Розробка методів біотехнологічного отримання білків амінокислот і нуклеозидів мічених дейтерієм

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

На правах рукопису

МОСІНА ОЛЕГ ВІКТОРОВИЧ

РОЗРОБКА МЕТОДІВ БІОТЕХНОЛОГІЧНА
ОТРИМАННЯ білки, амінокислоти і
Нуклеозидів, Мічені 2Н (D) І 13С, З
Високий ступінь Ізотопний
ЗБАГАЧЕННЯ.
03.00.23-Біотехнологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук
Москва

Робота виконана на кафедрі біотехнології Московської ордена Трудового Червоного Прапора Державної академії тонкої хімічної технології ім. М.В. Ломоносова.
Наукові керівники:
доктор хімічних наук, професор, член кореспондент РАМН, В. І. ШВЕЦЬ, кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Д. А. Складаний.
Офіційні опоненти:
доктор хімічних наук, професор М. Ф. МЯСОЄДОВ.
кандидат хімічних наук, провідний науковий співробітник Б. М. ПОЛАНУЕР.
Провідна установа:
Державний науково-дослідний інститут біосинтезу білкових речовин "ГОСНІІСІНТЕЗБЕЛОК".
Захист дисертації відбулася 24 травня 1996 р о 15.00 на
засіданні вченої ради Д 063. 41. 01 в Московської Державної академії тонкої хімічної технології ім. М. В. Ломоносова за адресою: 1S7571, Москва, пр-т Вернадського, будинок 86.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Московської Державної академії тонкої хімічної технології ім. М. В. Ломоносова за адресою: 119831, Москва, вул. Мала Пироговська, будинок 1.
Автореферат розісланий. квітня 1996 р
Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради,
Кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник А. І. Лютик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.
Актуальність роботи. В даний час в усьому світі зростає інтерес до природних сполук, міченим стабільними ізотопами, зокрема дейтерієм 2 Н (D) і вуглецем | 3 С, які незамінні для різнопрофільних біохімічних і діагностичних цілей, структурно-функціональних досліджень, а також для вивчення клітинного метаболізму різноманітних біологічно активних сполук (БАС) з використанням стабільних ізотопів. Тенденції до застосування стабільних ізотопів порівняно з їх радіоактивними аналогами обумовлені відсутністю радіаційної небезпеки і можливістю визначення локалізації мітки в молекулі методами високого дозволу: спектроскопією ядерного магнітного резонансу (ЯМР), інфрачервоної та лазерної спектроскопією, мас-спектрометрією. Розвиток цих методів за останні роки дозволило удосконалити проведення численних біологічних досліджень de novo, а також вивчати структуру і механізм дії клітинних БАС на молекулярному рівні. Найчастіше для даних досліджень необхідно, щоб синтезовані БАС мали якомога більш високі ступені ізотопного збагачення.
Саме тому розробка шляхів биосинтетического отримання БАС з високими ступенями ізотопного збагачення є дуже актуальним завданням для сучасної біотехнології та вітчизняної мікробіологічної промисловості. З розвитком нових біотехнологічних підходів з'явилася можливість отримувати різноманітні стабільно мічені сполуки за рахунок біологічної конверсії дейтерированного субстратів дейтерометанола і важкої води CD 3 OD / D 2 O в генетично сконструйованих штамах бактерій. Проте подібні процеси рідко застосовуються в біотехнології через наявність ряду труднощів, пов'язаних з клітинної адаптацією до важкій воді (D 2 O). Явище адаптації до важкої воді цікаво не лише з наукової точки зору, але воно також дозволяє отримувати унікальний біологічний матеріал, дуже зручний для вирішення завдань молекулярної організації клітини за допомогою методу ЯМР-спектроскопії. Ці дані послужили основою для вибору об'єктів дослідження в наших експериментах. Ними були генетично марковані штами-продуценти амінокислот, білків і нуклеозидів, пов'язані з різним таксономічним пологах мікроорганізмів: факультативні метилотрофних бактерій Brevibacterium meihylicurn, облігатні метилотрофних бактерій Methylobactllusflagettatum, галофільні бактерії Halobacterium halobium і бацили Bacillus subtilis і Bacillus amyloliquefaciens.
Ця робота виконана на кафедрі біотехнології МГАТХТ ім. М.В. Ломоносова в рамках науково-технічної програми "Високі хімічні технології".
Метою даної роботи була розробка методів біотехнологічного отримання амінокислот, білків і нуклеозидів, мічених дейтерієм і ізотопом вуглецю 13 С з високими ступенями ізотопного збагачення.
Оскільки біосинтетичних потенціал досліджуваних штамів за рахунок конверсії важкої води до початку проведення даної роботи було вивчено недостатньо, становило інтерес дослідження принципової можливості їх адаптації до зростання на середовищах містять важку воду для синтезу мічених цільових продуктів. Для цього були застосовані спеціальні біотехнологічні підходи щодо одержання мічених БАС, що дозволило підійти до реалізації комплексного використання хімічних компонентів біомаси отриманих штамів-продуцентів і створення нових безвідходних мікробіологічних виробництв з отримання ізотопно-мічених БАС на їх основі.
Наукова новизна роботи полягає в таких аспектах:
1. Запропоновано метод отримання штамів-продуцентів БАС, стійких до максимальних концентрацій важкої води в ростовий середовищі.
2. Показана перспективність використання сумарних хімічних компонентів біомаси метилотрофних бактерій Brevibacterium    methylicum, отриманих в результаті багатоступінчастої адаптації до важкої воді для біосинтезу дейтерій-мічених амінокислот, білків і нуклеозидів.
3. Розроблено методи отримання ізотопно-мічених БАС, засновані на використанні високоактивних штамів-продуцентів, адаптованих до зростання і біосинтезу на середовищах з високими концентраціями важкої води. Отримано з високими
виходами індивідуальні дейтерій-і вуглець-мічені | 3 С - амінокислоти (ступеня ізотопноговключенія становлять до 97,5%), [1,3 ', 4' ,2,8-D5]-інозин (ступінь включення
дейтерію 62,5%) і дейтерій-мічений бактеріородопсин з селективним і уніформним характером включення мітки.
4. Розроблено загальні принципи мас-спектрометричного аналізу ступенів ізотопного збагачення мультикомпонентного сумішей амінокислот при даному способі введення мітки за рахунок застосування прямої обробки (деріватізаціі) культуральної рідини і білкових гідролізатів
дансілхлорідом / карбобензоксіхлорідом і діазометаном.
Практична значимість: Отримані в роботі результати можуть бути використані для створення нових безвідходних виробництв з синтезу ізотопно-мічених БАС. Зокрема, заснованих на використанні біологічної конверсії дешевих мічених низькомолекулярних субстратів у дорогі клітинні БАС.
На спосіб одержання уніформно-міченого дейтерієм L-Phe є позитивне рішення ВНІІГПЕ про видачу авторського свідоцтва № 055610 від 17.11.1995 р на заявку № 930558240 від 15.12.1993 р. На спосіб отримання [1, 2 ', 4 1, 2,8 -D5]-інозину оформлена заявка № 95118778 від 14.11.1995 р.
Положення, що виносяться на захист:
1. Підбір умов отримання біомаси штаму факультативних метилотрофних бактерій Brevibacterium methylicum з уніформним характером збагачення клітинних БАС дейтерієм. Використання гідролізатів дейтерій-біомаси даного штаму для біосинтезу дейтсрій-міченого інозину і бактериородопсина.
2. Методи отримання дейтерій-та 13 С-амінокислот, [1 ', 3', 4'D ,8-інозину і бактериородопсина за рахунок біологічної конверсії дейтерометанола/13С метанолу СDзОD / 13 СНзОН і важкої води D 2 O.
3. Метод прямої хімічної модифікації препаратів інтактних культуральних рідин дансіллхлорідом / карбобензоксіхлорідом і діазометаном. Застосування даного методу для мас-спектрометричного аналізу ступенів ізотопного збагачення молекул амінокислот у складі мультикомпонентного сумішей при даному способі введення мітки.
Апробація. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 3-му міжнародному конгресі з амінокислот, пептидів і їх аналогам (Відень, серпень, 1993), на 4-й Всеросійській науковій конференції "Проблеми теоретичної та експериментальної хімії" (Єкатеринбург, квітень, 1994) , 6-й міжнародній конференції з ретінальних білкам (Ляйден, червень, 1994), 7-му міжнародному симпозіумі з генетики промислових штамів мікроорганізмів (Монреаль, липень, 1994), 8-му міжнародному симпозіумі з мікробному зростанню на Ci-з'єднаннях (Сан- Дієго, серпень, 1995), Євроазійського симпозіумі з сучасних напрямків у біотехнології (Анкара, листопад, 1995).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано вісім друкованих праць і шість тез наукових конференцій.
Структура роботи. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, експериментальної частини, результатів, висновків. Робота викладена на 120 сторінках машинописного тексту, містить 17 малюнків і 15 таблиць.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Бактеріальні штами та поживні середовища.
Дослідження проводили з генетично маркованими штамами-продуцентами амінокислот, білків і нуклеозидів:
Штам № l. - Brevibacterium     methylicum     ВКПМ В 5652 (leu), штам факультативних метилотрофних бактерій, продуцент L-фенілаланіну.
Штам № 2. - Methylobacillus    flagellatum КТ (ile), штам облігатних метилотрофних бактерій, продуцент L-лейцину.
Штам № 3. - Bacillus subtilis (his, tyr, ade, і r а), штам граммотріцательіих бактерій, продуцент інозину.
Штам № 4. - Bacillus amyloliquefacien ade, і r а), штам грам негативних бактерій, продуцент тимідину.
Штам № 5. - Halobacterium    halobium    ET 1001, пігментсодержащій штам галофільних бактерій, здатний синтезувати бактеріородопсин.
У цій роботі використовували такі поживні середовища.
1. Мінімальна середу М9 (Miller J., 1976). Середу використовували для ферментації штамів № 1 і № 2 і виділення окремих колоній.
2. Комплексна ферментаційне середовище (ФМ-середовище) (Казарінова Л.А, 1980). Середу використовували для ферментації штамів № 3 та № 4.
3. Синтетична середу TS     (Gibson Т., 1962). Середу використовували для ферментації штаму № 5.
Умови адаптації та культивування бактерій на дейтерій-містять середовищах.
Адаптацію клітин до дейтерію проводили на твердих агаризованих середовищах (2%-ний агар), з важкою водою. При цьому використовували як простий розсівання культур до окремих колоній на середовищах, приготованих з 99,9 ат.% Важкої води, так і багатостадійну адаптацію бактерій на середовищах, що містять східчасто збільшуються концентрації важкої води.
Для біосинтезу мічених БАС використовували середовища тих же складів, приготовані на основі важкої води і дейтерометанола D 2 О / СDзОD з використанням безводних реагентів. Отриману таким чином біомасу В. mehylicum гідролізувати в DCI і використовували як джерела сумарних хімічних компонентів для культивування штамів № 3 та № 5 відповідно.
13 С-амінокислоти були отримані за рахунок конверсії 13 СНзОН в метилотрофних бактеріях.
Для введення дейтерію в молекулу бактериородопсина використовували селективну синтетичну середу TS, в якій ароматичні амінокислоти-L-Phe, L-Tyr і L-ТГР були заміщені їх дейтерированного аналогами - L-[2,3,4,5,6-Ds] - Phe, L-[3,5-D 2]-Tyr і L-[2,4,5,6,7-D3]-Trp.
Методи виділення і аналізу ізотопно-мічених БАС.
Екстракцію ліпідів проводили сумішшю хлороформ-метанол (2:1) за методом Блайера і Дайера (Bligh E. G .. Dyer WJ, 1959).
Визначення вмісту глюкози в культуральній рідині проводили глюкозооксидазним методом (Beyrich Т., 1965).
Бактеріородопсин виділяли з пурпурових мембран Н. halobium ET 1001 за методом Остерхельда і Стохеніуса (Oesterhdt О., & Stohenius, 1976).
Гідроліз білка проводили з використанням 4 н. Ва (ОН): і 6 н. DC1 (в D 2 О) (110 ° С, 24г).
Бензілоксікарбонільние похідні амінокислот отримували в ході реакції Шотт-Баумана (GreensteinJ., Winitz M., 1961).
Дансільние похідні амінокислот отримували за методом гріємо і Хартлі (GreemB., Hartly В, 1963).
Метилові ефіри данс-амінокислот отримували за методом Фізера (Fiser J., 1963).
Аналітичне та препаративної поділ бензілоксікарбонільних похідних амінокислот проводили методом обернено-фазової ВЕРХ, розробленим Єгорової Т. А. (Єгорова Т.А., 1993).
Поділ метилових ефірів данс-амінокислот проводили на рідинному хроматографі "Кпаіег" (ФРН), обладнаним УФ-детектором "2563" і інтегратором "C - R ЗА" (Shirnadzu, Японія). Нерухома фаза: Separon SGX З 18,1 мкм, 150 х 3,3 мм (Kova, Чехословаччина). Використовували градієнтне елюювання розчинниками: (А) - ацетонітрил-трифторуксусной кислота (20:80 об / об) і (В) - ацетонітрил (від 20% В до 100% У протягом 30 хв, при 100% У протягом 5 хв, від 100% В до 20% У протягом 2 хв, при 20% У протягом 10 хв),
Іонообмінних хроматографію проводили па приладі "Biotronic LC 500! "(ФРН), 230x3, 2 мм, робочий тиск 50-60 атм, швидкість подачі буфера 18,5 мл / год, нингидрина 9,25 мл / год, детекція при 570 нм і 440 нм.
Мас-спектри електронного удару отримані на приладі "МВ-80А" (Hitachi, Японія) при енергії іонізуючих електронів 70 еВ. Мас-спектри FAB були отримані на приладі "MBA" (Hitachi, Японія) при іонному струмі 0,6-0,8 мА.

РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ.
1. ОТРИМАННЯ ШТАМІВ-ПРОДУЦЕНТІВ БАС, адаптованих до
ЗРОСТАННЮ і біосинтез НА середовища з максимальним
Концентрація важких ВОДИ.
Адаптація облігатних метилотрофних бактерій М. flagellatum. У зв'язку з важливістю препаративного аспекту отримання дейтерій-мічених сполук в рамках даної роботи була вивчена можливість адаптації різних штамів-продуцентів БАС до зростання на середовищах з максимальними концентраціями важкої води (D 2 O). Для цього були перевірені представники різних таксономічних груп метилотрофних бактерій, що є в колекції ДержНДІ Генетики: L-лейцин-продукує штам облігатних метилотрофних бактерій М. flagellatum (ileu), який реалізує 2-кего-3-дезокси-6-фосфогдюконат-альдолазний (КДФГ) варіант рібуле ' зо-5-монофосфатного (РМФ) циклу асиміляції вуглецю і L-фенілаланін-продукує штам факультативних метилотрофних бактерій В. methylicum (leu), асиміляційний метанол по РМФ-циклу.
Для проведення адаптації був обраний ступінчастий режим збільшення концентрації важкої води в ростових середовищах, так як ми припустили, що поступове звикання організму до важкій воді буде позитивно впливати на швидкість росту культури. При цьому штам М. flagellatum виявив підвищену чутливість до важкій воді: інгібування росту бактерій спостерігалося при концентраціях D 2 О в середовищі 74,5 об.%. Росту бактерій на більш високій концентрації важкої води досягти не вдалося. У зв'язку з цим, в експериментах з вивчення рівнів включення дейтерію в амінокислоти використовували препарати культуральної рідини і біомаси М. flagellatum, отримані з середи, що містить 74,5 об.% Важкої води. Концентрація екзогенного дейтерометанола CD 3 OD становила, як зазвичай, 1 об.%.
Адаптація факультативних метилотрофних бактерій В. methylicum. Спроби адаптувати штам В. methylicum до зростання при збереженні здатності до біосинтезу L-фенілаланіну на максимально дейтерированного середовищі привели до бажаного результату. До даного штаму метилотрофних бактерій був застосований спеціально розроблений нами підхід по адаптації, який полягав у серії з п'яти адаптаційних пасажів вихідної культури на агаризованих середовищах (з добавкою 2 об.% дейтерометанолом CD 3 OD) при ступінчастому збільшенні концентрацій екзогенної важкої води (від 0; ​​24,5; 49,0; 73,5 про % до 98 об% D 2 O) і подальшої селекції стійких до важкій воді клонів бактерій. При цьому послідовно відбирали окремі колонії, які виросли на середовищах, що містять важку воду. Потім їх пересівали на середовища з більшим ступенем дейтерірованпості, включаючи середовище з 98 об.% Важкою водою (ступінь виживання бактерій на кінцевій повністю дейтерированного середовищі складає не більше 40%).
Отриманий результат у дослідах з адаптації В. methylicum до важкій воді, дозволив використовувати гідролізати його біомаси, а також саму біомасу, отриману в ході багатоступінчастої адаптації до D 2 O в якості повноцінних ростових субстратів для вирощування бацилярних штамів В. subtillis і В. amytoliquefaciens, а також штаму галофільних бактерій Н. halobium ET 1001.
Адаптація бацил В. subtittis і В. amyloliqucfaciens. У наступних дослідах була досліджена здатність до зростання на важкій воді бацилярних штамів В. subtillis (His, tyr, ade, і r а), і В. amyloliquefaciens (ade, і r а), продуцентів інозину та тимідину, відповідно. Ми припустили, що уповільнення зростання бактерій на мінімальних середовищах, що містять важку воду могло бути обумовлено появою ауксотрофності за окремими ростовим чинникам. Щоб перевірити це припущення, надалі ми використовували комплексні середовища. Як і передбачалося, обидві культури вдалося адаптувати до дейтерію шляхом розсіву на тверді середовища, приготовлені з 99,9 ат.% Важкої води. Вони відразу виявили нормальний ріст на важкій воді. У штамів В. subtilis і В. amyloliquefaciens при зростанні на важкій воді було відзначено збереження високого рівня продукції за інозин та тимідину (3,9 і 3,0 г / л відповідно).
Адаптація галофільних бактерій Н. halobium ET 1001. У випадку з Н. halobium ET 1001 адаптацію проводили як на агарі, що містить 99,9 ат.% Важку воду шляхом розсіву штаму до окремих колоній, так і на рідкому середовищі з важкою водою. У звичайних для цієї бактерії умовах культивування (37 ° С, на світлі) в клітинах синтезувався фіолетовий пігмент за всіма характеристиками не відрізняється від нативного бактериородопсина.
2. ВИВЧЕННЯ ЗРОСТАННЯ І БІОСИНТЕЗУ БАС Отримані штами
Вивчення ростових характеристик М. jlagellatum на середовищах, що містять CH 3 OH / CD 3 OD і D 2 O, а також 13 СНзОН. Дані по зростанню штаму М. Jlagellatum на мінімальних середовищах з добавкою 1 об.% метанолу СНзОН і його мічених аналогів (СDзOD / 13 СНзОН) і містять східчасто збільшуються концентрації важкої води наведено в таблиці I. Як видно з таблиці I, на середовищах, що містять важку воду і ізотопні аналоги метанолу - дейтерій-метанол CD 3 OD і 13С-метанол 13 CH 3 OH, виходи мікробної біомаси склали 81% і 72% відповідно, а на середовищах з 74,5 об.% важкою водою вихід біомаси склав 29%, що в 3,4 рази нижче, ніж у контрольних експериментах, коли використовували звичайну воду і метанол СНзОН (табл. 1, досліди 1,3,8). Як видно, здатність до зростання у М. flagellatum зберігалася лише у середовищі, що містить 74,5 об.% важкої води. Вище цієї концентрації спостерігалося пригнічення швидкості росту бактерій.
Таблиця 1. Вплив ізотопного складу середовища на ріст штаму M. Flagelaum.
Номер Компоненти середовища, про% Величина Вихід Час досвіду лаг-фази біомаси генерації Н 2 О D 2 O СНзОН СDзОD годинник% ч
1
99,0
0
1,0
0
0
100
1,1
2
99,0
0
0,5
0,5
0,2
91,0
0,8
3
99,0
0
0
1,0
0,8
81,0
1,0
4
49,5
49,5
1,0
0
2,4
76,0
1,4
5
49,5
49,5
0,5
0,5
5,7
75,0
1,2
6
49,5
49,5
0
1,0
6,7
70,0
1,3
7
24,5
74,5
1,0
0
5,6
29,0
1,4
8
99,0
0
1,0 'ЗСНзОН
0
0,1
72,0
1,0
Як і слід з літературних даних (складаний Д. А, 1990), введення стабільного ізотопу вуглецю | 3 С не призводить до летальних наслідків для клітини, що ми і спостерігали у випадку з М. flage / talum. Загалом, отримані для М. flagellatum дані можуть свідчити про те, що адаптація до важкій воді визначається як видовий специфічністю метилотрофних бактерій, так і особливостями їх метаболізму. Крім цього, з таблиці 1 випливає, що даний підхід можна ефективно використовувати для введення в синтезовані БАС подвійний ізотопної мітки (дейтерій-і ізотоп вуглецю 15 C).
Вивчення ростових і біосинтетичні характеристик Б. methylicum на середовищах, що містять CH 3 OH / CD 3 OD і D 2 O. Дані по зростанню вихідного і адаптованого до важкій воді штаму В. methylicum і максимального рівня накопичення L-фенілаланіну в культуральній рідині на мінімальних середовищах з добавкою 2 об.% метанолу та його дейтерированного аналога СН 3 O Н / CD 3 OD, що містять східчасто збільшуються концентрації важкої води, представлені в таблиці 2. Як видно з табл. 2, у відсутності дейтерій-мічених субстратів тривалість лаг-фази не перевищувала 24 год (див. табл. 2, досвід 1). Зі збільшенням концентрації важкої води в середовищі тривалість лаг-фази збільшувалася до 64,4 год на середовищах з 98 об.% Важкою водою і 2 об.% CD 3 OD (табл. 2, досвід 10). Відзначено, що тривалість часу клітинної генерації зі збільшенням ступеня ізотопного насичення середовища дейтерієм поступово збільшується, досягаючи 4,9 годин на максимально дейтерированного середовищі (табл. 2, досвід 10).
Таблиця 2.
Вплив ізотопного складу середовища на ріст штаму В. m ehylicum   та рівень накопичення L-фенілаланіну в культуральній рідині *.
Номер Компоненти середовища, про% лаг-фаза Вихід Час Вихід досвіду біомаси генер. L-Phe, Н 2 О D 2 O СH 3 ОН CD 3 OD ч% ч%
1
98
0
2
0
24,0
100
2,2
100
2
98
0
0
2
30,3
92,3
2,4
99,1
3
73,5
24,5
2
0
32,1
90,6
2,4
96,3
4
73,5
24,5
0
2
34,7
85,9
2,6
97,1
5
49,0
49,0
2
0
40,5
70,1
3,0
98,0
6
49,0
49,0
0
2
44,2
60,5
3,2
98,8
7
24,5
73,5
2
0
45,8
56,4
3,5
90,4
8
24,5
73,5
0
2
49,0
47,2
3,8
87,6
9
0
98,0
2
0
60,5
32,9
4,4
79,5
10
0
98,0
0
2
64,4
30,1
4,9
71,5
10 '
0
98,0
0
2
39,9
87,2
2,9
95,0
'Дані (1-10) наведено для В. methylicum, не адаптованого до щосереди з високим вмістом дейтерію.
Дані 10 'наведені для адаптованого В. methylicum.
Як видно з табл. 2, досвід 2, дейтерометанол CD 3 OD не викликав суттєвого інгібування росту і не впливав на вихід мікробної біомаси, в ​​той час як на середовищах з 98 об.% Важкою водою мікробний зростання пригнічувався. Так, на середовищі, що містить 98 об.% Важкої води і 2 об.% Дейтерометанола З D ЗО D, вихід мікробної біомаси був знижений в 3,3 рази no-порівнянні з контролем. Важливо те, що вихід мікробної біомаси та рівень накопичення L-фенілаланіну в культуральній рідині при зростанні адаптованого до важкій воді штаму В. inethylicum в повністю дейтерированного середовищі змінюються порівняно з контрольними умовами на 12,8% і 5% відповідно (табл. 2, досвід 10 ').
За рахунок використання даного штаму В. methylicum вдалося виділити близько 1 г L-Phe з 1 л середовища.
Дослідження біосинтезу L-фенілаланіну штамом В. methylicum. Спільною особливістю біосинтезу L-Phe в протоновані середовищах було значне збільшення його продукції на ранній фазі експоненціального зростання В. inethylicum, коли вихід мікробної біомаси був незначний (рис. I).

Рис. I. Динаміки зростання В. methylicum (La, 10'а, 10а) та накопичення L-Phe в культуральній рідині (16, 10'б, 106) на середовищах з різним ізотопним складом: 1 а, б - вихідний мікроорганізм на протоннрованной середовищі М9; 10 'а, б -адаптований В. methylicum на повністю дейтерированного середовищі; 10 а, б - еадаптірованний мікроорганізм на повністю дейтерированного середовищі.
У всіх ізотопних експериментах спостерігалося пригнічення біосинтезу L-фенілаланіну на пізній фазі експоненціального зростання і зниження його концентрації в ростових середовищах. Згідно даним по мікроскопічному дослідженню зростання популяції мікроорганізмів, спостережуваний характер динаміки секреції L-Phe не корелював з якісними змінами ростових характеристик культури на різних стадіях росту, що служило підтвердженням морфологічної однорідності мікробної популяції. Швидше за все, накопичений у процесі росту фенілаланін ингибировал ферменти власного шляху біосинтезу. Крім того, ми не виключаємо можливість, що при ферментації без рН-статірованія може відбуватися зворотне перетворення екзогенного фенілаланіну в інтермедіаторние з'єднання його біосинтезу, що зазначено в роботах інших авторів (Ворошилова Е. Б., Гусятіпер М. М., 1989). Дані з дослідження культуральної рідини методом тонкошарової хроматографії (ТШХ) показали, що крім L-фенілаланіну даний штам В. methylicum синтезує і накопичує в культуральній рідині інші амінокислоти (аланін, валін, лейцин, ізолейцин), чітко Детектируемая мас-спектрометричним аналізом (див. наступну, главу).
Вивчення якісного та кількісного складу внутрішньоклітинних з Ахар В. subtilis. У хід виконання роботи був вивчений якісний і кількісний склад внутрішньоклітинних Сахаров при зростанні В. subtilis на середовищі з 99,9 ат.% важкої води (див. табл. 3). Як видно з таблиці 3, у гидролизатах біомаси даного штаму фіксуються глюкоза, фруктоза, Рамноза, арабіноза, сахароза і мальтоза.
Таблиця 3.
Якісний і кількісний склад внутрішньоклітинних Сахаров В. subtilis при зростанні на 99,9% важкій воді.
Компонент Вміст у біомасі,% Зростання на Н 2 О Зростання на 99,9% D 2 O
Глюкоза
20,01
21,40
Фруктоза
6,12
6,82
Рамноза
2,91
3,47
арабіноза
3,26
3,69
мальтоза
15,30
11,62
сахароза
8,62
-
Вивчення амінокислотного складу біомаси метилотрофних бактерій В. tnethylicum. Амінокислотний склад сумарних білків біомаси В. methylicum, отриманого в ході багатоступінчастої адаптації до важкої воді показано в таблиці 4. Результати дослідження показали невелике зниження вмісту в дейтерированного білку Ala, Leu і Нis в порівнянні з білком, отриманим на звичайній воді (табл. 4).
Таблиця 4.
Якісний і кількісний склад амінокислот загальних білків біомаси В. methylicum.
Амінокислота Зміст в білку,% Зростання на Н 2 О Зростання на 98% D 2 O
Gly
8,03
9,69
Ala
12,95
13,98
Val
3,54
3,74
Leu
8,62
7,33
His
4,14
3,64
Phe
3,88
3,94
Tyr
1,56
1,82
Asp
7,88
9,59
Glu
11,68
10,38
Lys
4,37
3,98
His
3,43
3,72
Thr
4,81
5,51
Met
4,94
2,25
Arg
4,67
5,27
Вивчення ростових і біосинтетичні характеристик В. subtilis на середовищах, що містять важку воду та гідролізати метилотрофних бактерій. Криві, що відображають динаміку зростання, асиміляції глюкози і накопичення інозину в культуральній рідині штамом В. subtilis в умовах протоновану середовища та середовища, з 99,9 ат.% важкої води представлені на рис. 2.
Як видно з рис. 2, при перенесенні клітин із стандартною на дейтерированного середу вихід мікробної біомаси, тривалість лаг-фази і тривалість часу клітинної генерації в цілому змінюються незначно. При зростанні вихідного штаму В. subtilis па середовищі, що містить звичайну воду рівень накопичення інозину в культуральній рідині досягав величини 17,3 г / л після п'яти діб культивування (рис. 2). Рівень накопичення інозину на дейтерированного середовищі був знижений в 4,4 рази по-порівнянні з вихідним штамом на протоновану середовищі (рис. 2). Низькі рівні секреції інозину на дейтерированного середовищі корелюють зі ступенем конверсії глюкози в цих умовах. Так, крива конверсії глюкози на повністю дейтерированного середовищі мала менший кут нахилу, ніж на середовищі зі звичайною водою, що свідчить про те, що при зростанні на дейтерированного глюкоза витрачається менш ефективно (рис. 2).

Рис.2. Динаміки зростання B.subtilis (1a, 2a), конверсії глюкози (1б, 2б) і накопичення інозину в культуральній рідині (1в, 2в) на середовищах з різним ізотопним складом: 1 а, б, в-B. Subtilis на звичайній протоновану середовищі; 2 а, б, в-B.subtilis на повністю дейтерированного середовищі з гідролізатом дейтерій-біомаси метилотрофних бактерій.
Отримані для досліджуваних мікроорганізмів дані, в цілому, підтверджують стійке уявлення про те, що адаптація клітини до важкій воді є фенотипическим явищем, оскільки адаптовані до важкої воді клітини повертаються до нормального зростання і біосинтезу в протоновані середовищах після деякого лаг-періоду. У той же час оборотність зростання на D 2 O / H 2 O-cpeдax теоретично не виключає можливості того, що ця ознака стабільно зберігається при зростанні у важкій воді, але маскується при перенесенні клітин на дейтерированного середу. Можна припустити, що клітина реалізує лабільні адаптивні механізми, які сприяють функціональної реорганізації роботи ферментних систем у важкій воді. Також не виключено, що спостерігаються при адаптації ефекти пов'язані з утворенням у важкій воді більш міцних і стабільних зв'язків, ніж зв'язків за участю водню. За теорією абсолютних швидкостей розрив С-Н-зв'язків може відбуватися швидше, ніж CD-зв'язків, рухливість дейтерію D + менше, ніж рухливість протію Н +, константа іонізації D 2 O у 5 разів менше константи іонізації Н 2 О (Crespy J., Kalz H. H., 1979). З точки зору фізіології, найбільш чутливими до заміни протію на дейтерій можуть виявитися апарат біосинтезу макромолекул і дихальна ланцюг, тобто саме ті клітинні системи, які використовують високу рухливість протонів і високу швидкість розриву водневих зв'язків.
3. ВИВЧЕННЯ СТУПЕНІВ ВКЛЮЧЕННЯ ІЗОТОПІВ дейтерію та вуглецю 13 С в МОЛЕКУЛИ екзогенних амінокислот B. Methylicum і М. flagellatum.
  Отримання препаратів культуральних рідин, що містять екзогенні дейтерій - і 13 С-амінокислоти. Дейтерій-мічені амінокислоти були виділені в складі препаратів ліофілізованих інтактних культуральних рідин, вільних від білків і полісахаридів, при зростанні штаму В. methylicum на мінімальних середовищах з добавкою 2 про% метанолу СНзОН і з різним вмістом важкої води. | 3 С-амінокислоти були отримані за рахунок культивування штаму М, flagellatum на середовищі, що містить звичайну воду і 1 об% 13С-метанол | 3 СНзОН. Дані за ступенями включення дейтерію та 13 С в молекули екзогенних амінокислот двох досліджуваних штамів наведені в таблиці 5. У всіх аналізованих зразках культуральної рідини незалежно від роду штамів методом мас-спектрометрії електронного удару були виявлені аланін, валін, лейцин / ізолейцин і фенілаланін (табл. 5). У мас-спектрах деріватізованной культуральпой рідини M. Flagellatwn на додаток до вишеобозначенние амінокислотам також фіксувався гліцин.
Отримання метилових ефірів данс-і карбобензоксі-проазводних амінокислот. Ступені включення ізотопів дейтерію і мзотопа вуглецю 13 С в мультікомпонептние суміші амінокислот у складі культуральної рідини і білкових гідролізатів визначали методом високочутливої ​​мас-спектромстріі електронного удару метилових ефірів Dns-амінокислот або у вигляді Z-похідних амінокислот після їх препаративного поділу методом обернено-фазової високоефективної рідинної хроматографії ОФ ВЕРХ.
Аналітичне та препаративної поділ Z-похідних амінокислот проводили методом ОФ ВЕРХ, розробленим Єгорової Т. А. (Єгорова Т. А., 1993). Ступені хроматографічної чистоти виділених з культуральних рідин В. methylicwn і М. flagellatum 2-й Dns-похідних дейтерій-та 13 С-амінокислот склали 93-95%, а виходи 65-87% відповідно.

Запропонована нами модифікація методу одержання похідних амінокислот полягала в прямій хімічній обробці препаратів культуральної рідини, отриманої після відділення клітин, DnsCI (і ZCI) і CN 2 H 2. Реакцію проводили в лужному середовищі у водно-органічному розчиннику в співвідношенні DnsCl (ZCI)-амінокислота, рівним 5:1 (див. схему нижче).
Для лізину, гістидину, тирозину, серину, треоніну та цистеїну поряд з моно-похідними було характерне утворення ді-Z-(Dns)-похідних: ді-Z, (Dns)-лізину, ді-Z, (Dns)-гістидину, О, N-ді-Z, (Dns5)-тирозину, О, N-ді-Z, (Dns)-Сері, O, N-AH-Z, (Dns)-Tpeoніна та N, S-ді-Z, (Dns)-цистеїну (на схемі ці проізодние не показані). Крім цього, з аргініну синтезувався три-Z, (Dns)-аргінін.

Летючість Dns-і Z-похідних амінокислот при мас-спектрометричного аналізу підвищували за рахунок додаткової деріватізаціі по карбоксильної групи (етерифікації) діазометаном. Вибір діазометана в якості етеріфіцірующего реагенту був пов'язаний з необхідністю проведення реакції в м'яких умовах, що виключають зворотний ізотопний (HD-обмін в ароматичних амінокислотах. При використанні діазометана відбувалося додаткове N-метилювання по a-NH 2-rpynne амінокислот, в результаті чого в мас- спектрах метилових похідних амінокислот фіксувалися додаткові піки, відповідні з'єднанням з молекулярною масою на 14 масових одиниць більше вихідних.
Дослідження ступенів включення дейтерію в молекулу L-фенілаланіну В. methylicum, отриманого з середовищ з важкою водою. Як видно з даних таблиці 2, зростання даного штаму метилотрофних бактерій на середовищах із зростаючими концентраціями важкої води супроводжувався зниженням рівнів накопичення клітинної біомаси, збільшенням часу генерації бактерій і тривалості лаг-фази при збереженні здатності синтезувати і накопичувати L-фенілаланін в ростовий середовищі. Тому було цікаво вивчити, як змінюються ступеня включення дейтерію в молекулу L-фенілаланіну та інших амінокислот В. methylicum в цих умовах.
У всіх дослідах спостерігалося специфічне зростання рівнів ізотопного включення дейтерію в молекули амінокислот при ступінчастому збільшенні концентрацій важкої води в ростовий середовищі (табл. 5). Так, для індивідуальних амінокислот культуральної рідини В. melhylicum, кількість включених атомів дейтерію по скелету молекул варіює в межах 49%-ної концентрації D 2 O і становить для Phe 27,5%, Ala - 37,5%, Val - 46,3 %, Leu / Ile - 47% (табл. 5). Аналогічне збільшення молекулярної маси амінокислот в залежності від концентрації важкої води в середовищі було зафіксовано у всіх експериментах.
Таблиця 5.
Ступені включення дейтерію-і ізотопу вуглецю 13 С в молекули секретується амінокислот В. melhylicum * і M. Flagellation **.
Амінокислоти
Зміст: Н 2 О в середовищі, про% 24,5 49,0 73,5 98,0
13 СН 3 ОН
1%
Gly
-

-
-
60,0
Ala
24,0
37,5
62,5
77,5
35,0
Val
20,0
46,3
43,8
58,8
50,0
Leu / Ile
15,0
47,0
46,0
51,0
38,0
Phe
15,0
27,5
51,3
75,0
95,0
* Дані по включенню дейтерію в амінокислоти наведені для В. methyticum при зростанні на середовищах, що містять 2 об.% СН 3 ОН і 24,5; 49,5; 73,5; 98,0 об.% D 2 O. "Дані по включенню 13 С наведені для М. flagellatum   при зростанні на середовищі, що містить 1 об.% 13 СН 3 ОН і 99 об.% Н 2 О.
Дослідження ступенів включення дейтерію в супутні амінокислоти В. meihylicum на середовищах з важкою водою. У мас-спектрах всіх досліджуваних зразків культуральної рідини Б. melhylicum крім основної секретируемой амінокислоти (фенілаланін) були виявлені домішки, метаболічно з нею пов'язаних аланіну, валіну та лейцину / ізолейцин {на рівні 3-5 мМ). У досвіді, де концентрація важкої води в середовищі склала 49 об.% (Таблиця 5, досвід 5), ізотопний склад фснілаланіна характеризувався збільшенням молекулярної маси на 4,1 одиницю, аланіну на 2,5 одиниці, валіну - 3,5 одиниці, а лейцину / ізолейцин - на 4,6 одиниць. Таким чином, на відміну від фенілаланіну, кількість включеного дейтерію в останніх трьох амінокислотах зберігає стабільне сталість у досить широкому інтервалі концентрацій екзогенної важкої води (від 49 об.% До 98 об.%).
У зв'язку з тим, що штам - продуцент фенілалапіна В. methylicum був ауксотрофом по лейцину, цю амінокислоту у немічених вигляді додавали в ростовую середу, що містить 98 об.% важкої води. Як показали наші дослідження по включенню дейтерію до молекули екзогенних амінокислот, в умовах ауксотрофності по лейцину ступінь ізотопного збагачення лейцину, а також метаболічно пов'язаних з ним амінокислот трохи нижче, ніж для інших амінокислот. Так, при зростанні В. methylicum на середовищі, що містить 98 об.% важкої води і немічених L-Leu, ступеня включення дейтерію в Leu склали 51,0%, Ala -77,5%, Val - 58,8% (табл. 5). Підсумовуючи отримані дані, можна зробити висновок про збереження мінорних шляхів метаболізму, пов'язаних з біосинтезом лейцину de novo. Іншим логічним поясненням спостережуваного ефекту може бути асиміляція клітиною немічених лейцину з середи на тлі біосинтезу міченого изолейцина de novo.
Дослідження ступенів включення дейтерію в L - Phe В. methylicum в максимально дейтерированного середовищі. Ми припустили, що за рахунок ауксотрофності штаму В. methylicum по лейцину, рівні включення дейтерію в секретіруемиі фенілаланін на тлі максимальних концентрацій важкої води можуть бути нижче теоретично допустимих внаслідок функціонування в клітині ряду біохімічних реакцій, пов'язаних з асиміляцією протоновану лейцину ззовні. Як ми і очікували, зазначена особливість найкраще виявлялася при біосинтезі фенілаланіну на дейтерированного середовищі, в якій єдиним протоновані з'єднанням, крім метанолу, був лейцин (див. табл. 5, досвід 9). У цьому досвіді ступінь дейтерірованності L-фенілаланіну склала 75%, тобто тільки шість атомів (з восьми в вуглецевому кістяку) в молекулі "фенілаланіну біосинтетичних заміщені на дейтерій. Згідно з даними мас-спектрометричного аналізу, атоми дейтерію розподілені по положеннях З 1-З 6 ароматичної частини фенілаланіну і суміжні положенню b, причому, як мініум чотири з них можуть бути локалізовані в самому бензольному кільці молекули фенілаланіну. Результат по отриманню L-Phe з даними характером включення мітки дуже важливий для біотехнологічного використання і має суттєві переваги по-порівнянні з хімічним (Н-D)-обміном (Griffiths D. V., 1986).
Дослідження ступеня включення дейтерію в молекулу фенілаланіну за рахунок конверсії дейтерометанола CD 3 OD у В. methylicum.
Контроль за включенням дейтерію в молекулу L-Phe за рахунок конверсії дейтерометанола CD 3 OD при зростанні бактерій на середовищі, що містить звичайну воду і 2 об.% Дейтерометанол CD 3 OD (відповідають досвіду 2, табл. 1) показав незначне кількість дейтерію, яке надходить в молекулу L-фенілаланіну разом з вуглецем CD 3 OD, Відсоток дейтерірованія фенілаланіну був обчислений за величиною піка з m / z 413 за вирахуванням вкладу піку домішки природного ізотопу (не більше 4%). Отриманий результат може бути пояснений розбавленням дейтерієво мітки за рахунок протікання як біохімічних процесів, пов'язаних з розпадом дейтерометанола CD 3 OD при його асиміляції клітиною, так і реакціями ізотопного обміну і дисоціації у важкій воді. Так, із чотирьох атомів дейтерію, наявних у молекулі СDзOD, лише один атом дейтерію при гідроксильної групи-OD самий рухливий і тому легко дисоціює у водному середовищі з утворенням СDзОН. Три залишилися атома дейтерію в складі СDзОН входять до циклу ферментативного окислення метанолу, який, у свою чергу, міг призвести до втрати дейтерієво мітки за рахунок утворення сполук більш окислених, ніж метанол. Зокрема, таке включення дейтерію в молекулу L-фенілаланіну підтверджує класичну схему ферментативного окислення метанолу до формальдегіду в клітинах метілотрофов, який лише після цього асимілюється у даного штаму метилотрофних бактерій РМФ-шляхом фіксації вуглецю (Nesvera J., 1991).
Дослідження ступенів включення ізотопу вуглецю 13 С в молекули екзогенних амінокислот М. flagellatum за рахунок біоконверсії 13 СНзОН.
Наші дослідження підтвердили, що для отримання | 3 С-амінокислот за рахунок мікробної конверсії 13 СНзОН попередня адаптація не є лімітуючим етапом, оскільки цей., Субстрат не робить негативного біостатичні ефекту на ростові та біосинтетичні характеристики метілотрофов. При зростанні М. flagellatum на середовищі, що містить 99 об.% воду і 1 об.% | 3 СНзОН клітина продукує лейцин, a також гліцин, фланін, валін і фенілаланін. Як видно з таблиці 5, рівні ізотопного включення | 3 С у Gly, Ala, Val та Phe становлять 60, 35, 50 і 95% відповідно. При цьому низька ступінь включення ізотопу вуглецю | 3 С у метаболічно пов'язані з ізолейцин амінокислоти обумовлена ​​ефектом ауксотрофіості бактерій в ізолейцин, який додавали в ростовую середу в немічених вигляді.
4. ВИВЧЕННЯ СТУПЕНІВ ВКЛЮЧЕННЯ ІЗОТОПІВ дейтерію та вуглецю 13 С в амінокислотні залишки сумарного білка M. Methylkiim і М. flagellatum.
Виділення дейтерій-і 1} С-алшнокіслот з білкових гідролізатів. Оскільки при роботі з мікробною біомасою виникають проблеми, пов'язані з очищенням від супутніх компонентів, було необхідно застосовувати спеціальні підходи при виділенні фракції сумарних білків з бактеріальних джерел.
При виділенні фракції сумарних білків біомаси метилотрофних бактерій (В. methylicum, M. Flagellatum) враховувалася наявність у них вуглеводів. Ми використовували багаті по білку штами бактерій з порівняно невеликим вмістом вуглеводів в них, гідролізу в якості фракції сумарних білків піддавали залишок після вичерпного відділення пігментів і ліпідів екстракцією органічними розчинниками (метанол-хлороформ-ацетон}.
У всіх випадках гідроліз білків проводили в 6 н. розчині DC1 (3 мас.% фенолу в D 2 O) або в 4 н. розчині Ва (ОН): для запобігання реакцій зворотного ізотопного обміну (HD) в ароматичних амінокислотах та їх руйнування.
Дейтерій-та 13 С-мічені амінокислоти у складі гідролізатів сумарного білка біомаси були розділені методом ОФ ВЕРХ зі ступенем хроматографічної чистоти 93-96% і виходами 75-89% в умовах, аналогічних таким для поділу секретується амінокислот (табл. 6). Хоча в таблиці 6 наведено дані тільки для 10 амінокислот, очевидно, що в інших амінокислотах рівні ізотопного включення порівнянні, хоча вони не детектируются даним методом. Це припущення підтверджується даними з розділення білкових гідролізатів метилотрофних бактерій методом іонообмінних хроматографії на колонці "Biotronic LC 5001 ", де детектується вже 15 амінокислот (див. рис. 4).
Дослідження ступенів включення дейтерію в амінокислотні залишки білка В. methylicum па середовищах з важкою водою.
Загальні принципи вивчення ступеня ізотопного збагачення молекул амінокислот при даному способі введення мітки продемонстровані на прикладі аналізу включення дейтерію в мультикомпонентного суміші амінокислот, отримані після гідролізу сумарних білків біомаси в 6 н. DCl і 4 н. Ва (ОН).
У всіх-експериментах з научіння вмісту дейтерію в амінокислотних залишках білка спостерігалася кореляція між ступенем ізотопного насичення середовища та рівнями включення дейтерію в амінокислоти (табл. 6), Наприклад, для індивідуальних амінокислот білкових гідролізатів кількість включених атомів дейтерію по скелету молекули варіює незначно в межах 49 %-ної концентрації важкої води і становить для Ala 45%, Val - 36,3%, Leu / Ile - 42%, Phe -37,5%.
Таблиця 6.
Ступені включення D і 13 С в амінокислотні залишки загальних білків біомаси В. melhyiicum * і М. flagellatum **.
Амінокислоти
Зміст D 2 O в середовищі, про% 24,5 49,5 73,5 98,0
13 СНзОН 1 об%
Gly
15,0
35,0
50,0
90,0
90,0
Ala
20,0
45,0
62,5
97,5
95,0
Val
15,0
36,3
50,0
50,0
50,0
Leu / lie
10,0
42,0
45,0
49,0
49,0
Phe
24,5
37,5
50,0
95,0
80,5
Туr
20,0
48,8
68,8
92,8
53,5
Ser
15,0
36,7
47,6
86,6
73,3
Asp
20,0
36,7
60,0
66,6
33,3
Glu
20,0
40,0
53,4
70,0
40,0
Lys
10,0
21,1
40,0
58,9
54,4
'Дані по включенню дейтерію в амінокислоти наведені для В. melhyiicum при зростанні на середовищах, що містять 2 об.% СН 3 ОН і 24,5; 49,5; 73,5; 98,0 об.% D 2 O. ** Дані по включенню 13 С наведені для М. flagellatum   при зростанні на середовищі, що містить 1 об.% 13 СН 3 ОН і 99 об.% Н 2 О.
Дослідження ступенів включення дейтерію в амінокислотні залишки білка В. melhyiicum на максимально дейтерированного середовищі. Отримані дані свідчать про можливість досягнення максимальних рівнів включення дейтерію в амінокислотні залишки білків за рахунок адаптації культури В. melhyiicum до зростання і біосинтезу на середовищі з максимальною концентрацією важкої води. Як видно з таблиці 6, при зростанні В. methylicum на середовищі, що містить 98 об.% важкої води, ступеня включення дейтерію в залишки Gly, Ala і Phe становлять 90, 97,5 і 95%, тобто рівень мічення можна вважати уніформним. Низькі ступеня включення дейтерію в молекули лейцину (49%), а також у метаболічно пов'язаних амінокислотах в цих умовах можуть бути пояснені за рахунок ауксотрофності штаму в лейцин, який додавали в середовище культивування в протоновану формі. Отриманий результат за розбавленню дейтерієво мітки в лейцин може бути пояснений збереженням частки мінорних реакцій у біосинтезі лейцину de novo.
Дослідження ступенів включення ізотопу вуглецю I 3 C в амінокислотні залишки білка М.
flagellation за рахунок біоконверсії 13 С H 3 ОН.
В експериментах по включенню ізотопу вуглецю | 3 З в молекули білків за рахунок біоконверсії 13 С H 3 ОН метилотрофних бактерій М. flagellalum була показана ефективність мічення амінокислот ізотопом вуглецю 13 С. Так, в Phe детектувати 80,5% мітки, в Ala - 95%, в Gly - 90% (див. табл. 6).
У всіх експериментах ступеня включення дейтерію і ізотопу вуглецю 13 С в метаболічно пов'язаних амінокислотах виявили певну коррелляцію. Так, ступеня ізотопного збагачення валіну та лейцину (сімейство пірувату), фснілаланіна і тирозину (сімейство ароматичних амінокислот} збігаються (табл. 6). Ступені ізотопного включення гліцину і серину (сімейство серину), аспарагіповой кислоті і лізину (сімейство аспарагіну) також мають близькі величини. Порівнюючи дані таблиці 5 і 6, можна зробити висновок, що ступеня ізотопного збагачення екзогенних амінокислот та відповідних амінокислотних залишків сумарного білка, в цілому, також корелюють.
Як і у випадку з екзогенними амінокислотами, низькі ступеня включення ізотопу вуглецю 13 С в залишки Leu при зростанні на 1 об.% 13 СНзОН обумовлені ауксотрофностью бактерій в цій амінокислоті.
Таким чином, нам вдалося досягти максимальних рівнів включення стабільних ізотопів в сумарні білки біомаси метилотрофних бактерій. Саме тому ми вважали за можливе використовувати гідролізати їх біомаси для біосинтезу інших ізотопно - мічених БАС.
5. ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ Гідролізати БІОМАСИ метилотрофних бактерій В. methylkum в якості субстрату ДЛЯ ОТРИМАННЯ [1 ', 3', 4 ', 2,8 - D 5]-інозину.
Отримання [1 ', 3', 4 ', 2,8 - D 5] - інозину. У наступних експериментах було апробовано використання дейтерій-компонентів біомаси метилотрофних бактерій, отриманих в умовах ступеневої адаптації до важкої воді для синтезу високодейтерірованних нуклеозидів (на прикладі інозину ). [1,3 ', 4' ,2,8-D5]-інозин був отриманий біосинтетичних за рахунок використання штаму-продуцента В. subtilis та виділено з культуральної рідини за методикою, що включає адсорбцію інозину на активованому вугіллі, десорбцію спиртово-аміачним розчином і перекристалізації з метанолу. ТШХ інозину, з детекцией при 249 нм показала наявність в аналізованому зразку єдиного плями з Rf = 0,55,-відповідного по рухливості чистому інозину.
Особливості розробленого методу отримання [1,3 ', 4' ,2,8-D5]-інозину полягають у таких аспектах:
1. У здатності високоактивного штаму В. subtilis до зростання і біосинтезу інозину на середовищах, що містять максимальні концентрації важкої води;
2. Заміні глюкози і амінокислот, необхідних для росту цього штаму-ауксотрофа на гідролізати дейтерій-біомаси В. methylicutn. При наступних ферментація в якості джерела ростових факторів можна використовувати ту ж дсйтеро-біомасу метилотрофних бактерій, або біомасу самого штаму-продуцента, що містить у своєму складі з'єднання, які можуть служити джерелами вуглецю і ростових факторів;
3. У практично повній відсутності відходів: згідно зі схемою, дейтерій-біомаса базового штаму, після гідролізу в 6 н. DC1 повертається в цикл в якості ростових факторів;
4. У високого рівня ізотопного збагачення дейтерій-мсченного інозину (62,5% атомів водню в молекулі заміщені на дейтерій);
5. У високих виходах (3,9 г / л) міченого продукту.
Дослідження рівня дейтерірованності інозину. Місця локалізації дейтерію в молекулі інозину, були досліджені за допомогою мас-спектрометрії FAB та спектроскопії ПМР (див. схему).

При аналізі ступеня дейтерірованності інозину враховувалися наступні аспекти. По-перше, внаслідок того, що протони в C 1-C 's положеннях рібозной частини молекули інозину могли походити з глюкози, ми припустили, що характер биосинтетического включення дейтерію в рібозную частина молекули інозину визначається, в основному, функціонуванням ряду процесів гексозо-моно-фосфатного (ГМФ) шунта, пов'язаних безпосередньо з асиміляцією глюкози та інших цукрів. По-друге, численні обмінні процеси і внутрімолекулярні перегрупування, що відбуваються за участю важкої води могли також призвести до специфічного включенню мітки за певними позиціями в молекулі інозину. Такими доступними позиціями в молекулі інозину визнані, перш за все, гідроксильні протони-ОН і протони при гетероатома-NH (останні можуть обмінюватися на дейтерій у важкій воді за рахунок кето-енольної таутомерії). Три атома дейтерію в рібозном залишку молекули інозину могли відбуватися за рахунок функціонування численних реакцій ГМФ-шунта, два атоми дейтерію а гіпоксантінс також могли синтезуватися de novo (схема).
6. РОЗРОБКА СПОСОБІВ Біосинтетичними ОТРИМАННЯ Дейтерій-мічених HOI Про Бактеріородопсин
Отримання дейтерії-міченого бактериородопсина.
Як інша модельної системи для введення стабільної ізотопної мітки в білки, використовували бактеріородопсин (bR), який синтезується в клітинній мембрані H. halobium ET 1 QOL (рис.6). Для включення дейтерієво мітки в bR використовували два принципово відмінних підходи: сайт-специфічне введення окремих амінокислот: L-[2,3,4,5,6-D 5]-Phe, L-[3 ,5-D2]-Tyr і L-[2,4,5,6,7-D 5]-Trp в bR і уніформное мічення бактериородопсина дейтерієм шляхом вирощування П. halobium ET 1001 на середовищі, що містить 99,9 ат.% Важку воду і дейтерію-гідролізати В. methylicum.
Бактеріородопсин виділяли з пурпурових мембран Н. halobium ET 1001 солюбілізаціі в 0,5%-ном розчині додецилсульфату натрію (ДСН) з наступним осадженням білка метанолом. Гомогенність очищеного bR була потверджений електрофорезом в 12,5%-ном поліакриламідному гелі в присутності 0,1% ДСН.
ОФ ВЕРХ метилових ефірів Dns-, і Z-похідних амінокислот, отриманих після гідролізу bR в 4 н. Ва (ОН) 2 або 6 н. DCI (3 мас.% Фенолу, у важкій воді) показала високі ступені хроматографічної чистоти виділених амінокислот і відсутність домішок небілкової природи в гидролизатах bR. Згідно з даними по розділенню деріватізованних гідролізатів bR методом ОФ ВЕРХ, ступеня хроматографічної чистоти виділених дейтерій-мічених Dns-Phe-OMe, Dns-Tyr-OMe і Dns-Trp-OMe склали 96, 97 і 98% відповідно.
Дослідження ступеня дейтеріроваіності бактериородопсина. Обидва підходи показали хороші результати щодо введення дейтерієво мітки в молекулу bR. Наприклад, у мас-спектрі гідролізату електрофоретичної чистого bR, отриманого з селективною середовища, що містить L-[2,3,4,5,6-D5]-Phe, L-[3,5-D2]-Tyr і L-2 ,4,5,6,7-D5]-Trp, після прямої обробки реакційної суміші Dns-Cl і CN 2 Н 2 фіксуються піки, відповідні молекулярним іонів збагачених дейтерієм Dns-Phe-OMe з М +. при m / z 417 (замість m / z 412 в контролі), Dns-Tyr-OMe з М +. при m / z 429 (замість m / z 428) і Dns-Trp-OMe з М +. при m / z 456 {замість m / z 451).
У випадку з уніформним мічення bR, мітка включалася рівномірно по всіх положень вуглецевого скелета в амінокислотних залишках білка.
ВИСНОВКИ:
1. Підібрано умови для проведення адаптації штамів R. Melhylicum, H. Halobium, В. xubiilis і II. amyloliquefaciens до зростання на D 2 О-середовищах. Селекційно відібрані штами, зберегли високі ростові і біосинтетичні характеристики на середовищах з максимальними концентраціями важкої води.
2. Показано принципову можливість використання суми хімічних компонентів дейтерій-біомаси факультативних метилотрофних бактерій В. methylicum в якості джерел ростових субстратів для синтезу дейтерій-мічених БАС.
3. Вивчено вплив мічених субстратів - D 2 O, CD 3 OD і | 3 СН 3 ОН на ростові і біосинтетичні параметри різних штамів-продуцентів БАС. Показано, що уніформние рівні включення дейтерію в молекули синтезованих БАС можна отримати, використовуючи високодейтерірованние середовища
(D 2 О і СНзОН), а у випадку з 13 С-міченого того ж результату можна досягти за рахунок використання | 3 СНзОН.
4. Запропоновано дамсільная модифікація препаратів культуральної рідини для вивчення ступенів ізотопного збагачення амінокислот методом мас-спектрометрії електронного удару. Метод дозволяє проводити аналіз ізотопного складу мультикомпонентного сумішей амінокислот, як вільних
амінокислот з культуральної рідини, так і амінокислот у складі гідролізатів сумарних білків біомаси.
5. Проведено порівняльне вивчення ступенів включення дейтерію і ізотопу вуглецю 13 С в молекули екзогенних амінокислот, так і в амінокислотні залишки сумарних білків штамів метилотрофних бактерій в умовах їх зростання на середовищах, що містять східчасто збільшують концентрації важкої води.
6. Визначена чітка кореляція між рівнем включення ізотопної мітки в молекули амінокислот і концентрації важкої води в ростових середовищах.
7. Розроблено схему отримання дейтерій-мічених БАС з високими ступенями ізотопного збагачення, заснована на використанні гетеротрофних мікроорганізмів - продуцентів відповідних БАС. Дана схема перевірена на прикладі отримання дейтерій-мічених інозину і бактериородопсина.
8. Досліджено методи сайт-специфічного і уніформного введення дейтерієво мітки в бактеріородопсин. Показано, що включення окремих дейтерій-мічених амінокислот у молекулу бактериородопсина носить селективний характер, а використання адаптованого до D2O Н. halobium ET 1001 на середовищах з міченими субстратами і 99,9% D2O дозволяє отримувати уніформно мічений бактеріородопсин.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ за темою дисертаційної роботи.
1. Мосін О. В.. Карнаухова Є. Н., Пшеничникова О. Б., складні Д. А., Акімова О. Л. біосинтетичні отримання дсйтерій-мсченного L-фенілалаііна, секрстіруемого метилотрофних мутантом Brevibaclerium      methylicum      II Біотехнологія. 1993. № 9. С. 16-20,
2. Єгорова Т. А., Мосін О. В., Єрьомін С. В-, Карнаухова Є. Н., Звонкова Є. Н., Швець В. І. препаративні поділ амінокислот білкових гідролізатів у вигляді бензілоксікарбонільних похідних / / Біотехнологія. 1993. № 8. С. 21-25.
3. Беккер Г. Д., Мосін О. В.. Карнаухова Є. М. Амінокислоти, мічені стабільними ізотопами: отримання і мас-спектро метрично і контроль. (Тези доп. 4-й Всеросійській науковій конференції "Проблеми теоретичної та експериментальної хімії") - Єкатеринбург. 20-22 квітня 1994. С. 127-128.
4. Мосін О. В.. Карнаухова Є. Н., складні Д. А., Акімова О. Л., Циганков Д, Ю. Штам Brevibacterium    methylicum - продуцент уніформно міченої дейтерієм амінокислоти L-фенілаланіну. Заявка РФ № 93055824 від 15.12.1993.
5. Казарінова Л. А., Королькова Н. В., Миронов А. С., Мосін О. В.. Складне Д. А., Юркевич О. М. Спосіб отримання високодейтерірованних нуклеозидів і нуклеотидів. Заявка РФ № 95118778 від 14.11.1995.
6. Karnaukhova Є. N. Mosin О. V.. and Reshetova О. S. Biosynthetic production of stable isotope labeled ammo acids using methylotroph Methylobacillus JlageUattan / / Ammo Acids. 1993. V. 5. № 1. P. 125.
7. Mogin OV. Karnaukhova EN, Pshenichnikova А. В., Reshetova OS Electron impact spectrometry in bioanalysis of stable isotope labeled bacteriorhodopsin. 6th International Conference on Retinal Proteins. 19-24 June 1994. Leiden. The
Netherlands. P. 115.
8. Mosin O. V,. Karnaukhova E. N., Skladnev D. A. Application of methylotrophic bacteria for divparation of stable isotope labeled amino acids. 7 th International Symposium on the Genetics of Industrial Microorganisms. 26 June 1994. Quebec. Canada. P. 163.
9. Matveev AV, Mosin_O. V.. Skladnev DA, Yurkevich AM, and Shvcts V. Melhylolrophic adaptation to highly deuterated substrates. 8th International Symposium on Microbial Growth on Ci-Compounds. 27 August-l September 1995. San Diego. USAP 49.
10. Mosin O. V.. Karnaukhova E. N., Skladnev D. A., and Shvets V. I. Preparation of D-and L 'C-amino acids via bioconvertion of Ci-substrates, 8lh International Symposium on Microbial Growth on Сi-Compounds. 27 August-l September 1995. San Diego. USAP 80.
11.Shvets VI, Yurkevich AM, Mosin_O. V.. Skladnev DA Preparation of deuterated inosine suitable for biornedical application / / Karadeniz Journal of Medical Sciences. 1995. V. 8. № 4. P. 231-232.
12. Мосін О. В.. Складне Д. А., Єгорова Т. А., Юркевич О. М., Швець В. І. Дослідження біосинтезу амінокислот штамом Brevibacterium   methylicum   на середовищах, що містять важку воду. II Біотехнологія. № 3. 1996. С. 32-37.
13. Мосін О. В.. Єгорова Т. А., Чеботаєв Д. В., складні Д. А., Юркевич О. М., Швець В. І. Отримання бантеріородопсіна, міченого по залишках ароматичних амінокислот L-фенілаланіну, L -тирозину і L-триптофану / / Біотехнологія. № 3. 1996. С. 14-20.
14. Мосін _О.В. Казарінова Л. А., Преображенська Є. С., складні Д. А., Юркевич О. М., Швець В. І. Зростання бактерії Bacillus subtilis і біосинтез інозину на високодейтерірованной середовищі. / / Біотехнологія. № 4. 1996.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
227.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Отримання мембранного білка бактериородопсина міченого дейтерієм по залишках ароматичних амінокислот
Метилотрофних бактерій - джерела ізотопно-мічених Н-2 і С-13 амінокислот
Отримання мембранного білка бактериородопсина міченого дейтерієм
Основи біохімії білків та амінокислот в організмі людини
Огляд методів отримання плівок та їх властивостей
Розробка технології електротермічного отримання сілікоалюмінія з використанням малозольних
Розробка системи агротехнічних заходів щодо отримання високих урожаїв
Розробка та техніко-економічний аналіз отримання заготовок для деталі зубчасте колесо
Розробка та техніко економічний аналіз отримання заготовок для деталі зубчасте колесо
© Усі права захищені
написати до нас