Физиологическая адаптация нового RuMP штамма факультативных метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum к тяжелой воде

БИОТЕХНОЛОГИЯ 

О. В. МОСИН
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, 117571, Москва, просп. Вернадского, 86.


Разработан метод физиологической адаптации нового фенилаланин-продуцирующего RuMP штамма факультативных метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum к максимальным (98 об.%) концентрациям 2Н2О с целью последующего микробиологического синтеза 2Н-меченого фенилаланина. Метод заключается в последовательом рассеве штамма на агаризованных средах М9 с 2 об.% [U -2Н]MetOH со ступенчато возрастающим градиентом концентрации 2Н2O (от 0 до 98 об.% 2Н2О) и последующей селекцией колоний по признаку устойчивости к 2Н2О. В результате применения разработанного подхода для данного штамма метилотрофных бактерий на среде с 98 об.% 2H2О были отобраны отдельные колонии, сохранившие высокие ростовые и биосинтетические параметры. За счет использования адаптированного штамма можно получить 0.95 грамм 2Н-меченого фенилаланина с 1 литра ростовой среды. Показано, что наряду с фенилаланином штамм синтезирует и выделяет в ростовую среду в количестве 5-6 ммоль метаболически связанные с ним аминокислоты: аланин, валин и лейцин/изолейцин. Согласно данным метода масс-спектрометрии EI MS метиловых эфиров N-диметиламинонафталин-5-сульфонильных (Dns) производных аминокислот, 2Н-меченые аминокислоты, полученные микробиологическим синтезом представляли собой смеси молекул с различным количеством включенных атомов дейтерия; уровень дейтерированности молекул определяли из масс-спектров по наиболее распространенному пику молекулярного иона (M)+ каждой аминокислоты - для фенилаланина уровень дейтерированности составил 6; для аланина -3.1; для валина -4.7; для лейцина/изолейцина - 5.1 атома дейтерия.

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время микробиологический синтез 2Н-меченых аминокислот привлекает все большее внимание исследователей вследствие исключительно природной конфигурации синтезируемых соединений, возможностью униформного введения дейтериевой метки в молекулы аминокислот и их низкой стоимости по сравнению с химически синтезированными аналогами [1, 2]. Именно поэтому поиск новых штаммов-продуцентов 2Н-меченых аминокислот, устойчивых к высоким концентрациям дейтерия в ростовых средах для их дальнейшего микробиологического использования является актуальной задачей для современной микробиологической промышленности.

С развитием новых биотехнологических подходов появилась возможность использовать для направленного синтеза 2Н-меченых аминокислот биологическую конверсию [U2H]MetOH в клетках полученных за счет мутагенеза и генной инженерии штаммов метилотрофных бактерий, ассимилирующих MetOH в качестве источника углерода и энергии по рибулозомонофосфатному (RuMP) или сериновому пути ассимиляции углерода [3]. Продуктивность метилотрофных бактерий, измеренная по уровню конверсии MetOH в клеточные компоненты достигает 50%, что делает их удобными объектами для получения с их помощью 2Н-меченых аминокислот [4]. Традиционным подходом при этом остаётся выращивание метилотрофных штаммов-продуцентов аминокислот на минеральных средах с [U2Н]MetOH и максимальными концентрациями 2Н2О [5]. Однако подобные процессы пока не находят широкого применения в микробиологической промышленности, вследствие значительного негативного биостатического эффекта, оказываемого 75-80 об.% 2Н2О на рост многих метилотрофов [6], в то время как растительные клетки могут нормально развиваться при концентрациях не более 50 об.% 2H2О [7], а клетки животных не более 35 об.% 2H2О [8]. Как было показано нами раннее, частично снизить негативный биостатический эффект 2Н2О у метилотрофов позволяет предварительная клеточная адаптация к 2Н2О и последующее использование для микробиологического синтеза 2Н-меченых аминокислот адаптированных форм метилотрофных бактерий [9]. Явление клеточной адаптации к 2H2О интересно не только само по себе, но оно также позволяет получать уникальный биологический материал, несущий дейтериевую метку, очень удобный для разнопрофильных микробиологических исследований. В соответствиие с этим, целью настоящей работы было исследование процесса физиологической адаптации нового фенилаланин-продуцирующего RuMP штамма факультативных метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum к максимальным (98% об.) концентрациям 2Н2О в ростовой среде. Поскольку биосинтетический потенциал данного метилотрофного штамма при росте на 2Н2О к началу проведения работы был изучен недостаточно, представляло интерес исследование его способности к микробиологическому синтезу 2Н-меченого фенилаланина и других аминокислот в условиях максимально насыщенной дейтерием среды.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДЫ
Объектом исследования служил полученный за счет мутагенеза нитрозогуанидином лейцинзависимый грам-положительный штамм RuMP факультативных метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum ВКПМ В 5652, продуцент фенилаланина [10]. Потребость штамма в лейцине составляет 10 мг/л. Родительский штамм был получен из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ) Государственного научно-исследовательского центра генетики и селекции промышленных микроорганизмов ГНИИГЕНЕТИКА.

Для приготовления ростовых сред и адаптации штамма использовали 2H2O (99.9 ат.% 2H) и [U2Н] MetOH (97.5 ат.% 2H), полученные из Российского научно-исследовательского центра ИЗОТОП (Санкт-Петербург, РФ). Для создания высокого градиента концентрации 2Н2О в ростовых средах использовали 2Н2О с атомным содержанием дейтерия 99.9%. Фосфатсодержащие соли были дважды перекристаллизованы в абсолютной 2Н2О перед их использованием и высушены в вакууме. Тем не менее, процент дейтерированности ростовых сред после стериллизации влажным паром, измеренный методом ЯМР был ниже на 8-10% изотопной чистоты исходной 2Н2О). По необходимости 2H2O очищали от вредных примесей, перегоняя её над перманганатом калия [11].

Выращивание штамма проводили в минеральной среде M9 [12], приготовленой на основе различных концентраций 2Н2О (см. таблицу) с добавками протонированного лейцина и [U-2H] MetOH при 370 С в колбах Эрленмейера вместимостью 250 мл с наполнением средой до 50 мл в условиях интенсивной аэрации по методике [13]. После 6-7 суток роста клетки отделяли центрифугированием (10000 об/мин, 20 мин). В культуральной жидкости анализировали секретируемые аминокислоты.

Адаптацию штамма к 2Н2О проводили на агаризованных средах М9 (2%-ный агар), содержащих ступенчато возрастающий градиент 2Н2О (от 0 вплоть до 98 об.% 2Н2О). При этом использовали последовательный рассев штамма до отдельных колоний и последующую селекцию колоний, выросших на средах со ступенчатом градиентом 2Н2О. Отобранный штамм хранили в 50%-ном растворе (в 2Н2О) глицерина при -140С.

Морфологию клеток исследовали с помощью интерференционно-поляризационного микроскопа МБР-5 (Венгрия).

Бактериальный рост оценивали по величине оптической плотности суспензии клеток, измеренной на спектрофотометре Beckman-DU6 (США) при 540 нм в кварцевой кювете с длиной оптического пути 10 мм.
Тонкослойную хроматографию (ТСХ) аминокислот проводили на пластинках Silufol UV-254 (Чехо-Словакия) в системе растворителей: изо-PrOH-аммиак, (7:3).

Секретируемый фенилаланин определяли на приборе Beckman DU-6 (США) при 540 нм в образцах культуральной жидкости, объёмом 10 мкл после ее обработки 0.1% раствором нингидрина в ацетоне.
Уровни включения дейтерия в молекулы аминокислот определяли методом масс-спектрометрии EI MS в виде метиловых эфиров N-Dns-производных аминокислот на приборе MB-80A (Hitachi, Япония) при ионизирующем напряжении 70эВ, используя прямую дериватизацию лиофилизированных культуральных жидкостей дансилхлоридом и диазометаном [14].

Далее - см.следющую статью сайта.