Почвенный микроорганизм раскрывает механизм разложения натурального красного красителя

Хотя карминовая кислота (натуральный красный краситель, извлекаемый из насекомых) широко используется в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности по всему миру, её разложение в природе оставалось неясным. Благодаря сочетанию биохимического и структурного анализа исследователи из Японии получили новые данные.

В исследовании, опубликованном 5 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences, группа учёных под руководством Университета Цукубы обнаружила почвенный микроорганизм, обладающий ферментом, который инициирует первый этап разложения карминовой кислоты.

Карминовая кислота синтезируется кошенильными червецами — паразитами кактусов. Это природный C-гликозид — уникальное соединение, в котором сахар связан с несахарной молекулярной группой (агликоном) через углерод-углеродную связь. Хотя ферменты, инициирующие расщепление C-гликозидов, ранее были идентифицированы в кишечных микроорганизмах, детали этого процесса в природе изучены не полностью. Выяснение структуры фермента и механизма реакции были ключевыми задачами исследования.

«Карминовая кислота очень важна как натуральный "красный краситель" во всём мире, но её метаболический путь в природе никогда не был идентифицирован, — объясняет старший автор исследования профессор Митихико Кобаяси. — Мы провели скрининг и выделили из образцов почвы микроорганизм, катаболизирующий карминовую кислоту, и обнаружили зависимый от флавинадениндинуклеотида (FAD) фермент, который мы назвали CarA. Он катализирует первый этап метаболизма C-гликозида, окисляя C3-положение сахарного остатка».

Исследователи собрали образцы почвы вокруг Университета Цукубы и выделили микроорганизмы, способные расти на агаровой пластине с карминовой кислотой в качестве единственного источника углерода. Команда сосредоточилась на одном бактериальном штамме, названном 5-2b, потому что красная окраска от карминовой кислоты исчезала вокруг колоний именно этого штамма, что явно указывало на деградацию красителя.

Интересно, что хотя общий путь разложения карминовой кислоты оказался сходным для кишечных и почвенных микроорганизмов, фермент, катализирующий начальный этап, полностью различался между двумя штаммами. «Наши исследования показывают, что различия в ферменте, метаболизирующем карминовую кислоту, у почвенных и кишечных бактерий, возможно, возникают из-за адаптации к аэробной и анаэробной средам соответственно, поскольку CarA нуждается в кислороде для своей ферментативной активности», — объясняет ведущий автор профессор Такуто Кумано.

Кроме того, авторы обнаружили, что CarA может инициировать расщепление некоторых других типов гликозидов, хотя и не так эффективно, как карминовой кислоты.

«Наши результаты дают представление о ранее неизвестном биогеохимическом круговороте карминовой кислоты и C-гликозидов в природе, — говорит профессор Кобаяси. — Теперь, когда у нас есть кристаллическая структура гомолога CarA, следующий важный шаг — получение структуры, содержащей субстрат».