Метилотрофные бактерии - источники изотопно-меченных Н-2 и С-13 аминокислот - рефераты, скачать рефераты, бесплатно рефераты

Рефераты. Метилотрофные бактерии - источники изотопно-меченных Н-2 и С-13 аминокислот

/b>*Данные (1-10) приведены для B. methylicum, не адаптированного к средам с высоким содержанием дейтерия.

Данные 10' приведены для адаптированого B. methylicum.

За счёт использования данного штамма B. methylicum удалось получить десятки миллиграмм высокомеченного дейтерием фенилаланина из 20 г клеточной биомассы.

Изучение уровней включения изотопов 2Н- и 13С в секретируемые аминокислоты метилотрофных бактерий.

Эффективность использования дансильных и Z-производных аминокислот для масс-спектрометрических исследований была показана раннее [10, 16]. В данной работе уровни включения изотопов 2Н-и 13С в мультикомпонентные смеси аминокислот в составе культуральной жидкости и белковых гидролизатов определяли методом масс-спектрометрии электронного удара метиловых эфиров дансил-аминокислот или в виде Z-производных аминокислот после их препаративного разделения методом обращённо-фазовой ВЭЖХ.

Производные аминокислот получали прямой обработкой препаратов культуральной жидкости и гидролизатов суммарных белков биомассы карбобензоксихлоридом (ZCl) или дансилхлоридом (DnsCl) и диазометаном (CH2N2). Реакцию проводили в щелочной среде в водно-органическом растворителе в соотношении карбобензоксихлорид (дансилхлорид)-аминокислота, равным 2:1 (схема 1).

Для лизина, гистидина, тирозина, серина, треонина и цистеина наряду с монопроизводными было характерно образование ди-Z-(Dns)-производных: ди-Z,(Dns)-лизина, ди-Z,(Dns)-гистидина, О,N-ди-Z,(Dns)-тирозина, O,N-ди-Z,(Dns)-серина, O,N-ди-Z,(Dns)-треонина и N,S-ди-Z,(Dns)-цистеина (на схеме 1 эти произодные не показаны). Кроме этого, из аргинина синтезировался три-Z,(Dns)-аргинин.

Летучесть дансилпроизводных аминокислот при масс-спектрометрическом анализе повышали за счет дополнительной дериватизации по карбоксильной группе (этерификации) диазометаном. Выбор диазометана как этерифицирующего реагента был обусловлен необходимостью проведения реакции в мягких условиях, исключающих изотопный (1Н-2Н) обмен в ароматических аминокислотах.

Данные масс-спектрометрии по уровням включения стабильных изотопов 2Н-и13С в бензилоксикарбонильные производные аминокислот в пределах одинаковых концентраций тяжёлой воды в среде не отличались от таковых, полученных для метиловых эфиров дансиламинокислот (точность определения уровней изотопного включения в аминокислоты данным методом составляет +5). Данные по уровням включения 2Н-и 13С секретируемые аминокислоты исследуемых штаммов приведены в таблице 3. Для введения дейтерия в аминокислоты B. methylicum использовали минимальные среды с 2 об.% СН3ОН и различным содержанием 2Н2О в них, поскольку раннее было показано, что вклад С2Н3О2Н в уровни дейтерированности аминокислот незначителен [10].

13С-аминокислоты были получены за счёт культивирования штамма M. flagellatum на среде, содержащей обычную воду и 1 об.% к 13CH3OH. Во всех анализируемых образцах культуральной жидкости не зависимо от рода штамма присутствовали аланин, валин, лейцин (изолейцин) и фенилаланин (см. табл. 3). В культуральной жидкости M. flagellatum в дополнение вышеназванным аминокислотам также накапливался глицин.

Таблица 3.

Уровни включения 2Н и 13С в секретируемые аминокислоты B. methylicum и M. flagellatum (данные получены для Z-,и Dns-производных аминокислот)*.

Аминокислоты	Содержание 2Н2О в среде, об% 24,5 49,0 73,5 98,0	1 % 13СН3ОН
Глицин	-	-	-	-	60,0
Аланин	24,0	37,5	62,5	77,5	35,0
Валин	20,0	46,3	43,8	58,8	50,0
Лейцин (изолейцин)	15,0	47,0	46,0	51,0	38,0
фенилаланин	15,0	27,5	51,3	75,0	95,0

* Данные по включению 2Н в аминокислоты приведены для B. methylicum при росте на средах, содержащих 2 об.% CH3OH и 24,5; 49,5; 73,5; 98,0 об.% 2Н2О.

Данные по включению 13С приведены для M. flagellatum при росте на среде, содержащей 1 об.% 13СН3ОН и 99 об.% Н2О.

Во всех опытах наблюдалось специфичное возрастание уровней изотопного включения дейтерия в индивидуальные аминокислоты культуральной жидкости при ступенчатом увеличении концентраций тяжёлой воды в ростовой среде (табл. 3). Как видно из таблицы 3, для аминокислот из культуральной жидкости, количество включенных атомов дейтерия по углеродному скелету молекулы варьирует в пределах 49 об.%-ной концентрации 2Н2O и составляет для фенилаланина 27,5%, аланина - 37,5%, валина - 46,3%, лейцина (изолейцина) - 47%.

Как и следовало ожидать, для получения 13С-аминокислот за счет микробной биоконверсии 13СН3ОН, предварительная адаптация не является необходимым этапом, поскольку этот изотопный субстрат не оказывает существенного влияния на ростовые и биосинтетические характеристики метилотрофов. Масс-спектр культуральной жидкости M. flagellatum, полученной после обработки дансилхлоридом и диазометаном со среды, содержащей 1 об.% 13СН3ОН и 99 об.% Н2О показан на рис. 2,б (Масс-спектр приведён относительно контрольных условий, где использовали обычную воду и метанол (а)). Как видно из рис. 2,б, в дериватизованной культуральной жидкости М. lagellatum детектируются обогащённые изотопом 13С пики молекулярных ионов производных аминокислот с М+. при m/z 337,4; 368,5; 382,3; 420,5, которые соответствуют по массе аланину, валину, лейцину (изолейцину) и фенилаланину. Так как отношения массы к заряду m/z для лейцина (изолейцина) в масс-спектрах электронного удара метиловых эфиров дансиламинокислот совпадают, то вследствие этого нельзя точно идентифицировать структуру соединения данным методом. Кроме вышеназванных пиков молекулярных ионов, в масс - спектре фиксируется пик с М+. при m/z 323,2 (вместо m/z 322,0 в контроле), соответствующий метиловому эфиру дансил-глицина.

В связи с тем, что штамм B. methylicum был ауксотрофом по лейцину, а другой штамм M. flagellatum - ауксотрофом по изолейцину, было интересно изучить как изменяются уровни включения дейтерия в этих аминокислотах. Для этого лейцин добавляли в ростовую среду B. methylicum, приготовленную на основе 98 об.% 2Н2О в немеченном виде. В случае с M. flagellatum изолейцин добавляли в среду, приготовленную из обычной воды и 1 об.% 13СН3ОН. Как показали наши исследования, в условиях ауксотрофности по лейцину (изолейцину) уровень изотопного обогащения лейцина (изолейцина), а также метаболически связанных с ними аминокислот ниже, чем для других аминокислот. Так, при росте B. methylicum на среде, содержащей 98 об.% 2Н2О и немеченный L-лейцин, уровни включения дейтерия в лейцин (изолейцин) составили 51,0%, аланин - 77,5%, валин - 58,8% (табл. 3). Уровень включения дейтерия в фенилаланин в этих условиях составил 75%. Эта же особенность проявляется при росте M. flagellatum на среде с 1 об.% 13СН3ОН и добавкой немеченного L-изолейцина. Как видно из таблицы 3, в отличие от фенилаланина (уровень изотопного обогащения - 95%), уровни включения изотопа 13С в лейцин (изолейцин), аланин и валин составили 38,0; 35,0; 50,0 % соответственно. Уровень изотопного обогащения глицина составил 60%. Суммируя полученные данные, можно сделать вывод о сохранении минорных путей метаболизма, связанных с биосинтезом лейцина (изолейцина) de novo.

Изучение уровней включения изотопов 2Н- и 13С в аминокислоты суммарных белков метилотрофных бактерий.

2Н- и 13С-меченные аминокислоты в составе гидролизатов белка биомассы были получены в условиях, аналогичных таковым для секретируемых аминокислот (табл. 4). Хотя в таблице 4 приведены данные только для 10 аминокислот, не вызывает сомнения, что в остальных аминокислотах уровни изотопного включения сопоставимы, хотя они не детектируются данным методом. Это предположение подтверждается данными по разделению белковых гидролизатов метилотрофных бактерий методом ионнообменной хроматографии, где детектируется уже 16 аминокислот (см. рис. 3).

Полученные данные свидетельствуют о возможности достижения максимальных уровней включения стабильных изотопов 2Н-и 13С в аминокислоты. Например, в случае с дейтерированными аминокислотами этого результата удалось достичь за счет адаптации культуры B. methylicum к росту и биосинтезу на среде с максимальной концентрацией 2Н2О. Как видно из табл. 4, при росте B. methylicum на данной среде, содержащей 98 об.% 2Н2О, уровни включения 2Н в остатки глицина, аланина, и фенилаланина составляют 90, 97,5, и 95% соответственно. Как и следовало ожидать, в этих условиях метка распределена равномерно по всем положениям углеродного скелета молекул аминокислот.

В экспериментах по получению аминокислот за счёт биоконверсии 13СН3ОН метилотрофными бактериями M. flagellatum была показана эффективность мечения аминокислот 13С. Так, в фенилаланине детектировалось 80,5 % метки, в аланине - 95 %, в глицине - 90% (см. табл. 4).

Таблица 4.

Уровни включения 2Н и 13С в аминокислоты общих белков биомассы B. methylicum и M. flagellatum (данные получены для Z-и Dns-производных аминокислот*).

Аминокислоты	Содержание 2Н2О в среде, об% 24,5 49,5 73,5 98,0	1 % 13СН3ОН
Глицин	15,0	35,0	50,0	90,0	90,0
Аланин	20,0	45,0	62,5	97,5	95,0
Валин	15,0	36,3	50,0	50,0	50,0
лейцин (изолейцин)	10,0	42,0	45,0	49,0	49,0
фенилаланин	24,5	37,5	50,0	95,0	80,5
тирозин	20,0	48,8	68,8	92,8	53,5
Серин	15,0	36,7	47,6	86,6	73,3
аспарагиновая кислота	20,0	36,7	60,0	66,6	33,3
глутаминовая кислота	20,0	40,0	53,4	70,0	40,0
Лизин	10,0	21,1	40,0	58,9	54,4

*Данные по включению 2Н в аминокислоты приведены для B. methylicum при росте на средах, содержащих 2 об.% CH3OH и 24,5; 49,5; 73,5; 98,0 об.% 2Н2О.

Данные по включению 13С приведены для M. flagellatum при росте на среде, содержащей 1 об.% 13СН3ОН и 99 об.% Н2О.

Во всех экспериментах уровни включения 2Н и 13С в метаболически связанных аминокислотах обнаружили определённую коррелляцию. Так, уровни изотопного обогащения валина и лейцина, фенилаланина и тирозина совпадают (см. табл. 4). Уровни изотопного включения в глицине и серине, аспарагиновой и в глутаминовой кислотах также имеют близкие величины. Сравнивая данные таблицы 3 и 4 можно заключить, что уровни изотопного обогащения секретируемых аминокислот и соответствующих аминокислотных остатков суммарного белка в целом также коррелируют. Причина некоторых наблюдаемых расхождений в уровни включения изотопов в аминокислоты до конца не выяснена.

Как и в случае с секретируемыми аминокислотами, при росте бактерий на средах, содержащих 98 об.% 2Н2О или 1 об.% 13СН3ОН, низкие уровни включения 2Н- и 13С в остатки лейцина (изолейцина) и метаболически связанные с ним аминокислоты, обусловлены ауксотрофностью бактерий в лейцине (изолейцине).

Выделение изотопно-меченных аминокислот из культуральной жидкости и гидролизатов биомассы метилотрофных бактерий.

В ходе выполнения работы было проведено препаративное разделение аминокислот культуральной жидкости и гидролизатов биомассы метилотрофных бактерий методами обращенно-фазовой ВЭЖХ в виде бензилоксикарбонильных производных аминокислот. Так, дейтерий-меченный фенилаланин был выделен из культуральной жидкости В. methylicum методом обращённо-фазовой ВЭЖХ в виде Z-производного с хроматографической чистотой 99% и выходом 89%. Хроматографически чистые 2Н-и 13С-аминокислоты были выделены из гидролизатов биомассы B. methylicum и M. flagellatum в виде их Z-производных в миллиграммовых количествах [8]. Отдельные аминокислоты: фенилаланин и лейцин были также хроматографически выделены из культуральных жидкостей данных штаммов метилотрофных бактерий в виде метиловых эфиров дансил-аминокислот.

Ионнообменная хроматография аминокислот на колонке “Dowex” хорошо зарекомендовал себя как аналитический метод для изучения качественного и количественного состава белковых гидролизатов метилотрофных бактерий. Хроматограмма гидролизата суммарных белков B. methylicum, полученных при росте бактерий на среде, содержащей 98 об.% 2Н2О и 2 об.% С2Н3О2Н представлена на рис. 3. Как видно из рис.3, в этом гидролизате присутствуют 16 аминокислот. Поскольку пролин не детектируется в данных условиях его определяли при длине волны 440 нм.

Таким образом, проведённые исследования подтвердили эффективность использования метилотрофных бактерий для получения 2Н-и 13С- аминокислот. Предложенный подход предполагает комплексное использование метилотрофных бактерий, позволяя выделять аминокислоты как из культуральной жидкости после ферментации штаммов продуцентов, так и из гидролизатов суммарных белков биомассы.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Patel G.B., Sprott G.D., Ekiel I. // Appl. Environ. Microbiol. - 1993. - V. 59. - N. 4. - P. 1099-1103.

2. John Colby, Howard Dalton. // Ann. Rev. Microbiol. - 1979. - V. 33. - P. 481-517.

3. Skladnev D.A., Baev M.V., Shilova S.Yu., et al. // Proceedings of 6th Europ. Conf. on Biomass for Energy. - Industry and Environment. - Athens. - 1991. - P. 47-51.

4. Katz J., and Crespi H. L. // Pure Appl. Chem. - 1972. - V. 32. - P. 221-250.

5. Crespi H. L. // Biosynthesis and uses of per-deuterated proteins. in: Synthesis and Applications of Isotopically labeled Compounds, Proceedings of the Second Inter. Symp. - Elsevier. - 1986. - P. 111-112.

6. Karnaukhova E.N., Reshetova O.S., Semenov S.Y., Skladnev D.A., Tsygankov Y.D. // Amino Acids. - 1994. - V. 6. - P. 165-176.

7. Мосин О.В., Карнаухова Е.Н., Пшеничникова А.Б.,Складнев Д.А., Акимова О.Л. // Биотехнология. - 1993. - N. 9. - С. 16-20.

8. Егорова Т.А., Мосин О.В., Еремин С.В., Карнаухова Е.Н.,Звонкова Е.Н., Швец В.И. // Биотехнология. - 1993. - N. 8. - С. 21-25.

9. Karnaukhova E.N., Mosin O.V., Reshetova O.S. // Amino Acids. - 1993. - V. 5. - P. 125.

10. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Юркевич А.М., Швец В.И. // Биотехнология. - 1996. - N. 3. (в печати).

11. Миллер Дж. Эксперименты в молекулярной генетике. - М.: Мир, - 1976. - С. 393.

12. Звонкова Е.Н., Зотчик Н.В., Филлипович Е.И., Митрофанова Т.К., Мягкова Г.И., Серебренникова Г.А // Химия биологически активных природных соединений. - М.: Химия, 1970. - С. 65-68.

13. Bligh E.G., Dyer W.J. // Can. J. Biochem. Physiol. - 1959. - V. 37. - N. 8. - P. 911-918.

14. Егорова Т.А., Ерёмин С.В., Митснер Б.И., Звонкова Е.Н., Швец В.И. // Биотехнология. - N5. - 1993. - С. 30-35.

15. Egorova T.A., Eremin S.V., Mitsner B.I., Zvonkova E.N., Shvets V.I. // J. of Chromatography B. - 1995. - V. 665. - P. 53-62.

16. Daniely B. et al. // J. Org. mass spectrometry. - 1989. - 24. - P. 225-229.

О.V. MOSIN

Moscow State Academy of Fine Chemical Technology named after M.V. Lomonosov, 117571.

METHYLOTROPHIC BACTERIA - AS THE SOURCES OF ISOTOPICALLY LABELED 2H - AND 13C- AMINO ACIDS.

A possibility of using the various strains of methylotrophic bacteria for the preparation of amino acids labeled with stable isotopes 2Н и 13С, both secreted into culture medium and obtaining from protein hydrolysates is investigated. The data on adaptaition of L-phynylalanine producing strain of facultative methylotrophic bacteria Brevibacterium methylicum to growth media containing 2 v/v.% С2Н3О2Н and 98 v/v.% 2Н2О and biosynthesis of L-phenylalanine are presented. For L-leucine producing strain of obligate methylotrophic bacteria Methylobacillus flagellatum the cultivation was carried out on a medium containing the ordinary water and 1 v/v.% 13С1Н3ОН. The levels of 2Н- and 13С incorporation in amino acids were studied using the electron impact mass-spectrometry method of methyl esters of dansyl -and carbobenzoxychloride - derivatives of amino acids. The levels of 2Н- and 13C incorporation into amino acids while growing of methylotrophic bacteria on media containing 2 v/v CH3OH and 98 v/v.% 2Н2O, and 1 v/v.% 13CH3OH and 99 v/v. H2O were found to vary from 97,5% to 95%.

Страницы: 1, 2, 3