Бактериите Delftia acidovorans отделят вещество, което подпомага биоминерализацията на златото • Julia
Фиг. 1.Електронна микроснимка на комплекса делфтибактин със злато. Делфтибактин се добавя към разтвора на златната сол 10 минути преди да бъде направена фотомикрографията. Микрофотографията показва колоидни златни частици (синя стрелка) и октаедрични златни частици (червена стрелка), образувани под действието на делфтибактин. Фигура от въпросната статия вNature Chemical Biology
Група канадски учени откри нов механизъм за бактериите да неутрализират токсичните златни йони. Оказа се, че бактериитеDelftia acidovorans, живеещи на повърхността на златните късове, отделят специално вещество, което превръща златните йони от разтвора в частици метално злато. Това вещество, пептидът делфтибактин, селективно се свързва със златни йони, дори ако в местообитанието на бактериите има много йони на други метали. За разлика от своите двойници в околната среда - бактериитеCupriavidus metallidurans, които неутрализират златните йони, натрупвайки ги вътре в клетката, бактериитеDelftia acidovoransотделят делфтибактин във външната среда, в резултат на което извън клетката се образува злато.
Микроорганизмите са се адаптирали да съществуват в почти всяка среда на нашата планета. В същото време много от тях не просто „толерират“ неблагоприятна среда, но я „настройват“ за себе си. За да направят това, те отделят специални вещества (така наречените вторични метаболити) във външната среда, за да й повлияят и да я направят по-комфортна. Понякога такива вещества могат да бъдат полезни за хората. Добър пример са антибиотиците, които се синтезират от много микроорганизми, за да се отърват от тяхконкуренти, претендиращи за ценни ресурси. Много от тези природни съединения са намерили медицинска употреба като антибактериални средства.
Когато изучават организми, обитаващи екстремни за живот местообитания (екстремофили), учените се интересуват преди всичко от механизмите на адаптиране на тези организми към условията на околната среда. Например, благодарение на откриването на термофилни бактерииThermus aquaticus, които живеят в горещи извори при температури над 55°C, биолозите са добавили към своя арсенал ДНК полимераза от този организъм, която може да работи при високи температури (до 96°C). Сега този ензим е наличен във всяка биологична лаборатория, тъй като е незаменим за PCR, реакция, която позволява синтеза на голям брой копия на определена ДНК.
Екстремофилите, които могат да живеят в среда с високи концентрации на тежки метали и техните соли, се наричат металоустойчиви организми. За бактериите, обитаващи повърхността на златните късове, характерно състояние на околната среда е висока концентрация на златни йони Au 3+, които са токсични за живите организми. Следователно всеки вид такива бактерии има защитен механизъм срещу наличието на големи количества токсични златни йони. Thus, for the gram-negative bacteriumCupriavidus metallidurans, one of the two predominant types of microorganisms in biofilms on gold, the defense mechanism was already known: these organisms absorb Au 3+ ions and neutralize them, turning them into non-toxic insoluble gold, the granules of which accumulate in the cytoplasm of the bacterium (that is, itsbiomineralization).
Говорейки за биоминерализация, учените имат предвид способността на живите организми да образуват минерали, а думата "минерал" в този контекст се разбира досташироко (вижте Steve Weiner, Patricia M. Dove. Преглед на процесите на биоминерализация и проблемът с жизнения ефект, PDF, 1,58 Mb). Биоминерализацията също е биогенно образуване на късове, метални руди и др. През последните години има много интересни изследвания в тази област, отчасти поради развитието на микроскопските методи. Учените са забелязали, че много руди съдържат останки от бактериални клетки (вижте: Wang et al., 2011. Молекулярна биоминерализация: към разбиране на биогенния произход на полиметални нодули, подводни планински кори и хидротермални отвори), което може да показва биогенния произход на тези руди (находища на никел, мед и др.) (вижте също новините Отлагания на цинк, възникнали поради бактерии, " Елементи", 19.06.07). И растящи бактериални филми бяха открити на повърхността на много руди и късове.
Фиг. 2.i— бактерииDelftia acidovorans,ii— бактерииDelftia acidovoransс изключени NRPS (нерибозомна пептидна синтетаза) гени,iii— бактерииCupriavidus metallidurans. Тъмната утайка от неразтворимо злато се образува само околоDelftia acidovoransбактерии с работещи NRPS гени. Изображение от въпросната статия вNature Chemical Biology
Друг вид, който живее със злато, грам-отрицателната бактерияDelftia acidovorans, досега е практически неизследвана и механизмът на нейната защита срещу излишните златни йони не е известен дори в общи линии. Канадски учени от Университета на Западно Онтарио и Университета Макмастър са изследвали този мистериозен микроорганизъм.
На първо място, беше необходимо да се установи къде се случва намаляването на златните йони: извън или вътре в клетките. За това, изследваниябактериите се отглеждат върху хранителна среда и след това се пълнят с разтвор на златни соли Au 3+. Около бактериите се образува тъмна утайка от неразтворимо злато, което показва, че тези микроорганизми редуцират златните йони извън себе си (фиг. 2). Когато същият експеримент беше направен сCupriavidus metallidurans, около бактериите не се образува неразтворимо злато, тъй като тези микроорганизми възстановяват златото в клетките си.
Тъй като се оказа, чеDelftia acidovoransвъзстановява златото извън клетките си, изследователите предполагат, че за тази цел бактерията отделя някакво специално вещество във външната среда. Беше необходимо да се идентифицират генитеDelftia acidovorans, отговорни за синтеза на това вещество. Важна улика беше, чеCupriavidus metallidurans, който възстановява златото в клетките си и следователно не освобождава специални вещества навън за тази цел, не трябва да има такива гени.
Като правило, за да "настроят" условията на външната среда, бактериите използват нискомолекулни вещества със специална структура - или поликетиди, или нерибозомни пептиди. Полекитидите са сложни органични вещества, които се синтезират от специални ензими от малки молекули органични киселини. Нерибозомните пептиди, за разлика от конвенционалните пептиди, се синтезират, както подсказва името, не от рибозоми, а от специални ензими, всеки от които може да синтезира само един вид пептид.
Приемайки, че редуциращото златото съединение вDelftia acidovoransпринадлежи към един от тези видове химикали, изследователите започнаха да търсят гени, кодиращи ензими за техния синтез. Използвайки компютърен анализ на генома наDelftia acidovorans, учените успяха да идентифицират клъстер от гени, които могаткодират ензими за синтеза на поликетиди или ензими за синтеза на нерибозомни пептиди. За да разберат дали тези гени наистина участват в намаляването на златото, изследователите "изключиха" работата си, като вмъкнаха малки фрагменти от ДНК в генната последователност.
Установено е, че след „разединяването“ на един от гените, кодиращи нерибозомната пептидна синтетаза – този ген е нареченdelG– бактериите спират да образуват утайка от неразтворимо злато около себе си, дори ако около тях има много златни йони. Това означава, че именно този пептид, който обикновено се образува по време на нормалната работа на гена, кодиращ пептидната синтетаза, възстановява златото около бактериите. Така изследователите откриха ген, който предпазва бактериитеDelftia acidovoransот излишък на златни йони. По време на нормалната работа на този ген се образува нерибозомен пептиден синтез - ензим, който синтезира пептид, който се освобождава от бактерия и превръща златото около него в неразтворима, безвредна форма.
Фиг. 3.Структурна формула на молекулата делфтибактин. Изображение от въпросната статия вNature Chemical Biology
За да потвърдят защитната функция на открития пептид, изследователите отглеждат бактерии с „изключени“delGгени, добавят разтвор на златни соли и делфтибактин. С излишък на златни соли в средата бактериалният растеж беше потиснат, но известно време след добавянето на делфтибактин нормалният бактериален растеж беше възстановен, което показва, че токсичният ефект на златните йони е елиминиран.
Фиг. 4.Образуване на златни преципитати под въздействието на делфтибактин. Епруветкитев левия редсъдържаха разтвор на AuCl3 (при концентрация 10 mmol/l), нямаше делфтибактин.В средния ред- разтвор на златна сол от същотоконцентрация и разтвор на делфтибактин (5 mmol/l).В десния ред- златните соли и делфтибактин присъстват в същите концентрации, а в допълнение се добавя желязната сол FeCl3 в концентрация 5 mmol / l.Дължината на мащабната лентае 20 mm. Фигура от въпросната статия вNature Chemical Biology
Авторите са изследвали свойствата на този интересен пептид. Оказа се, че той може да работи в присъствието на соли на други метали, освен златото (фиг. 4). Delftibactin работи успешно при високи концентрации на железни йони и при такива условия основно намалява златото. Специфичността се постига благодарение на факта, че делфтибактин образува комплекси с метални йони и именно размерът на златния йон „пасва” най-добре.
Фиг. 5.Утаяване на злато с чист делфтибактин (средна колона) и комплекс галий-делфтибактин (дясна колона). Може да се види, че ако делфтибактин вече е свързан с галий, тогава той е практически неспособен да редуцира златото. Фигура от допълнителни материали към обсъжданата статия.
С помощта на ЯМР анализ е установена структурата на комплексите на делфтибактин с метални йони (ролята на метални йони се играе от галиеви йони; златото не може да се използва, тъй като делфтибактинът бързо се съутаява с него и се образува много неразтворим материал, което значително би усложнило анализа с ЯМР). Комплексите на делфтибактин с галий (фиг. 6) утаяват златото с порядък по-лошо от чистия делфтибактин (фиг. 5), което подкрепя хипотезата, че галият се свързва със същите групи делфтибактин, с които златото може да се свърже, и че структурите на комплексите на делфтибактин с тези два метала са сходни. Когато се образува комплекс с метален йон, молекулата на делфтибактин се огъва и се свързва с йонас помощта на няколко странични групи наведнъж. След като йонът се свърже с молекулата на делфтибактин, той може да бъде редуциран. Оставаше да разберем по какъв механизъм възниква.
Фиг. 6.Комплекс делфтибактин с галиев йон. При установяване на структурата на комплекса е използван галий вместо злато, така че златото и делфтибактинът да не се утаяват съвместно и да не се образува неразтворим материал. Установено е обаче, че комплексът на делфтибактин със златен йон има същата структура като комплекса с галиев йон. Фигура от въпросната статия вNature Chemical Biology
При изследването на различни варианти на делфтибактин от различни щамовеDelftia acidovoransизследователите откриха вариант, който се различава от основния по наличието на допълнителна метилова група в едно от местата за свързване на метала (този вариант се нарича делфтибактин B). Този вариант се различава от най-често срещания делфтибактин А с по-ниска реактивност. Това откритие разкри коя част от молекулата на делфтибактин намалява златото. Авторите предполагат, че редукцията става чрез окислително декарбоксилиране, което обяснява защо молекула с по-реактивна формамидна група редуцира златото по-добре от молекула с ацетамидна група (фиг. 7).
Фиг. 7.Делфтибактин А (отгоре) и делфтибактин В (отдолу). Delftibactin B редуцира златото по-малко ефективно поради наличието на метиловата група, обозначена в червено, тъй като карбонилната група до нея е по-малко реактивна. Фигура от допълнителни материали към обсъжданата статия.
Авторите на това изследване са изминали дълъг път от пълното невежество за това какDelftia acidovoransе защитен от излишък на златни йони в околната среда до откриването на съединението, което утаява златото и изясняването на механизма на това съединение. Делфтибактин е първият открит секретиран метаболит, който защитава бактериите от разтворимото злато и насърчава неговата биоминерализация (фиг. 1). Авторите отбелязват, че намереното съединение утаява златото от разтвор на неговите соли много по-бързо и по-ефективно от известните досега съединения с подобни свойства (например цитрат) и се надяват, че тяхното откритие ще намери практически приложения.
Източник:Chad W. Johnston, Morgan A. Wyatt, Xiang Li, Ashraf Ibrahim, Jeremiah Shuster, Gordon Southam & Нейтън А. Магарви. Биоминерализация на злато чрез металофор от свързан със злато микроб //Nature Chemical Biology. Публикувано онлайн на 03 февруари 2013 г. Doi:10.1038/nchembio.1179