Идентификация генов биосинтеза эктоина у метилотрофной бактерии Methylarcula marina (стр. 3 из 11)
- полиолы (глицерин, арабит, манит), сахара и их производные (сахароза, трегалоза и глюкозилглицерин);
- цвиттерионные соединения и бетаины (глицинбетаин);
- аминокислоты (пролин, глутамин и глутамат);
- N-ацетилированые диаминокислоты (ацетилорнитин, ацетиллизин);
- амидные производные глутамата (N-карбамоилглутамиламид);
- эктоины (эктоин, гидроксиэктоин);
- метилированые сульфосоединения (диметилсульфониопропионат), накапливающиеся у цианобактерий и морских водорослей.
Эти исследования привели к ряду важных обобщений:
1. Синтезируемые de novo полиолы, такие как глицерин, арабит, инозит, часто накапливаются у галофильных и галотолерантных грибов, устойчивых к солям растений, но не обнаружены у галофильных бактерий.
2. Все “совместимые вещества”, синтезируемые или транспортируемые из среды, накапливаются в концентрациях, превышающих 500 мМ, и являются полярными, хорошо растворимыми молекулами, не несущими суммарного заряда.
3. Заряженные аминокислоты, такие как глутамат, b-глутамат, бетаинглутамат и другие, не накапливаются в очень больших количествах (более 400 мМ).
Осмолиты могут быть разделены на основании затрачиваемой клеткой энергии для их биосинтеза (Oren, 1999). При этом наиболее энергетически выгодным является биосинтез глицерина, эктоина и глицин-бетаина, наименее выгоден синтез сахарозы и трегалозы. Многие бактерии способны накапливать одновременно ряд осмопротекторов, при этом преобладание того или иного осмолита во многом определяется энергетическим статусом клетки и доступностью источника азота.
Все вышеперечисленные группы осмолитов можно разделить на три химические категории: 1) анионные растворимые вещества, 2) незаряженные растворимые вещества и 3) цвиттерионые растворимые вещества. В таблице 1 приведены распространенные у микроорганизмов совместимые растворимые вещества.
| Распространение у микроорганизмов | литература | ||
| Анионные органические осмолиты, содержащие карбоксильную группу | |||
| α-Глутамат |  | E. coli; Halomonas elongata; Methanohalophilus portucalensis; Methanobacterium thermoautotrophicum; Natronococcus occultus; Halobacterium sp.NRC-1 и H. salinarum; Erwinia chrysanthemi а также многие галотолерантные бактерии и метаногены | Roberts, 2004 Goude et al., 2004 |
| β-Глутамат |  | Methanothermococcus thermolithotrophicus; Methanocaldococcus jannaschii; Methanotorris igneus; Nocardiopsis halophila, у всех видов Nocardiopsis, Thermotoga neapolitana и T. maritime | Galinski and Trüper,1994; da Costa et al., 1998; Martin et al., 1999 |
| Глутаматбетаин |  | Calothrix sp. N181 | Mackay et аl., 1984 Roberts, 2004 |
| α-Гликозил-глицерат |  | Agmenellum quadruplicatum; Stenotrophomonas maltophilia; Methanohalophilus portucalensis Erwinia chrysanthemi | Roberts, 2004 Goude et al., 2004 |
| α-Маннозил-глицерат |  | Dehalococcoides ethenogenes; Methanothermus fervidus; Pyrococcus furiosus; Rhodothermus marinus и R. obamensis; Methanohalophilus portucalensis; Thermus thermophilus; Dehalococcoides ethenogenes; Rubrobacter xylanophilus; Aeropyrum pernix; Pyrococcus sp.; Thermococcus sp.; Archaeoglobus fulgidus | Empadinhas et al., 2004 Santos and da Costa, 2002 Martins et all., 1999; Goncalves et all., 2003 Lamosa et all., 1998; Neves et all., 2005 |
| Анионные органические осмолиты, содержащие фосфатные или сульфатные группы | |||
| Ди-мио-инозит-1,1’-дифосфат |  | Archaeoglobus fulgidus; Methanotorris igneus; Pyrococcus furiosus и P. woesei; Pyrodictium occultum; Thermotoga maritima | Martin et al., 1999; Roberts, 2004 Santos and da Costa, 2002 Martins et all., 1997 Martins et all., 1996 |
| α-Диглицерин- фосфат |  | Archaeoglobus fulgidus | Martins et all., 1997 Goncalves et all., 2003 |
| Цикло-2,3-дифосфоглицерат |  | Methanobacterium thermoautotrophicum; Methanopyrus kandleri; Methanothermus fervidus | Martins et all., 1997 |
| Сульфотрегалоза |  | Natronococcus occultus; Natronobacterium sp. | Desmarais et al., 1997 |
| Незаряженные органические осмолиты | |||
| Гликозил-глицерин |  | Морские и пресноводные цианобактерии: Synechocystis sp., Microcystis firma; фототрофные эубактерии: Rhodobacter sulfidophilum; Pseudomonas mendocina и P. рseudoalcaligenes; Stenotrophomonas sp. | Reed et al., 1986 Galinski, 1995; da Costa et al., 1998 |
| α-маннозил-глицерамид |  | Rhodothermus marinus и R. obamensis | Silva et al., 1999 |
| Трегалоза |  | Pyrobaculum aerophilum; Sulfolobus solfataricus и S.ambivalens; Thermoproteus tenax; Thermoplasma acidophilum; Actinopolyspora halophila; Scytonema species cемейства Thiocapsa, Thiocystis, Chromatium, а также Azotobacter chroococcum, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Rhizobium meliloti, Chromohalobacter israelensis; Desulfovibrio halophilus; Rhodothermus obamensis; Narialba magadii T. Thermophilus; Sinorhizobium meliloti | Galinski, 1995; da Costa et al., 1998 Page-Sharp et al., 1999 Nunes et all., 1995; Elbein et all., 2003 Goufii et all., 1999 |
| Сахароза |  | Synechocystis sp., Anabaena sp., Phormidium autumnale; Scytonema species; Chroococcidiopsis sp. Sinorhizobium meliloti | Reed et al., 1986; Hershkovitz et al., 1991; Page-Sharp et al., 1999; Desplats et all., 2005. |
| Na-карбамоил-L-глутамин-1-амид |  | Ectothiorhodospira marismortui | Oren et al., 1991. |
| N-α-ацетил-глутаминил-глутаминамид |  | Sinorhizobium meliloti; Rhizobium leguminosarum; Pseudomonas aeruginosa; пурпурные сульфобактерии Rhizobium meliloti, P. fluorescens, P. aeruginosa, P. putida, P. mendocina | Smith and Smith, 1989; D’Souza-Ault et al., 1993; Kets et al., 1996. |
| Манносахароза |  | Agrobacterium tumefaciens | Smith et al., 1990 |
| Цвиттерионые органические осмолиты | |||
| Глицинбетаин |  | Thioalkalivibrio versutus; Actinopolyspora sp.; Actinopolyspora halophila; Halorhodospira halochloris; Methanohalophilus portucalensis FDF1; Methanosarcina thermophila; Methanothermobacter marburgensis; Synechococcus sp. DUN52, B. subtilis E. coli, Staphylococcus xylosus Sinorhizobium meliloti, Halomonas elongata Methanobacterium thermoautotrophicum Marburg Ectothiorhodospira halochloris, Actinopolyspora halophila, галотолерантный фототроф Aphanothece halophytica Methanohalophilus portucalensis; Listeria monocytogenes | Lai et al., 1991 Boch et al., 1996, Østerås et al., 1998, Canovas et al., 2000, Nyyssölä et al., 2000, Waditee et al., 2003 Bayles et all., 2000 |
| Эктоин |  | Sporosarcina pasteurii; Bacillus pasteurii; Marinococcus halophilus; Brevibacterium epidermis, B. linens; Thioalkalimicrobium aerophilum; Vibrio cholerae и V.costociola; Chromohalobacter israelensis и C. salexigens; Halorhodospira halochloris; Halomonas elongata H. israelensis, H. variabilis; метилотрофы: Methylomicrobium alcaliphilum, Mm. keniense, Mm. buryatense; Methylophaga alcalica и M. natronica, Methylarcula terricola и M. marina; и многие галотолерантные бактерии | Canovas et al., 1997; Wohlfarth et al., 1990 Khmelenina et al., 1999 Doronina et all., 2000; Doronina et all., 2003a, b |
| Гидроксиэктоин |  | Halomonas elongata; Chromohalobacter salexigens; Nocardiopsis halophila; N. dassonvillei; Micrococcus halobius; Marinococcus halophilus, Marinococcus sp. M52; Brevibacterium casei, B. iodinum, B. linens, Streptomyces chrysomallus, S. griseolus; Salibacillus salexigens | Roberts, 2004 Frings et al., 1993 Severin et al., 1992 |
| Nε-ацетил-β-лизин |  | Methanothermococcus thermolithotrophicus; Methanosarcina thermophila, M. mazei Gö1, M. acetivorans. M. barkeri; Meyhanococcus jannaschii и M. maripaludis; Methanohalophilus portucalensis FDF1; Halobacillus halophilus Methanosarcina thermophila, Methanogenium cariaci, Methanohalophilus sp. и Methanococcus sp. Sporosarcina halophila, Planococcus citreus | Pflüger et al., 2003 Martin et al., 1999; Roberts, 2004 da Costa et al., 1998 |
| β-глутамин |  | Methanohalophilus portucalensis FDF1 | Roberts, 2004 |
| Пролин | B. subtilis и Planococcus citreus, Azospirillum brasilense некоторых видов Staphylococcus и Salinicoccus | Kempf et all., 1998 Miller et all., 1996 | |
| Диметил-сульфонио-пропионат |  | Морские водоросли; поглощается из среды E. Coli, S. typhimurium | Galinski, 1995; Welsh, 2000 Cosquer et. al., 1999; Pichereau et al., 1998 |
| Пипиколиновая кислота |  | Brevibacterium ammoniagenes, Sinorhizobium meliloti | Gouesbet et al., 1992 Gouffi et al., 2000 |
| Карнитин |  | Поглощаются из среды: E. coli, Lactobacillus plantarum, Listeria monocytogenes, Pediococcus halophilus, Brevibacterium linens, Pseudomonas aeruginosa, Listeria monocytogenes | Sleator, Hill, 2001 Kets et al., 1994 Bayles et all., 2000 Jebbar et al., 1998 |
Глава 2 Биосинтез эктоина и гидроксиэктоина
Эктоин как осмоактивное вещество впервые обнаружен Э. Галинским у фототрофной пурпурной бактерии Ectothiorhodospira halochloris (Galinski et al., 1985). По химической структуре эктоин может быть классифицирован как частично гидратированная иминокислота (1,4,5,6-тетрагидро-2-метил-4-пиримидин карбоксилат).
Накопление эктоина показано для различных галофильных и галотолерантных Г+ и Г- эубактерий, включая виды Nocardiopsis, Brevibacterium и Marinococcus, а также Halomonas, Pseudomonas и Vibrio (табл.1). Интересно отметить, что негалофильные эубактерии накапливают эктоин, транспортируя его из среды в гиперосмотических условиях (Jebbar et al., 1992, 2005; Peter et al., 1998, Malin and Lapidot, 1996).