Рост бактерии Basillus subtilis и биосинтез нуклеозида инозина на высоко-дейтерированной среде (стр. 2 из 3)
Количественный и качественный состав аминокислот биомассы метилотрофных бактерий B. methylicum, а также степени дейтерированности аминокислот показаны в таблице. Как видно из данных таблицы, показателем, позволяющим надеяться на высокую эффективность включения дейтерия в синтезируемый продукт служит максимальный уровень дейтерированности аминокислот суммарного белка этих бактерий.
ТАБЛИЦА.
Аминокислотный состав метилотрофных бактерий B. methylicum, полученных в полностью дейтерированной среде dM9 и их уровни дейтерированности.
| Аминокислота | Содержание в белке, % | Уровни дейтерированости, % |
| Глицин | 9,69 | 90,0 |
| Аланин | 13,98 | 97,5 |
| Валин | 3,74 | 50,0 |
| Лейцин | 7,33 | 49,0 |
| изолейцин | 3,64 | 49,0 |
| фенилаланин | 3,94 | 95,0 |
| Тирозин | 1,82 | 92,8 |
| Серин | 4,90 | 86,6 |
| треонин | 5,51 | не определяли |
| метионин | 2,25 | не определяли |
| аспарагиновая кислота | 9,59 | 66,6 |
| глутаминовая кислота | 10,38 | 70,0 |
| Лизин | 3,98 | 58,9 |
| Аргигин | 5,27 | не определяли |
| гистидин | 3,72 | не определяли |
Экспериментально разработанный способ получения дейтерий-меченного инозина представлен на схеме. Его основные этапы: наработка дейтерированной биомассы метилотрофных бактерий B. methylicum путем культивирования бактерий в полностью дейтерированной среде dM9; выделение фракции общих белков биомассы и их гидролиз; ферментация базового штамма B. subtilis на среде, приготовленной на основе 99,9 ат% 2Н2О и гидролизатов биомассы метилотрофных бактерий; выделение инозина, включая его адсорбцию активированным углем, десорбцию спиртово-аммиачным (1:1) раствором и последующую кристаллизацию инозина из метанола. Чистоту полученного инозина контролировали методом тонкослойной хроматографии (ТСХ), используя в качестве сравнения хроматографически чистые стандарты нуклеозидов. ТСХ инозина, выделенного из культуральной жидкости, показала наличие в анализируемом образце единственного пятна с Rf = 0,51, соответствующего по подвижности чистому инозину.
Изучение ростовых и биосинтетических характеристик B. subtilis. При изучении роста штамма B. subtillis и уровня накопления инозина в КЖ использовали следующие среды:
1). Ферментационная среда (FM-среда), приготовленная стандартно на обычной воде.
2). Ферментационная среда, приготовленная из 99,9 ат.% 2Н2O (dFM-среда) и содержащяя дейтерий-меченную биомассу метилотрофных бактерий, выделенную, соответственно из среды dМ9.
Кривые, отражающие динамику роста, ассимиляции глюкозы и накопление инозина в культуральной жидкости штаммом B. subtilis в условиях протонированной среды и среды, содержащей тяжелую воду и гидролизаты биомассы метилотрофных бактерий, представлены на рис.3. Сравнивая данные по росту штамма на протонированной и dFM-среде, можно заключить, что рост B. subtilis на dFM-среде (рис.3) слабо ингибируется дейтерием, поэтому выход биомассы, продолжительность лаг-фазы и длительность времени клеточной генерации при переносе клеток B. subtillis со стандартной на дейтерированную среду в целом изменяются незначительно. Как видно из рис.3, при росте штамма на среде, содержащей обычную воду уровень накопления инозина в культуральной жидкости достигал величины 18,3 г/л после пяти суток культивирования. Вместе с тем, биосинтез инозина на dFМ-среде, был снижен в 4,6 раз по-сравнению с исходным штаммом на протонированной среде (рис.3). Такие низкие уровни секреции инозина на dFM-cреде коррелируют со степенью конверсии глюкозы в этих условиях. Как видно из рис.3, кривая конверсии глюкозы на полностью дейтерированной среде имеет меньший угол наклона, чем на среде с обычной водой, что свидетельствует о том, что при росте на 2Н2O глюкоза расходуется менее эффективно. Вместе с тем мы не исключаем, что все эти вышеназванные эффекты могут возникать не вследствие ингибирования дейтерием биосинтеза , а в результате неэквивалентной замены БВК на биомассу метилотрофных бактерий. Предметом дальнейших исследований будет разработка и оптимизация сбалансированных по ростовым факторам сред на основе биомассы метилотрофных бактерий.
Полученные данные в целом подтверждают устойчивое представление о том, что адаптация к 2Н2О является фенотипическим явлением, поскольку адаптированные к тяжелой воде клетки возвращаются к нормальному росту и биосинтезу в протонированных средах после некоторого лаг-периода. В то же время обратимость роста на 2Н2O и Н2O средах теоретически не исключает возможности того, что этот признак стабильно сохраняется при росте в Н2О, но маскируется при переносе клеток на дейтерированную среду. Можно предположить, что клетка реализует лабильные адаптивные механизмы, которые способствуют функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в 2Н2O. Нам представляется выбор бактерий в качестве модельных объектов для этих целей наиболее целесообразным, так как прокариоты как организмы, стоящие на более низких ступенях развития живого,наиболее лабильны в генетическом аспекте и тем самым быстрее реагируют и приспосабливаются к изменчивым факторам среды. Для того чтобы сделать более конкретные выводы о природе и механизме адаптации клеток к тяжелой воде, необходимы экспериментальные данные по физиологии и биохимии адаптированных клеток.
Исследование степени дейтерированности инозина. Масс-спектр полученного инозина приведен на рис. 4, б относительно контрольного (а) (немеченный инозин). Как видно из рис. 4, присутствие в масс-спектре дейтерированного образца пика, соответствующего катионизированному молекулярному иону инозина МН+. с m /z 274 (вместо m/z 269 в контрольных условиях), а также пиков характерных фрагментов рибозы [C5H9O4]+с m /z 136 (вместо m/z 133) и гипоксантина [C5H4ON4]+ 138 (вместо m/z 136) подтверждает, что степень дейтерированности инозина составляет 5 атомов из 8 детектируемых по скелету молекулы (62,5 % относительно общего количества атомов водорода в молекуле). Из пяти включенных в инозин атомов дейтерия, три локализуются в рибозной части молекулы, и два атома дейтерия - в гипоксантиновом остатке. Кроме этого, в масс-спектрах инозина детектируются пики с m/z 82 и 109, которые соответствуют продуктам распада гипоксантина.
Рис. 4
При анализе степени дейтерированности инозина учитывались следующие аспекты. Во-первых, вследствие того что протоны (дейтероны) в С’1-С’5 положениях рибозной части молекулы инозина могли происходить из глюкозы, авторы предположили,что характер биосинтетического включения дейтерия в рибозной части молекулы инозина определяется в основном функционированием ряда процессов гексозомонофосфатного ГМФ-шунта, связанных непосредственно с ассимиляцией глюкозы и других сахаров. Во-вторых, многочисленные обменные процессы и внутримолекулярные перегруппировки, происходящие с участием 2Н2O также могли приводить к специфическому включению метки по определенным позициям в молекуле инозина.Такими доступными позициями в молекуле инозина признаны прежде всего гидроксильные протоны -ОН и протоны при гетероатомах -NH (последние могут обмениваться на дейтерий в 2Н2O за счет кето-енольной таутомерии). Три атома дейтерия в рибозном остатке молекулы инозина могли происходить за счет функционирования многочисленных реакций ГМФ-шунта, два атома дейтерия в гипоксантине также могли синтезироваться de novo.
Преимущества разработанного метода получения высокодейтерированного инозина заключаются в следующих аспектах:
-1. В способности штамма B. subtilis к росту и биосинтезу инозина на среде, содержащей максимальные концентрации тяжелой воды.
-2. Замене необходимых для роста бактерий субстратов на гидролизаты дейтерий-меченной биомассы метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum. При последующих ферментациях в качестве источника ростовых факторов можно использовать ту же дейтерий-меченную биомассу метилотрофных бактерий, либо биомассу самого штамма-продуцента, содержащую в своем составе соединения, которые могут служить источниками углерода и ростовых факторов.
-3. В отсутствие большого количества отходов: согласно схеме дейтерий-меченная биомасса штамма продуцента, предварительно гидролизованная в 2НCl возвращается в цикл в качестве ростовых факторов.
-4. В высокой степени изотопного обогащения дейтерий-меченного инозина.
Таким образом, проведенные исследования подтвердили эффективность данного подхода для препаративного получения высокодейтерированного инозина. Согласно разработанной схеме можно получить несколько граммов дейтерий-меченного инозина с 1 литра культуральной жидкости. Аналогичные подходы по препаративному получению других дейтерий-меченных нуклеозидов в настоящее время активно изучаются.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Lawrence P. McIntosh and Frederic W. Dahlquist //Quarterly Reviews of Biophysics. - 1990. - V.23. - N.1. - P.1-38.
2. Girishchandra B. Patel, G. Dennis Sprott, and Irena Ekiel. // Appl. and Environ. Microbiology. - 1993. - V.59. - No.4. - P.1099-1103.
3. LeMaster , D.M., and J.E. Cronan.// J. Biol. Chem. - 1982. - V.257. - P.1224-1230.
4. Katz J. and Crespi H.L. // Pure Appl. Chem. - 1972. - V.32. - P. 221-250.
5. Anthony C.// The biochemistry of methylotrophs. - London.:Acad. Press. - 1982. - P.430-500.