научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫХ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA В БИОТЕХНОЛОГИИ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫХ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA В БИОТЕХНОЛОГИИ (ОБЗОР)»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 51, № 3, с. 290-304

УДК 663.12

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫХ ДРОЖЖЕЙ Yarrowia lipolytica

В БИОТЕХНОЛОГИИ (ОБЗОР)

© 2015 г. В. Ю. Секова, Е. П. Исакова, Ю. И. Дерябина

Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва, 119071 e-mail: elen_iss@mail.ru, yul_der@mail.ru Поступила в редакцию 20.08.2014 г.

В обзоре представлены некоторые области применения Y. lipolytica, отражающие важность этого организма и необходимость дальнейшего его изучения и применения в науке и промышленности. Способность дрожжей этого вида адаптироваться к различным условиям среды, в том числе экстремальным, росту на разнообразных субстратах и синтезу полезных продуктов делает этот штамм чрезвычайно перспективным для использования в биотехнологии.

Ключевые слова: Yarrowia lipolytica, экстремофильные дрожжи, биодизель, углеводородные субстраты, биоремедиация.

DOI: 10.7868/S0555109915030150

Один из распространенных и перспективных объектов биотехнологии в настоящее время — полиэкстремофильные дрожжи Уаггота Иро1уИса. Этот организм относится к типу аскомицетов (А8сотусо1аЛ подтипу гемиаскомицетов (8ассИа-готусойпаЛ классу сахаромицетов (8ассИаго-тусе1е8), порядку сахаромицетальных (8ассИаго-тусе1а1е8), семейству В1роёа8сасеае, роду Уаггота [1]. Естественными условиями обитания дрожжей являются различные среды, загрязненные гидрофобными веществами: нефтяные скважины, почвы и водоемы вблизи нефте- и мясоперерабатывающих предприятий, маслобоен, а также жиросо-держащие продукты питания (молочнокислые продукты, мясо, растительные масла и соусы на их основе), продукция птицеводства и рыбной промышленности [2]. Дрожжи У. Иро1уИса имеют ряд уникальных свойств, делающих этот организм перспективным объектом биотехнологии и научных разработок [3, 4]. Дрожжи этого вида способны активно развиваться на средах с необычайно широким набором источников углерода и азота, в том числе содержащих отходы пищевых производств с высоким содержанием трудно разлагаемых жиров и углеводородов, нефть, дизельное топливо, н-алканы — гиброфобные [5, 6] и гидрофильные (например, промышленный глицерин) субстраты [7], а также лигноцеллюлозное сырье (тростниковая багасса) [8] (табл. 1). Кроме того, дрожжи У. Иро1уИса способны в большом количестве синтезировать ферменты (липазы, протеазы, эстеразы, фосфатазы) и органические кислоты (лимонная, а-кетоглутаровая кислоты), а также накапливать внутриклеточно большое количество жиров и белков [9]. Дрожжи У. Иро1уИса также

обладают уникальной способностью активно развиваться в неблагоприятных условиях: на средах с экстремально высокими [10.0] и низкими (рН 3.0) значениями рН [10], что является ценным свойством для промышленной культуры. Дрожжи этого вида могут расти на средах с минимальным набором минеральных веществ, утилизируя при этом широкий спектр субстратов, включая токсичные, а также трудноусвояемые для других микроорганизмов отходы различных производств, значительно повышая их конкурентоспособность в микробных сообществах, снижая себестоимость конечных продуктов и делая этот вид уникальным для применения в различных областях биотехнологии. Более того, ассимилируя дешевые, а подчас и вредные субстраты, эти дрожжи способны продуцировать целый ряд ценных, частично перечисленных выше, продуктов.

В обзоре представлены различные аспекты использования полиэкстремофильных дрожжей У. Иро1уИса как уникального объекта для экологической и промышленной биотехнологии.

Использование в биотехнологии способности У. Иронией адаптироваться к экстремальным условиям. Способность дрожжей У. Иро1уИса адаптироваться к самым разнообразным условиям среды, в том числе экстремальным, делает этот штамм чрезвычайно перспективным для использования в биотехнологии. Возможность роста дрожжей при экстремальных значениях рН среды [11] позволяет создавать условия для устойчивого роста и предотвращения контаминации в масштабах промышленного производства при полу-

Таблица 1. Субстраты, используемые для биодеградации клетками Y. lipolytica

Субстрат Клеточный компартмент Пути утилизации Конечные продукты Источник

н-алканы ЭПР (ю-окисление); пероксисомы (Р-окисление) Цитохром Р450 моноокси-геназная система ЖК, дикарбоновые кислоты (ю-окисле-ние); ацетил-СоА (Р-окисление) [3, 77, 81]

ЖК Пероксисомы Р-окисление Ацетил-СоА [10, 82, 83]

ГС Внеклеточное пространство, цитозоль Липолитические ферменты: внеклеточные, внутриклеточные и мембранно-связанные липазы Свободные ЖК, глицерин [2, 9, 10, 84, 91]

Глицерин Цитозоль Глицерол-3-фосфатный и дигидроксиацетоновый пути Дигидроксиацетон-фосфат [8, 85]

Гексозы (глюкоза, фруктоза, манноза) Цитозоль Гликолитический путь Пировиноградная кислота [5, 86]

Органические кислоты Цитозоль, митохондрии Гликолитический путь, цикл трикарбоновых кислот Ацетальдегид, этанол, глюкоза, НАД(Ф)Н [10]

Этанол Цитозоль, митохондрии НАД(Ф)-зависимая алко-гольдегидрогеназа Ацетальдегид, НАДН [3, 10]

чении белка одноклеточных, липидов, органических кислот, липаз, биоэтанола и биодизеля.

Дрожжи Y. lipolytica, хорошо растущие в условиях, неблагоприятных для других видов грибов, давно привлекают к себе пристальное внимание ученых. Расшифрован полный геном дрожжей этого вида [12]. Однако механизм адаптации к экстремальным условиям (в частности, высоким значениям рН среды) до сих пор остается неизученным. В работе [11] была проведена идентификация белков, участвующих в механизме pH-адаптации Y. lipolytica с использованием штамма PO1f, выращенного при значениях pH 4.0, 5.5 и 9.0. Белковые экстракты этих культур были исследованы методом двумерного электрофореза, наиболее яркие пятна проанализированы методом MALDI-TOF масс-спектрометрии. Всего в ходе исследования было выявлено 8 белков, экспрессия которых изменялась в зависимости от pH. При этом 2 из них индуцировались в щелочных условиях, а 6 репрессировались. Одним из двух экспрессируемых в щелочных условиях белков оказался YALI0F17314p, известный также как митохондриальный порин (VDAC). Другой белок был идентифицирован как белок теплового шока YALI0B03366p, или Hsp12, связанный с цитоплаз-матической мембраной. Пориновые (VDAC — voltage dependent anion channels) каналы наружной мембраны митохондрий, обеспечивающие обмен метаболитов между цитозолем и матрик-сом, занимают особое место в защите митохондрий от переизбытка генерируемых активных форм кислорода [13, 14].

У дрожжей Б. cerevisiae идентифицированы 2 гена, кодирующие порины — РОЯ1, кодирующий близкий по проводящим свойствам гомолог УОАС1 млекопитающих (УУВАС1), и РОВ2, кодирующий УУОАС2, порин с неизвестными функциями, также присутствующий в наружной мембране митохондрий дрожжей, но не проявляющий кана-лобразующей активности [15]. Интересен тот факт, что активность и уровень экспрессии УУОАС1 находится под контролем Си^п — су-пероксиддисмутазы (СОД1), что определяет ре-докс-состояние цитозоля и клетки в целом [14— 16]. Считается, что именно через УУОАС1 происходит освобождение генерированного О-' из митохондрий в цитоплазму. Белок Шр12 предположительно принимает участие в репарации мембраны в стрессовых условиях [17]. В присутствии определенных жирных кислот в мембране белки Шр12, в обычном состоянии полностью развернутые, сворачиваются в спираль, увеличивая, таким образом, устойчивость и прочность. Можно предположить, что биологическая функция белка Шр12 состоит в стабилизации липидного состава митохондриаль-ных мембран при различных видах стресса. Такие изменения, вероятно, обеспечивают функционирование пориновых каналов внешней мембраны митохондрий, через которые удаляется избыток активных форм кислорода с последующей их детоксификацией в цитоплазме, что позволяет дрожжевой клетке в отличие от многих других видов грибов адаптироваться и выживать в экстремальных условиях.

Дрожжи У. Иро1уИса способны развиваться в средах с низкой активностью воды (вещества с

Таблица 2. Гены Y. lipolytica, участвующие в ассимиляции гидрофобных субстратов

Метаболический путь Семейство генов Гены Активность ферментов

GLS.95 LIP1, LIP3, L1P6 Липазы

Гидролиз липидов GLS.94 LIP2, LIP4, LIP5, LIP7, LIP8, LIP9-LIP19 Липазы

Гидроксилирование жирных кислот и алканов GLR.3196 ALK1-ALK12 (CYP52), YALI0A18062g, YALI0B21824g, YALI0B21824g, YALI0E14509g Цитохромы Р450

GLR.2026 POX1-POX6 Ацил-СоА оксидазы

GLR.3319 YALI0D06215g, YALI0F22121g, YALI0A07733g, YALI0B10406g Диеноил-СоА-гидратазы/изо-меразы

GLC.1852 YALI0C19965g, YALI0D05929g, YALI0F29975g 3-оксацилредуктазы

Р-окисление GLC.1876 YALI0C16797g, YALI0D15708g, YALI0E12573g, YALI0F23749g, YALIOAl 423g, YALI0A15103g, YALI0B05456g, YALI0B07755g, YALI0C05885g Ацил-СоА дегидрогеназы

GLC.1427 YALI0D17314g, YALI0E05951g, YALI0E11979g, YALI0E12419g, YALI0E20405g, YALI0F06556g 4-кумарат-СоА лигазы

GLC.1851 YALI0C03003g, YALI0D01694g, YALI0E14322g Пероксисомальные 2-4 диенол-СоА редуктазы

низкой влажностью, насыщенные и близкие к насыщению растворы солей) и поэтому их можно обнаружить в природных средах, близких по своим физико-химическим свойствам к насыщенным растворам солей [18—20].

В работе [21] было показано, что при инкубировании Y. lipolytica на средах с высоким содержанием NaCl (до 9%) площадь клеток сильно увеличивалась в первые 30 мин, клетки приобретали более округлую форму и переходили к накоплению свободных жирных кислот, свободных аминокислот и ионов натрия, что давало возможность дрожжевой клетке нейтрализовать повышенное содержание соли в окружающей среде [20].

Накопление и утилизация липидов. При утилизации различных гидрофобных субстратов дрожжи Y. lipolytica способны накапливать внутри клетки липиды в относительно больших количествах, что является важным фактором устойчивости к неблагоприятным условиям окружающей среды. Накопленные в виде триглицеридов (ТГ) липиды служат запасными источниками энергии для синтеза АТФ в клетке [22—26]. Хорошо изученный геном Y. lipolytica позволяет проводить идентификацию генов и белков, участвующих в тех или иных метаболических процессах, в том числе таких, как аккумуляция липидов и утилизация гидрофобных с

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