Использование ауксотрофных мутантов бактерий для получения изотопномеченных аминокислот и белков

Использование ауксотрофных по определённым аминокислотам форм микроорганизмов для биосинтеза изотопномеченых аминокислот и белков стало настолько популярным в биотехнологии, что сегодня его следует рассматривать как отдельное направление. Селективность мечения белков достигается в результате добавления в ростовую среду меченого аналога соответствующей аминокислоты или её предшественника, по которым штамм ауксотрофен и которые, вследствие этого, непосредственно или через de novo биосинтетический цикл предшественников заменяют в белке нативную аминокислоту. Аналогичный принцип может применяться и при получении изотопномеченых аналогов аминокислот. При этом ауксотрофные штаммы могут относиться к различным таксономическим группам микроорганизмов, включая метаногенные и метилотрофные бактерии, биотехнологический потенциал которых для получения изотопномеченых аминокислот в настоящее время общепризнан. Так, метаногенные бактерии, относящиеся к группе облигатных анаэробов, которые получают энергию за счет ассимиляции газовой смеси (H2-CO2) [88, 89], чаще всего используют для получения [13C]аминокислот. Причём эффективности мечения аминокислот 13С добиваются за счёт получения и использования ацетатзависимых мутантов метаногенных бактерий, неспособных синтезировать ацетил-СоА из СО2 и вследствие этого для роста которых необходим экзогенный ацетат [90].

Поэтому выращивание этих бактерий проводят на ростовых средах, содержащих наряду с (H2-CO2) добавки ацетата, которые могут заменяться их [13С]аналогами. Как правило, при росте этих метанотрофов на средах с (H2-13CO2) и [13C]ацетатом удаётся достичь униформного характера включения 13С по углеродным скелетам в молекулах аминокислот, а также резкого уменьшения уровня включения экзогенного 13СО2 в конечный продукт ассимиляции углерода - метан [91]. В данном случае удается почти полностью избежать процесса разбавления метки в молекулах синтезируемых [13C]аминокислот. Селективного замещения молекул аминокислот изотопом 13С можно достичь за счёт использования ростовых сред, содержащих немеченую смесь (Н2-СО2) и [13C]ацетат либо 13СО2 в составе смеси (Н2-13СО2) и немеченый ацетат [92]. При этом вследствие высокой стоимости 13СО2 и неудобств, связанных с её компрессией, получение [13C]аминокислот чаще всего осуществляют по первому варианту, т. е. с использованием (Н2-СО2) и [13C]ацетата. Однако, как было отмечено в работах [93, 94], этим ацетатассимилирующим метаногенам, например, Methanospirillum hungatei GP1 требуются значительные концентрации ацетата для оптимального роста. Вследствие этого основным недостатком использования этих бактерий является значительный расход изотопной метки. При биотехнологическом получении изотопномеченых аминокислот необходимо учитывать пути их биосинтеза в клетке, которые для метаногенных бактерий хотя и являются характеристичными, но несколько отличаются от известных для E. coli. Данные по биосинтезу [13C]аминокислот, полученных при выращивании ауксотрофной по ацетату бактерии M. hungatei GP1 в среде, содержащей (H2-CO2) и [1,213C]ацетат в качестве источников углерода и энергии, приведены ниже.

[13C] Аланин. Включение углерода 13С в молекулу аланина происходило за счет реакции карбоксилирования ацетил-СоА до пирувата. Такой путь биосинтеза был продемонстрирован для других таксономических родов и видов метаногенных бактерий [95].

[13C] Серин и [13C] глицин. Характер распределения изотопа 13C в молекулах серина и глицина был объяснён частичным фосфорилированинем пирувата до фосфопирувата и образованием 3-фосфоенолпирувата по гликогенному пути ассимиляции углерода. Подтверждением этому служат значительные уровни активности ферментов - фосфоенолпируватсинтетазы, енолазы и 2-фосфоглицератмутазы, которые были обнаружены в клеточных экстрактах других метаногенов, например, Methanobacterium thermoautotrophicum [96].

[13C] Аспарагиновая кислота, [13C] треонин и [13C] метионин. Присоединение 13C-метки по атому углерода -карбоксильной группы аспартата, происходящего из C1-ацетата и по -углеродному атому С2-ацетата и включение изотопа 13С в карбоксильные группы аминокислот из СО2, свидетельствовало о том, что биосинтез аспартата в этой бактерии происходил через цикл трикарбоновых кислот в результате ферментативного карбоксилирования пирувата до оксалоацетата. Распределение метки в треонине и метионине происходило в соответствии с путем биосинтеза этих аминокислот из аспартата. Атом углерода в метильной группе молекулы метионина происходил из СО2.

[13C] Лизин. Распределение метки 13С в молекуле лизина свидетельствовало о том, что лизин синтезировался из пирувата и аспартата по типичному для бактерий диаминопимелиновому пути [97].
[13C]Глутаминовая кислота, [13C]аргинин и [13C]пролин. В молекуле глутаминовой кислоты изотопная метка детектировалась в С и C положениях углеродного скелета молекулы. Атомы углерода при карбоксильной СООНгруппе молекулы глутаминовой кислоты и в -положении происходили из СО2. Этот результат свидетельствовал о том, что цикл трикарбоновых кислот приводил к образованию -кетоглутарата. Распределение 13C-метки в молекулах аргинина и пролина аналогично таковому в глутаминовой кислоте.

[13C] Лейцин, [13C] валин и [13C] изолейцин. Характер изотопного включения 13С в молекулы лейцина и валина свидетельствовал об их образовании из -ацетолактата, в то время как биосинтез изолейцина отличался от ожидаемого пути биосинтеза этой аминокислоты из треонина. В клетках M. hungatei изолейцин образовывался из ацетата. Аналогичный путь биосинтеза изолейцина был обнаружен у спирохеты [98], у лейцинассимилирующего мутанта Serratia marcescens [99], и у мутанта Saccharomyces cerevisiae, у которого дефектен ген треониндезаминазы [100].

[13C] Фенилаланин и [13C] тирозин. Меченые позиции углерода в молекулах фенилаланина и тирозина полностью совпадали с типичным для бактерий путем биосинтеза этих аминокислот из шикимовой и хоризмовой кислот [101].

[13C] Гистидин. Атом углерода в положении C имидазольного кольца гистидина происходил из СО2. Углеродный атом в положении С имидазольного кольца гистидина был замещён на изотоп 13С с участием С2ацетата.


Табл. 1
Параметры роста некоторых используемых в биотехнологии штаммов метилотрофных бактерий

Штаммы бактерий

Молярный выход биомассы, г/моль метанола

Удельная скорость роста, ч-1

Эффективность конверсии углерода метанола, %

Количество                                 потребленного азота, %

Рибулозо-5-монофосфатный путь ассимиляции углерода

Pseudomonas C1

17,3

0,49

67,5

13,2

Pseudomonas methanolica

17,0

0,63

66,5

11,0

Methylomonas methanolica

15,7

0,52

62,0

11,7

Сериновый путь ассимиляции углерода

Pseudomonas 1

12,1

0,176

47,5

11,37

Pseudomonas 135

12,1

0,14

47,5

11,37

Pseudomonas AM1

9,8

0,093

37,6

11,20

Pseudomonas M27

13,1

0,108

51,0

9,40

Pseudomonas roseus

13,1

0,15

51,0

10,60


Другими перспективными источниками изотопномеченых аминокислот и белков признаны метилотрофные микроорганизмы, которые в таксономическом аспекте представлены грамположительными, грамотрицательными бактериями и дрожжами, интерес к которым в настоящее время все возрастает благодаря разработке новых технологий химического синтеза метанола [102]. Эти бактерии привлекают внимание исследователей прежде всего как дешевые источники микробного белка и аминокислот [103, 104]. Знание путей бактериального метаболизма позволяет осуществлять направленное введение изотопной метки в молекулы аминокислот. Как известно, метилотрофные бактерии окисляют метанол с использованием фермента - метанолдегидрогеназы, последующие окислительные реакции катализируют формальдегиди формиатдегидрогеназа [105-108]. Лишь затем продукт окисления метанола в виде формальдегида фиксируется клеткой одним из двух путей ассимиляции углерода: рибулозо-5-монофосфатным и сериновым [109, 110]. Основные параметры роста некоторых используемых в биотехнологии штаммов метилотрофных бактерий представлены в таблице 1.

Ауксотрофные штаммы метилотрофных бактерий начали эффективно использовать для получения [2H]и [13C]аминокислот. Для этих целей перспективно осуществлять биологическую конверсию дешёвых низкомолекулярных меченых субстратов - (13С)метанола, (2Н)метанола и 2Н2O в дорогостоящие меченые БАС в клетках метилотрофов [111-113]. Традиционным подходом при этом остаётся выращивание соответствующих штаммов-продуцентов аминокислот, устойчивых к росту на средах, содержащих стабильные изотопы водорода, углерода, азота и др. В работах [114, 115] сообщается о получении [13C]аминокислот (уровни включения стабильных изотопов в молекулах варьируют от 30% для L-[13C]лейцина до 90% для L-[13C]фенилаланина) за счёт использования ауксотрофных по L-изолейцину бактерий Methylobacillus flagellatum.

Заслуживает упоминания то, что (13С)метанол в отличие от 2Н2О не оказывает существенного биостатического эффекта на ростовые и биосинтетические характеристики метилотрофов [116], поэтому данный подход можно эффективно использовать для введения в молекулы синтезируемых БАС двойной изотопной метки (например, введение изотопа 13С в молекулы на фоне максимальных концентраций 2Н2О в ростовых средах). В работе [117] были получены [2H]и [13С]аминокислоты с разными уровнями изотопной обогащённости при росте ауксотрофного по L-лейцину штамма факультативных метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum и ауксотрофного по L-изолейцину штамма облигатных метилотрофных бактерий Methylobacillus flagellatum на минимальных средах с (13С)метанолом, (2Н)метанолом и 2Н2О. [13C]и [2Н]аминокислоты разного уровня изотопной замещённости выделяли как из культуральных жидкостей, полученных после выращивания бактерий на средах с соответствующими изотопномечеными субстратами, так из гидролизатов белков биомассы. Биосинтетически полученные [2H]и [13С]аминокислоты представляли собой смеси, в которых присутствовали изотопнозамещённые формы молекул, различающиеся количеством атомов водорода и углерода, замещённых на 2Н и 13С. При этом распределение зависело как от общего включения изотопа в молекулу, так и от способа их получения. Данные по суммарным уровням включения стабильных изотопов в молекулы секретируемых аминокислот и аминокислотные остатки суммарных белков биомассы B. methylicum и M. flagellatum представлены в таблице 2. Эти исследования показали, что в условиях ауксотрофности по лейцину уровень изотопного обогащения лейцина, а также метаболически связанных с ним аминокислот немного ниже, чем для других аминокислот, вероятно, за счёт сохранения минорных путей метаболизма, связанных с биосинтезом данных аминокислот de novo. Так, при выращивании B. methylicum на среде, содержащей 98% 2Н2О и немеченый L-лейцин, уровни включения дейтерия в индивидуальные аминокислоты культуральной жидкости составили 51% для лейцина/изолейцина, 58,8% для валина, в то время как уровни изотопного включения для аланина составили 77,5%, для фенилаланина -75% (табл. 2).

Табл. 2
Суммарные уровни включения стабильных изотопов в молекулы секретируемых аминокислот и аминокислотные остатки суммарных белков биомассы B. methylicum* и M. flagellatum**.

*Данные по включению дейтерия в молекулы аминокислот приведены для B. methylicum при росте на средах, содержащих 2% CH3OH и 24,5; 49,0; 73,5; 98,0% 2Н2О
**Данные по включению 13С приведены для M. flagellatum при росте на среде, содержащей обычную воду и 1% 13СН3ОН.
#Термином КЖ обозначены культуральные жидкости, полученные после отделения клеток из ростовых сред


Аналогичная корреляция наблюдалась и в аминокислотах белковых гидролизатов. Уровни включения 2Н и 13С в метаболически связанных аминокислотах в пределах одинаковых концентраций меченых субстратов, обнаружили определённую коррелляцию: уровни изотопного включения для валина и лейцина (семейство пирувата), фенилаланина и тирозина (семейство ароматических аминокислот) коррелировали (табл. 2). Уровни изотопного включения для глицина и серина (семейство серина), аспарагиновой кислоты и лизина (семейство аспарагина) также имели близкие величины. Важным результатом являются высокие уровни включения стабильных изотопов 2Н и 13С в молекулы полученных аминокислот. В настоящее время исследования по изучению биотехнологического потенциала метилотрофных бактерий для направленного синтеза изотопномеченых аминокислот и других БАС продолжаются.