Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Закон'
В Республике Узбекистан реформирование сферы образования осуществляется на основе принятых закона "Об образовании", Национальной программы ...полностью>>
'Публичный отчет'
работа по реализации основных направлений деятельности в сфере молодежной политики в Российской Федерации (в соответствии со Стратегией государственн...полностью>>
'Конкурс'
Российские центры британского экзаменационного совета City & Guilds проводят 3-й Международный конкурс сочинений на английском языке. Приём сочинений...полностью>>
'Диплом'
Дипломные работы на экономическом факультете могут носить характер теоретического или прикладного исследования. При этом теоретическое исследование д...полностью>>

Разработка методов биотехнологического получения белков, аминокислот и нуклеозидов, меченных 2Н (D) и 13С, с высокими степенями изотопного обогащения. 03. 00. 23-Биотехнология

Главная > Автореферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

МОСИН ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВ, АМИНОКИСЛОТ И

НУКЛЕОЗИДОВ, МЕЧЕННЫХ 2Н (D) И 13С, С

ВЫСОКИМИ СТЕПЕНЯМИ ИЗОТОПНОГО

ОБОГАЩЕНИЯ.

03.00.23-Биотехнология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва -1996

Работа выполнена на кафедре биотехнологии Московской ордена Трудового Красного Знамени Государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор, член корреспондент РАМН, В. И. ШВЕЦ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Д. А. СКЛАДНЕЕ.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Н. Ф. МЯСОЕДОВ.

кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Б. М. ПОЛАНУЕР.

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ "ГОСНИИСИНТЕЗБЕЛОК".

Защита диссертации состоится __ 1996 г в 15.00 на

заседании Диссертационного совета Д 063. 41. 01 в Московской Государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова по адресу: 1S7571, Москва, пр-т Вернадского, дом 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова по адресу: 119831, Москва, ул. Малая Пироговская, дом 1.

Автореферат разослан . апреля 1996 г

Учёный секретарь Диссертационного Совета,
Кандидат химических наук, старший научный сотрудник А. И. ЛЮТИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В настоящее время во всем мире растет интерес к природным соединениям, меченным стабильными изотопами, в частности 2Н (D) и |3С, которые незаменимы для разнопрофильных биохимических и диагностических целей, структурно-функциональных исследований, а также для изучения метаболизма разнообразных биологически активных соединений (БАС). Тенденции к применению стабильных изотопов по сравнению с их радиоактивными аналогами обусловлены отсутствием радиационной опасности и возможностью определения локализации метки в молекуле методами высокого разрешения: спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР), инфракрасной и лазерной спектроскопией, масс-спектрометрисй. Развитие этих методов за последние годы позволило усовершенствовать проведение многочисленных биологических исследований de novo, а также изучать структуру и механизм действия клеточных БАС на молекулярном уровне. Зачастую для данных исследований необходимо, чтобы синтезируемые БАС имели как можно более высокие степени изотопного обогащения.

Именно поэтому разработка путей биосинтетического получения БАС с высокими степенями изотопного обогащения является очень актуальной задачей для современной биотехнологии. С развитием новых биотехнологических подходов появилась возможность получать разнообразные стабильно меченные соединения за счёт биологической конверсии дейтерированных субстратов CD3OD/D2O в генетически сконструированных штаммах бактерий. Однако подобные процессы редко применяются в биотехнологии из-за наличия ряда трудностей, связанных с клеточной адаптацией к тяжёлой воде (D2O). Явление адаптации к D2O интересно не только само по себе, но оно также позволяет получать уникальный биологический материал, очень удобный для решения задач молекулярной организации клетки с помощью метода ЯМР-спектроскопии. Эти данные послужили основой для выбора объектов исследования в наших экспериментах. Ими являлись генетически маркированные штаммы-продуценты аминокислот, белков и нуклеозидов, относящиеся к различным таксономическим родам микроорганизмов: факультативные метилотрофные бактерии Brevibacterium meihylicurn, облигатные метилотрофные бактерии Methylobactllusflagettatum, галофильные бактерии Halobacterium halobium и бациллы Bacillus subtilis и Bacillus amyloHquefaciens.

Настоящая работа выполнена в рамках научно-технической программы "Наукоёмкие химические технологии ".

Целыо данной работы была разработка методов биотехнологического получения аминокислот, белков и нуклеозидов, меченных дейтерием и 13С с высокими степенями изотопного обогащения.

Поскольку биосинтетический потенциал исследуемых штаммов за счёт конверсии тяжёлой воды к началу проведения данной работы был изучен недостаточно, представляло интерес исследование принципиальной возможности их адаптации к росту на D2О-содержащих средах для синтеза меченных целевых продуктов. Для этого были применены специальные биотехнологические подходы по получению меченных БАС, что позволило подойти к реализации комплексного использования химических компонентов биомассы полученных штаммов-продуцентов и созданию новых безотходных производств.

Научная новизна работы заключается в следующих аспектах:

1. Предложен метод получения штаммов-продуцентов БАС, устойчивых к
максимальным концентрациям тяжёлой воды в ростовой среде.

2. Показана перспективность использования суммарных химических
компонентов биомассы метилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum,
полученных в результате многоступенчатой адаптации к тяжёлой воде для биосинтеза дейтерий-меченных аминокислот, белков и нуклеозидов.

3. Разработаны методы получения изотопно-меченных БАС, основанные на
использовании высокоактивных штаммов-продуцентов, адаптированных к росту и
биосинтезу на средах с высокими концентрациями D2O. Получены с высокими
выходами индивидуальные дейтерий- и |3С - аминокислоты (степени изотопного
включения составляют до 97,5%), [1,3',4',2,8-D5]-инозин (степень включения
дейтерия 62,5%) и дейтерий-меченный бактсриородопсин с селективным и
униформным характером включения метки.

4. Разработаны общие принципы масс-спектрометрического анализа
степеней изотопного обогащения мультикомпонентных смесей аминокислот при
данном способе введения метки за счёт применения прямой дериватизации
культуральной жидкости и белковых гидролизатов
дансилхлоридом/карбобензоксихлоридом и диазометаном.

Практическая значимость: Полученные в работе результаты могут быть использованы для создания новых безотходных производств по синтезу меченных

БАС. В частности, основанных на использовании биологической конверсии дешёвых меченных низкомолекулярных субстратов в дорогостоящие БАС.

На способ получения униформно-меченного дейтерием L-Phe имеется положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства № 055610 от 17.11.1995 г на заявку № 930558240 ог 15.12.1993 г. На способ получения [1, 2',41,2,8-D5]-инозина оформлена заявка № 95118778 от 14.11.1995 г.

Положения, выносимые на защиту:

1. Подбор условий получения биомассы штамма факультативных
мстилотрофных бактерий Brevibacterium methylicum с униформным характером
обогащения клеточных БАС дейтерием. Использование гидролизатов дейтеро-
биомассы данного штамма для биосинтеза дейтсрий-меченного инозина и
бактериородопсина.

2. Методы получения дейтерий- и 13С -аминокислот, [1',3',4'Д,8-О^-инозина
и бактериородопсина за счёт биологической конверсии СDзОD/13СНзОН и D2O.

3. Метод прямой химической модификации препаратов интактных
культуральных жидкостей даней лхлоридом/карбобензоксихлоридом и
диазометаном. Применение данного метода для масс-спектрометрического
анализа степеней изотопного обогащения молекул аминокислот в составе
мультикомпонентных смесей при данном способе введения метки.

Апробация. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-м международном конгрессе по аминокислотам, пептидам и их аналогам (Вена, август, 1993), на 4-й Всероссийской научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии"(Екатеринбург, апрель, 1994), 6-й международной конференции по ретинальным белкам (Ляйден, июнь, 1994), 7-м международном симпозиуме по генетике промышленных штаммов микроорганизмов (Монреаль, июль, 1994), 8-м международном симпозиуме по микробному росту на Ci-соединениях (Сан-Диего, август, 1995), Евроазийском симпозиуме по современным направлениям в биотехнологии (Анкара, ноябрь, 1995).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ и шесть тезисов научных конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов, выводов. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 15 таблиц.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Бактериальные штаммы и питательные среды.

Исследования проводили с генетически маркированными штаммами-продуцентами аминокислот, белков и нуклеозидов:

Штамм Ml. - Brevibacterium methylicum ВКПМ В 5652 (leu'), штамм факультативных метилотрофных бактерий, продуцент L-фенилаланина. Штамм №2. - Methylobacillus flagellatum КТ (Не), штамм облигатных метилотрофных бактерий, продуцент L-лейцина.

Штамм №>3. - Bacillus subtilis (his', tyf, ade, ига), штамм граммотрицательиых бактерий, продуцент инозина.

Штамм №4. - Bacillus amyloliquefaciens fade', ига'), штамм грамм отрицательных бактерий, продуцент тимидина.

Штамм №5. - Halobacterium halobium ET 1001, пигментсодержащий штамм галофильных бактерий, способный синтезировать бактериородопсин.

В настоящей работе использовали следующие питательные среды.

1. Минимальная среда М9 (Miller J., 1976). Среду использовали для ферментации
штаммов №1 и №2 и выделения отдельных колоний.

2. Комплексная ферментационная среда (&ФМ-среда)(Казаринова Л- А., 1980).
Среду использовали для ферментации штаммов №3 и №4.

3. Синтетическая среда TS (Gibson Т., 1962). Среду использовали для
ферментации штамма №5.

Условия адаптации и культивирования бактерий на дейтерий-содержащих средах.

Адаптацию клеток к дейтерию проводили на агаризованных средах (2 %-ный агар), с тяжелой водой. При этом использовали как простой рассев культур до отдельных колоний на средах, приготовленных из 99,9 ат.% D2О, так и многостадийную адаптацию бактерий на средах, содержащих ступенчато увеличивающиеся концентрации D2O.

Для биосинтеза меченных БАС использовали среды тех же составов, приготовленные на основе D2О/СDзОD с использованием безводных реагентов. Полученную таким образом биомассу В. mehylicum гидролизовали в DCI и использовали в качестве источника суммарных химических компонентов для культивирования штаммов №3 и №5 соответственно.

13С-аминокислоты были получены за счёт конверсии 13СНзОН в метилотрофных бактериях.

Для введения дейтерия в бактериородопсин использовали селективную синтетическую среду TS, в которой помеченные аминокислоты -L-Phe, L-Tyr и L-Тгр были замещены их дейтерированными аналогами - L-[2,3,4,5,6-Ds]-Phe, L-[3,5-D2]-Tyr и L-[2,4,5,6,7-D3]-Trp. Методы выделения и анализа Б А С.

Экстракцию липидов проводили смесью хлороформ-метанол (2:1) по методу Блайя и Дайера (Bligh E.G.. Dyer W.J, 1959).

Определение содержания глюкозы в культуральной жидкости проводили глюкозооксидазным методом (Beyrich Т., 1965).

Бактериородопсин выделяли из пурпурных мембран Н. halobium ET 1001 по методу Остерхельда и Стохениуса (Oesterhdt О., & Stohenius .!., 1976).

Гидролиз белка проводили с использованием 4 н. Ва(ОН): и 6 н. DC1 ( в D2О)(110°С,24ч).

Бензилоксикарбонильные производные аминокислот получали в ходе реакции Шоттена-Баумана (GreensteinJ., Winitz M., 1961).

Дансильные производные аминокислот получали по методу Греема и Хартли (GreemB., Hartly В, 1963).

Метиловые эфиры дансил-аминокислот получали по Физеру (Fiser J., 1963).

Аналитическое и препаративное разделение бензилоксикарбонильных производных аминокислот проводили методом обращённо-фазовой ВЭЖХ, разработанным Егоровой Т. А. (Егорова Т.А., 1993).

Разделение метиловых эфиров дансил-аминокислот проводили на жидкостном хроматографе "Кпаиег" (ФРГ), снабженным УФ-детектором "2563" и интегратором "C-R ЗА" (Shirnadzu, Япония). Неподвижная фаза: Separon SGX С 18,1 мкм, 150 х 3,3 мм (Kova, Чехословакия). Использовали градиентное элюирование растворителями: (А) - ацетонитрил-трифторуксусная кислота (20:80 об/об) и (В) - ацетонитрил (от 20% В до 100% В в течение 30 мин, при 100% В в течение 5 мин, от 100% В до 20% В в течение 2 мин, при 20% В в течение 10 мин),

Ионнообменную хроматографию проводили па приборе "Biotronic LC 500!" (ФРГ), 230x3,2 мм, рабочее давление 50-60 атм, скорость подачи буфера 18,5 мл/ч, нингидрина 9,25 мл/ч, детекция при ^-570 нм и А.-440 нм.

Масс-спектры электронного удара получены на приборе "МВ-80А " (Hitachi, Япония) при энергии ионизирующих электронов 70 эВ. Масс-спектры FAB были получены на приборе " MBA " (Hitachi, Япония) при ионном токе 0,6-0,8 мА.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

1. ПОЛУЧЕНИЕ ШТАММОВ-ПРОДУЦЕНТОВ ВАС, АДАПТИРОВАННЫХ К

РОСТУ И БИОСИНТЕЗУ НА СРЕДАХ С МАКСИМАЛЬНЫМИ

КОНЦЕНТРАЦИЯМИ D2O.

Адаптация облигатных метилотрофных бактерий М. flagellatum. В связи с важностью препаративного аспекта получения дейтерий-мсчеиных соединений в рамках данной работы была изучена возможность адаптации различных штаммов-продуцентов БАС к росту на средах с максимальными концентрациями тяжелой воды (D2O). Для этого были проверены представители различных таксономических групп метилотрофных бактерий, имеющихся в коллекции ГосНИИ Генетики'. L-лейцин-продуцирующий штамм облигатных метилотрофных бактерий М. flagellatum (He'), реализующий 2-кего-3-дезокси-6-фосфогдюконат-альдолазный (КДФГ) вариант рибулё'зо-5- монофосфатного (РМФ) цикла ассимиляции углерода и L-фенилаланин-продуцирующий штамм факультативных метилотрофных бактерий В. methylicum (leu), ассимилирующий метанол по РМФ- циклу.

Для проведения адаптации был выбран ступенчатый режим увеличения концентрации тяжёлой воды D2O в ростовых средах, так как мы предположили, что постепенное привыкание организма к D2O будет оказывать благоприятный эффект на скорость роста культуры. При этом штамм М. flagellatum обнаружил повышенную чувствительность к DiO: ингибирование роста бактерий наблюдалось при концентрациях D2О в среде 74,5 об.%. Роста бактерий на более высокой концентрации D2O достичь не удалось. В связи с этим, в экспериментах по изучению уровней включения дейтерия в аминокислоты использовали препараты культуральной жидкости и биомассы М. flagellatum, полученные со среды, содержащей 74,5 об.% D2O Концентрация экзогенного CD3OD составляла, как обычно, 1 об.%.

Адаптация факультативных метилотрофных бактерий В. methylicum. Попытки адаптировать штамм В. methylicum к росту при сохранении способности к биосинтезу L-Phe на максимально дейтерированной среде привели к желаемому результату. К данному штамму метилотрофных бактерий был применён специальный подход по адаптации, который заключался в серии из пяти адаптационных пассажей исходной культуры на агаризованных средах (с добавкой 2 об. % CD3OD) при ступенчатом увеличении концентраций экзогенной D2O (от 0; 24,5; 49,0; 73,5 об% до 98 об% D2O) и последующей селекции. При этом

7

последовательно отбирали отдельные колонии, выросшие на средах, содержащих дейтерий. Затем их пересевали на среды с большей степенью дейтерированпости, включая среду с 98 об.% D2O (степень выжинаем ости бактерий на конечной полностью дейтерированной среде составляет не более 40%).

Полученный результат в опытах по адаптации В. methylicum к D2O, позволил использовать гидролизаты его биомассы, а также саму биомассу, полученную в ходе многоступенчатой адаптации к D2O в качестве полноценных ростовых субстратов для выращивания бациллярных штаммов В. subtillis и В. amytoliquefaciens, а также штамма галофильных бактерий Н. halobium ET1001.

Адаптация бацилл В. subtittis и В. amyloliqucfaciens. В следующих опытах была исследована способность к росту на D2O бациллярных штаммов В. subtillis (his, tyr, ode, ига'), и В. amyloliquefaciens (ade, ига), продуцентов инозина и тимидина, соответственно. Мы предположили, что замедление роста бактерий на минимальных средах, содержащих тяжёлую воду могло быть обусловлено появлением ауксотрофности по отдельным ростовым факторам. Чтобы проверить это предположение, в дальнейшем мы использовали комплексные среды. Как и предполагалось, обе культуры удалось адаптировать к дейтерию путём рассева на твёрдые среды, приготовленные из 99,9 ат.% D2O. Они сразу обнаружили нормальный рост на ВгО-среде. У штаммов В. subtilis и В. amyloliquefaciens при росте на D2O было отмечено сохранение высокого уровня продукции по инозину и тимидину (3,9 и 3,0 г/л соответственно).

Адаптация галофильных бактерий Н. halobium ET 1001. В случае с Н. halobium ET 1001 адаптацию проводили как на агаре, содержащим 99,9 ат.% D2O путём рассева штамма до отдельных колоний, так и на жидкой D2O-среде. В обычных для этой бактерии условиях культивирования (37°С, на свету) в клетках синтезировался фиолетовый пигмент по всем характеристикам не отличающийся от нативного бактериородопсина.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. План работы введение: глава изучение института наследования: § Основные теоретические положения о наследовании: § Анализ субъектов наследственных правоотношений: Судебная практика

    Документ
    Актуальность исследования. Институт наследования возник несколько тысячелетий назад с появлением частной собственности. Упоминание о наследовании можно найти в самых первых письменных источниках: глиняных табличках Шумера, египетских папирусах и др.
  2. Российская академия наук Программа фундаментальных исследований Президиума ран фундаментальные науки – медицине (1)

    Программа
    В сборник материалов конференции включены тезисы докладов ученых из институтов РАН и организаций академической системы здравоохранения по полученным в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фун-даментальные

Другие похожие документы..