Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с международной группой изучили ферменты микроорганизмов, способные эффективно разлагать растительные полисахариды даже при кипении. Оптимальная температура работы этих белков — 90 и 100°С. Это уникальный уровень устойчивости белков к высоким температурам, позволяющий их продуцентам, гипертермофильным археям, выживать в горячих источниках с суровыми или резко меняющимися условиями. В этой статье, посвященной этому исследованию, вышла на страницах The FEBS Journal.
Источник иллюстрации: Ксения Заюлина, лаборатория метаболизма экстремофильных прокариот, Физико-химический институт биотехнологий Российской академии наук.
Бактерии и грибы разрушают стенки растительных клеток благодаря ферментам — белкам, ускоряющим химические реакции. О роли архей в разложении растительного материала пока мало известно. Археи — микроорганизмы без ядра, отличающиеся от бактерий устройством и функционированием клетки. В связи с этим у архей можно обнаружить множество новых ферментов, среди которых могут быть перспективные молекулы для биотехнологий. Одним из полезных свойств таких белков считается возможность работы при высоких температурах, что позволяет использовать их для ускорения реакций в лаборатории или промышленности. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из разных стран изучили структуру ферментов с оптимальной температурой работы около 100°C.
«Не так давно мы открыли новый фермент — многодоменную гликозидазу. Состоит из трёх каталитических доменов — одного GH5 и двух GH12… и двух модулей для связывания целлюлозы – полисахарида, являющегося основой клеточной стенки растений. Ранее нами была продемонстрирована способность этого мультидоменного белка, полученного рекомбинантным путем, разлагать широкий спектр полисахаридов при 60… °С. То же самое удалось выяснить и для GHБыло установлено, что 5 доменов функционируют как независимые ферменты. О назначении других каталитических доменов не было известно. В ходе нового исследования авторы проанализировали работу этих доменов. GH12»— разъяснила соавтор исследования Ксения Заюлина, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.
Мультидоменная гликозидаза гипертермофильной археи рода… Thermococcus К классу ферментов относятся вещества, разрушающие химические связи в молекулах полисахаридов, например, целлюлозы. Это позволяет данному микроорганизму разлагать растительные остатки и использовать их как источник углерода. Действие МДГ до сих пор изучено не полностью: в отличие от домена GH5, два домена семейства GH12, присутствующие в структуре фермента, получены рекомбинантно и охарактеризованы не были. Их роль для целостного фермента оставалась непонятной. Авторы работы решили устранить этот пробел.
Ученые обнаружили, что GH5 и оба домена GH12 отличаются не только субстратной специфичностью, но и оптимальными температурами и рН для работы. Все три домена имеют разную эволюционную историю, кодируются одним геном.
Первый домен TMDG_GH12-1 работает оптимально в кислой среде (рН 5) при температуре 100 °C и функционирует в диапазоне 40–130 °C. Он является одним из самых термостабильных среди известных гликозидаз и целлюлаз. Белок терял половину активности спустя 42 часа при 100 °C, а при 90 °C сохранял полную активность в течение 11 суток. Ученые предполагают причины такой термостабильности: мутацию – замену аминокислоты триптофана на глутамин, и больше дисульфидных мостиков в структуре белковой молекулы.
Втораяdomain TMDG_GH12-2 функционировал эффективнее в щелочной среде при высоких значениях pH. Оптимальная для работы температура составила 90°C (диапазон от 50 до 100°C), а при 100°C активность фермента снижалась наполовину через 30 минут. Получена кристаллическая структура этого белка, и с помощью сайт-направленного мутагенеза определены ключевые аминокислоты, влияющие на его работу и стабильность.
Мультидоменная гликозидаза этой гипертермофильной археи рода обладает тремя типами доменов с различными свойствами. Thermococcus Может работать в разных условиях, позволяя микроорганизмам адаптироваться к изменениям среды. Благодаря этому архее выживает в экологической нише с часто меняющимися условиями — зоне приливов и отливов, где температура, соленость, pH и доступное питательное вещество могут сильно колебаться даже за сутки. , — добавила Ксения Заюлина.
Ученые намерены продолжить исследование и выделить фермент версии TMDG_GH12-1 в чисто кристаллизованном виде для изучения факторов его термостабильности.
Пресс-служба ФИЦ Биотехнологии РАН предоставила информацию и фотографии.