Жёлтый пигмент бактерий раскрывает новые механизмы разложения целлюлозы для биотоплива и антибиотиков

Анаэробные бактерии были одними из первых форм жизни на Земле и существовали в атмосфере без кислорода. В то время как многие организмы зависят от кислорода, анаэробы процветают там, где другие не могут — в полностью бескислородных средах, таких как кишечник человека или дно океана. Их ферменты чувствительны к кислороду, а замечательная адаптивность всё больше привлекает внимание исследователей.

Эти бактерии часто производят необычные вещества, что делает их интересными для биотехнологий, например, для производства антибиотиков или биотоплива. Они также играют ключевую роль в природном круговороте веществ, разлагая органический материал, такой как целлюлоза.

Сигнальное вещество с ключевой ролью

Clostridium thermocellum — одна из самых известных анаэробных бактерий, разлагающих целлюлозу (основной компонент клеточных стенок растений). Она превращает целлюлозу в сахар, который затем можно использовать для производства биотоплива, например, этанола.

Заметный жёлтый пигмент, производимый бактерией (YAS — Yellow Affinity Substance), играет в этом процессе ключевую роль. YAS предпочтительно связывается с волокнами целлюлозы. Предполагается, что он помогает направлять разлагающие ферменты именно туда, где присутствует целлюлоза.

Структурный анализ бактериальных пигментов

Исследователям из Института Лейбница по исследованию природных продуктов и биологии инфекций (Leibniz-HKI) и Института химической экологии Макса Планка в Йене впервые удалось выяснить молекулярный состав YAS.

Результаты опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Учёные обнаружили, что YAS состоит из нескольких компонентов, так называемых целлюксантенов, и определили их молекулярные структуры с помощью спектроскопических анализов (NMR, MS) и экспериментов с изотопными метками. Кроме того, с помощью направленных генетических манипуляций они идентифицировали ответственный за синтез биосинтетический генный кластер.

Пигмент с медицинским потенциалом?

Неожиданно пигменты показали эффект против некоторых микроорганизмов. Целлюксантены обладают умеренной антибиотической активностью в отношении грамположительных бактерий — включая клинически значимые устойчивые патогены. Понимание генетической основы биосинтеза также открывает возможность производства или модификации целлюксантенов в будущем.

Первые авторы работы Кейши Ишида и Яна Краббе видят многообещающие результаты: «Хотя жёлтые пигменты известны почти столетие, их структура оставалась загадкой до сих пор. Теперь мы можем начать исследовать возможные экологические функции, включая антибактериальную активность для защиты источника пищи (целлюлозы) от конкурентов».

Шаг к устойчивому будущему

Открытие и характеристика целлюксантенов устраняют разрыв между пониманием микробного метаболизма и практическим применением в энергетическом секторе — и, возможно, в будущих медицинских исследованиях. Результаты также могут помочь оптимизировать использование растительной биомассы.

Исследование является частью проекта «AnoxyGen», в котором участвует Кристиан Хертвек, заведующий отделом в Leibniz-HKI и профессор Университета Фридриха Шиллера в Йене.

«AnoxyGen направлен на раскрытие скрытого потенциала анаэробных бактерий для производства новых биологически активных природных соединений, — объясняет Хертвек. — Многие из этих микроорганизмов несут в своём геноме гены для производства ценных соединений, но они обычно остаются неактивными в стандартных лабораторных условиях».

Команда разрабатывает новые молекулярно-биологические методы для активации этих скрытых биосинтетических путей — методы, которые ранее существовали в основном для аэробных (кислородозависимых) микробов.

Цель — обнаружить и использовать ранее неизвестные природные вещества, имеющие медицинскую или биотехнологическую ценность. AnoxyGen сочетает современную синтетическую биологию с открытием активных веществ и может открыть новые возможности для фармацевтической разработки.

Проект AnoxyGen также вносит вклад в кластер передового опыта «Balance of the Microverse», который исследует сложные механизмы сигнализации и коммуникации внутри микробных сообществ, управляющих жизнью на Земле.