЙ КАК ОСНОВА ИХ ВЫСОКОЙ БИОДЕГРАДАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ (ОБЗОР)»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 51, № 2, с. 132-139

УДК 57.088.3;57.037;57.042.2

ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АКТИНОБАКТЕРИЙ КАК ОСНОВА ИХ ВЫСОКОЙ БИОДЕГРАДАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ (ОБЗОР)

© 2015 г. И. П. Соляникова, Л. А. Головлёва

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Московской обл., 142290

e-mail: golovleva@ibpm.pushchino.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.

В обзоре приведены литературные и собственные данные о деградации устойчивых органических соединений актинобактериями. Охарактеризованы такие свойства этих микроорганизмов, как способность выживать в неблагоприятных условиях окружающей среды, сохраняя при этом длительное время метаболическую активность, и разлагать природные и синтетические вещества, обладая ферментами с широкой субстратной специфичностью. Обсуждаются пути трансформации ключевых интермедиатов и способность актинобактерий к организации новых путей. Описаны способы повышения деструктивной активности их культур.

Ключевые слова: актинобактерии, ксенобиотики, ферменты биодеградации, алкилгидроксибензо-лы, иммобилизация.

DOI: 10.7868/S0555109915020208

Загрязнение окружающей среды устойчивыми токсичными соединениями остается одной из наиболее значимых проблем современности. Основные источники загрязнений окружающей среды — это вещества, синтезированные человеком и попадающие в окружающую среду в результате их широкого применения, а также отходы производства. Среди особо стойких загрязнителей выделяют полихлорбифенилы (ПХБ), (по-ли)хлорфенолы, взрывчатые вещества, синтетические амины и медицинские субстанции. Вторыми по степени загрязнения окружающей среды являются соединения природного происхождения, но токсичные для организмов, например различные компоненты нефти, хлорфенолы, бен-зоат, салицилат и др.

Отрицательное техногенное влияние на организмы усиливается и экологическими факторами. Быстрому извлечению из почвы и воды органических загрязнителей с помощью микроорганизмов препятствуют такие природные факторы, как неблагоприятные климатические условия, включающие высокие или низкие температуры, незначительные по времени периоды температур, оптимальные для их роста и размножения микроорганизмов и неоптимальные для их роста влажность и рН, а также условия засоления почв. Все это может затруднять или полностью препятствовать разложению поллютантов микробами. Учитывая вышесказанное, далеко не все микроорганизмы могут быть использованы в технологиях очистки окружающей среды.

Особенности нокардиоподобных микроорганизмов. Группа нокардиоподобных актиномицетов по способности осуществлять трансформацию различных соединений является одной из самых перспективных. Исследования, проводимые на протяжении нескольких десятилетий, показали, что чистые культуры и консорциумы бактерий родов Gordona, Nocardia, Rhodococcus и Arthrobacter обладают уникальным свойством утилизировать большое количество органических соединений природного и искусственного происхождения. Штамм Rhodococcus opacus GM-14 использовал в качестве единственного источника углерода 48 из 117 исследованных ароматических соединений [1]. Штамм R. jostii RHA1 в условиях кометаболиз-ма утилизировал ПХБ [2]. Особенность этого штамма — присутствие большого количества ок-сигеназ. Исследование его полного генома показало, что он содержит 9145 генов, кодирующих белки, среди которых 203 оксигеназы, 30 из них участвуют в разложении ароматических соединений [3].

Физиологические особенности родококков, являющихся одними из наиболее изученных но-кардиоподобных бактерий, определяют перспективность их использования в биотехнологии. Местами их естественного обитания часто являются загрязненные участки почв и водоемов. Родокок-ки относятся к устойчивым обитателям экосистем даже в условиях голодания, поскольку на разложение ими поллютантов не влияет присутствие более доступных источников углерода. Клетки родокок-

ков гидрофобны благодаря присутствию алифатических цепей миколовых кислот в клеточной стенке, что позволяет им разлагать гидрофобные поллютанты, адгезируясь в интерфазе масло/вода. Некоторые штаммы родококков являются психрофильными, что очень существенно для биоремедиации в холодном климате [4].

Было показано, что актинобактерии способны разлагать широкий спектр устойчивых ксенобиотиков. Так, штаммы Я. ораеш Ю, 1СР, 6а, 412, 557, Я. rhodnii 135 в качестве субстратов могут использовать: фенол, 4-хлорфенол (4-ХФ) и 4-метилбен-зоат (п-толуат), бензоат, 3-хлорбензоат (3-ХБК), 2,4,6-трихлорфенол, толуол, феруловую и ванилиновую кислоты, п-крезол [5—8].

Уникальным деструктором целого спектра органических токсикантов является штамм Я. ораеш 1СР [5]. Исследования, проводимые в течение ряда лет, выявили биохимические и генетические особенности этого штамма, позволяющие ему осуществлять полное разложение таких токсичных соединений, как 2-хлорфенол (2-ХФ), 4-ХФ, 3-ХБК, бензоат, фенол, крезол и п-толуат [7, 9— 11]. Установлено, что разложение 4-ХФ протекает по модифицированному орто-пути с участием в качестве центрального интермедиата 4-хлорпи-рокатехина (4-ХПК) [9, 10]. Полная утилизация

2-ХФ штаммом Я. ораеш ЮР достигается благодаря присутствию у него линейной мегаплазмиды размером 740 т. п. н., на которой расположены гены, кодирующие ферменты орто-пути. Этот путь назван нами «новым модифицированным», поскольку ранее его аналоги не были обнаружены ни у одного из известных штаммов-деструкторов, имеющих модифицированный орто-путь с идентифицированными интермедиатами и охарактеризованными ферментами [12]. Хлорпирокатехин 1,2-диоксигеназа (ХПК 1,2-ДО), хлормуконат-циклоизомераза (ХМЦИ), хлормуконолактон-дегалогеназа (ХМЛД), диенлактонгидролаза (ДЛГ), участвующие в функционировании этого пути, обеспечивают эффективное превращение

3-хлорпирокатехина (3-ХПК), продукта начального превращения 2-ХФ и 3-ХБК, в малеилаце-тат [7]. Функции ХМЛД будут более подробно рассмотрены в следующем разделе.

Одной из уникальных особенностей актино-бактерий-деструкторов ароматических соединений является их способность расти на смеси субстратов. В условиях реального загрязнения природных объектов присутствуют органические соединения, несущие заместители различной природы. Так, "классической" является проблема разложения смеси хлор- и метилзамещенных ароматических соединений. Основная трудность в данном случае заключается в том, что разложение этих соединений микроорганизмами происходит по двум различным путям (путь орто-расщепления ХПК и путь мета-расщепления метилпирокате-

хинов, метил-ПК). При этом, как мета-расщепление ХПК так и орто-расщепление метил-ПК приводит к образованию, как правило, неметаболизи-руемых микроорганизмами интермедиатов [13]. Благодаря присутствию специфичных ферментов штамм Я. ораеш 6а впервые был адаптирован к росту на смеси 4-ХФ и п-толуата [14]. На смеси этих субстратов способны расти клетки, предварительно выращенные как на 4-ХФ, так и на п-толуате. Однако клетки, выросшие на 4-ХФ, характеризовались более низкими показателями роста. Изучение субстратной специфичности диоксигеназы указывало на возможность индукции изофермен-тов при разложении актинобактериями смесей соединений [15, 16].

Новые ферменты и пути биодеградации, индивидуальность микроорганизмов. Способность микроорганизмов трансформировать или полностью разлагать различные ксенобиотики определяется процессами обмена генетическим материалом между микроорганизмами в естественных условиях и при лабораторной эволюции новых микробных путей и отдельных ферментов, в результате чего у микроорганизмов может накапливаться запас генов, не экспрессируемых в естественных условиях [17—21]. Такие гены расположены часто на дополнительных генетических элементах, таких, как К-элементы и линейные мегаплазмиды [12]. Эти гены могут экспрессироваться или изменяться, когда организм попадает в новые для себя, часто стрессовые, условия. Особое биологическое значение имеет присутствие нескольких изофунк-циональных ферментов, так как процесс индукции является специфичным [22]. Можно заключить, что возможность индуцировать несколько ферментов дает клетке преимущества как при адаптации к существующим условиям, так и при ответе на любые изменения, что в целом расширяет ее адаптивный ответ на воздействие окружающей среды.

Важную роль в расширении биодеградативно-го потенциала бактерий играет горизонтальный перенос генов. Однако его механизмы и условия реализации остаются малоизученными. Так, отсутствует ответ на вопрос, какие факторы влияют на передачу генов от одного штамма бактерий другому. Определяется ли эта передача видовой принадлежностью клеток, каковы условия и пути дальнейшего распространения штаммов с новыми генами/группами генов и что ограничивает беспрепятственное распространение генов, наличие которых было бы полезно микроорганизмам. Были получены данные о распространении ХМЛД (=ClcF) у родококков [23]. Как упоминалось в предыдущем разделе, ХМЛД является ферментом, обнаруженным в пути разложения 3-ХПК у 2-ХФ-варианта штамма Я. ораеш 1СР. ClcF осуществляет дегалогенирование образующегося под действием ХМЦИ 5-хлормуконолак-

2000 4000 6000 8000 10000120001400016000 18000 2000 4000 6000 8000 1000012000140001600018000

m/z m/z

Рис. 1. МАЛДИ-TOF спектры целых клеток (а) и частично очищенной ХМЛД (б) штамма R. wratislaviensis G10, выращенного на 2-хлорфеноле.

11194 Да — масса ХМЛД, 5598 и 3732 Да — массы, предположительно, дважды и трижды протонированной формы ХМЛД соответственно [23].

тона (5-ХМЛ) с образованием цис-диенлактона, являющегося субстратом для ДЛГ [7]. Функция этого нового фермента — заполнить "метаболический провал" в пути превращения 2-ХФ у грам-положительного штамма R. opacus 1CP, так как ферменты данного штамма, участвующие в других путях разложения, вследствие особенностей субстратной специфичности, не способны осуществлять превращение 3-ХПК в малеилацетат. Аналоги ClcF отсутствуют в модифицированных путях разложения 3- и 4-ХПК как грамположи-тельных, так и грамотрицательных бактерий.

Было проведено исследование распространения

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