Как микробный биорефайнеринг регулирует гены

Микроорганизмы, способные разлагать растительную биомассу на предшественники биодизеля или других ценных химикатов, потенциально могут использоваться для производства альтернатив нефти. Однако потенциал этой технологии "биорефайнеринга" ограничен тем, что большинство микроорганизмов не могут расщеплять лигнин — высокостабильный полимер, составляющий до трети растительной биомассы.

Бактерии рода Streptomyces — одни из немногих микроорганизмов, способных разлагать и утилизировать лигнин. Группа исследователей из Университета Брауна раскрыла генетические и молекулярные механизмы ключевой части этого процесса. Результаты опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

Исследованием руководили профессор химии Джейсон Селло и профессор биологии Ребекка Пейдж при участии аспиранток Дженнифер Дэвис и Брианн Браун.

"Помимо последствий для биотехнологий, эта работа важна, поскольку дала фундаментальное понимание того, как бактерии контролируют экспрессию своих генов", — сказал Селло. "Понимание регуляции генов, ответственных за деградацию лигнина, может иметь практическое значение, поскольку мы могли бы использовать эту информацию для создания бактерий, способных превращать этот важный компонент растительной биомассы в биотопливо или высокоценные химикаты".

Утилизация лигнина бактериями Streptomyces — многоступенчатый процесс. Сначала бактерии выделяют ферменты, деполимеризующие лигнин — расщепляющие его на составные соединения. Затем бактерии поглощают полученные соединения и используют углерод для поддержания роста и размножения. Часть этого углерода преобразуется в триглицериды (строительные блоки биодизеля) и другие ценные соединения.

Данное исследование касается второй части процесса — способности бактерий Streptomyces метаболизировать ароматические соединения, полученные из лигнина, которые обладают высокой стабильностью и трудно разлагаются.

В предыдущей работе Селло и Дэвис идентифицировали кластер генов у Streptomyces, кодирующих ферменты для расщепления полученного из лигнина соединения — протокатехуата. В обычных условиях эти гены были неактивны ("выключены"). Они "включались" и производили соответствующие ферменты только тогда, когда бактерии выращивали на среде, содержащей протокатехуат. В попытке понять этот феномен Селло и Дэвис обнаружили, что в переключении генов участвует фактор транскрипции (белок, связывающийся с ДНК) под названием PcaV. Следующим шагом, на котором сосредоточено новое исследование, было выяснение того, как именно PcaV контролирует экспрессию генов.

Селло и Дэвис предложили модель работы. Они предположили, что PcaV, вероятно, связывается с ДНК таким образом, что физически блокирует транскрипцию генов, разлагающих лигнин, тем самым выключая их. Чтобы объяснить включение генов в присутствии протокатехуата, они предположили, что это соединение может нарушать способность PcaV связываться с ДНК, что открывает гены и позволяет им экспрессироваться.

Серия экспериментов подтвердила их модель. В пробирке исследователи установили, что PcaV прочно связывается со специфическими последовательностями ДНК вблизи исследуемого кластера генов, что подтвердило первую часть модели. Чтобы подтвердить вторую часть, Селло и его коллеги подвергли комплекс PcaV-ДНК воздействию протокатехуата. Они обнаружили, что в присутствии этого соединения PcaV теряет сродство к ДНК.

"Таким образом, мы можем сказать, что протокатехуат ослабляет ДНК-связывающую активность белка PcaV, что позволяет экспрессироваться генам", — сказал Селло. "Теперь у нас есть доказательства, подтверждающие нашу модель".

Затем исследователи углубились в процесс. Используя метод белковой кристаллографии, команда изучила структуру комплекса PcaV с протокатехуатом, чтобы понять, как соединение влияет на способность белка связываться с ДНК. Они обнаружили, что аминокислота аргинин-15 в PcaV критически важна для связывания как с протокатехуатом, так и с ДНК. На этом основании группа предположила, что аргинин-15 действует как молекулярный переключатель, который "перебрасывается" протокатехуатом.

"В отсутствие протокатехуата аргинин-15 важен для связывания PcaV с ДНК таким образом, что это подавляет транскрипцию", — объяснил Селло. "Но когда вы вводите протокатехуат, аргинин пространственно переориентируется, чтобы связать это соединение. Сопутствующие конформационные изменения нарушают способность белка связываться с ДНК".

Важный белок

Помимо возможных последствий для биоэнергетики и устойчивой химии, Селло отмечает, что работа важна для фундаментальных исследований в бактериологии. PcaV принадлежит к семейству факторов транскрипции MarR, которое насчитывает 12 000 белков, регулирующих гены, влияющие на вирулентность и лекарственную устойчивость у других типов бактерий.

"Это очень важное семейство факторов транскрипции у бактерий", — сказал Селло. "Наша статья особенно важна, поскольку проливает свет на то, как эти белки контролируют экспрессию генов и реагируют на малые молекулы. Хотя опубликовано множество исследований факторов транскрипции семейства MarR, наше уникально тем, что синергетически объединяет экспериментальные методы генетики, биохимии, биофизики и структурной биологии".

Исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF), Национальными институтами здоровья (NIH), а также через грант от Офиса вице-президента по исследованиям Университета Брауна.

"Дружелюбие и размер научного сообщества в Брауне помогают реализовывать такие совместные междисциплинарные исследовательские проекты", — отметил Селло.