Введение

ЖУРНАЛ БИОТЕХНОЛОГИЯ, 1996 г., N 10

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ, МЕЧЕНЫХ СТАБИЛЬНЫМИ ИЗОТОПАМИ 2Н, 13С, 15N, 18О


О. В. МОСИН, Д.А. СКЛАДНЕВ, В.И. ШВЕЦ

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, 117571, г. Москва, проспект Вернадского, д.86

Данный обзор посвящён развитию современных биотехнологических и химико-ферментативных методов по получению аминокислот и белков, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С, 15N, 18О. Рассмотрены потенциальные возможности этих методов для направленного синтеза изотопномеченых аминокислот и белков. Представлены собственные и имеющиеся в литературе данные по получению и использованию синтезированных меченых соединений в разнопрофильных биохимических исследованиях с применением методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), инфракрасной (ИК) и лазерной спектроскопии, а также масс-спектрометрии.

Ключевые слова: стабильные изотопы; микроорганизмы; биосинтез; аминокислоты и белки.

ВВЕДЕНИЕ 

Метод обогащения молекул стабильными изотопами (2Н, 13C, 15N, 18О и другие) является в настоящее время важным направлением в биохимических и структурно-функциональных исследованиях разнообразных природных соединений и, в частности, аминокислот и белков [1-7]. Эти изотопномеченые биологически активные соединения (БАС), полученные данным методом с различными уровнями изотопного обогащения, от селективно до униформно меченых, являются удобными инструментами для разнопрофильных метаболических и биохимических исследований [8, 9], медицинской диагностики различных заболеваний [10-13], химических синтезов разнообразных изотопномеченых соединений на их основе. Например, [2H]и [13C]фенилаланин и [2H]и [13C]тирозин использованы в синтезах меченых аналогов пептидных гормонов и нейропептидов [14, 15].

Тенденции к предпочтительному применению стабильных изотопов по сравнению с их радиоактивными аналогами обусловлены отсутствием радиационной опасности и возможностью определения локализации метки в молекуле методами высокого разрешения: спектроскопией ЯМР [16-19], ИК[20, 21] и лазерной спектроскопией [22, 23], масс-спектрометрией [24, 25]. Развитие этих методов детекции стабильных изотопов за последние годы позволило повысить эффективность проведения многочисленных биологических исследований de novo, а также изучать структуру и механизм действия многих клеточных БАС на молекулярном уровне.

Именно поэтому разработка путей получения аминокислот и белков, меченных стабильными изотопами, является актуальной задачей для современной биотехнологии. Однако, разные методы, используемые для введения стабильных изотопов в молекулы БАС, обычно приводят к получению препаратов, представляющих собой смеси молекул, различающихся количеством атомов, замещённых на стабильные изотопы. Поэтому необходимо разрабатывать и применять новые подходы по получению изотопномеченых БАС, основанные на использовании генно-инженерных методов, комбинации биотехнологических и химико-ферментативных подходов и т. п. В зависимости от цели исследования при реализации того или иного подхода по получению изотопномеченых аминокислот и белков должны учитываться их стоимость, выходы, возможности более полного выделения и очистки, а также изотопная чистота синтезированных продуктов. При получении изотопномеченых аминокислот и белков основные затраты связаны с закупкой сырья (субстрата), расходом электроэнергии (на перемешивание, аэрацию и процессы массопереноса) и охлаждением (теплообменом). При использовании природных сырьевых источников (пептонов, белково-витаминных концентратов и т. п.) в качестве субстратов для производства изотопномеченых БАС необходимо также учитывать расход электроэнергии, пара и топлива на предварительную глубокую обработку сырья, чтобы превратить его в поддающиеся микробиологическому воздействию соединения. Сравнительная оценка различных способов производства изотопномеченых аминокислот и белков показывает, что основные расходы здесь связаны со стоимостью сырья, составляющей 70-80% всех затрат.

Использование аминокислот и белков, меченных стабильными изотопами, в значительной мере определяется ограниченной доступностью и дороговизной самих высокоочищенных изотопов, выделяемых из различных природных источников. Природная распространенность стабильных изотопов варьирует от 0,015% (относительно общего количества элемента) для дейтерия, до 1,11% для изотопа углерода 13С, однако, несмотря на низкое содержание изотопов в пробах, разработанные в последние годы методы обогащения и очистки стабильных изотопов позволяют получать меченые субстраты высокой степени изотопной чистоты.

Несмотря на всё возрастающий мировой интерес к изотопномеченым БАС, в отечественной литературе имеются лишь немногочисленные сведения, касающиеся методов получения этих важных соединений [26-28]. Целью настоящего обзора было более полное освещение методов биотехнологического получения аминокислот и белков, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С, 15N, 18О.