Синтез мікробного екзополісахариду етаполану на суміші ростових субстратів
Дослідження інтенсифікації синтезу мікробного етаполану на основі визначення біохімічних та енергетичних аспектів використання бактеріями суміші субстратів. Аналіз механізмів регуляції синтезу вторинних метаболітів та біологічної активності етаполану.
Рубрика | Биология и естествознание |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 12.07.2014 |
Размер файла | 72,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ МІКРОБІОЛОГІЇ І ВІРУСОЛОГІЇ ім. Д.К. ЗАБОЛОТНОГО
Коваленко Марина Олексіївна
УДК 579.841: 577.114
СИНТЕЗ МІКРОБНОГО ЕКЗОПОЛІСАХАРИДУ ЕТАПОЛАНУ НА СУМІШІ РОСТОВИХ СУБСТРАТІВ
03.00.07 - мікробіологія
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ - 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у відділі біології газоокислюючих мікроорганізмів Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного Національної академії наук України
Науковий керівник: доктор біологічних наук Пирог Тетяна Павлівна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, провідний науковий співробітник відділу біології газоокислюючих мікроорганізмів.
Офіційні опоненти:
доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Іутинська Галина Олександрівна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України, завідувач відділу загальної та грунтовоі мікробіології.
доктор біологічних наук, професор Ставська Софія Стефанівна, Національний технічний університет України (КПІ) Міністерства освіти і науки України, професор кафедри технології целюлозо-паперових виробництв та промислової екології.
Провідна організація: Інститут біохімії ім. О.В. Паладіна Національної академії наук України, м. Київ
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України за адресою: м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук Пуріш Л.М.
Актуальність проблеми. На сьогоднішній день, коли біосинтез практично важливих продуктів реалізується у промисловому масштабі, питання, що стосуються використання дешевої сировини, забезпечення економії вуглецевих субстратів, зниження енергетичних витрат на процес мікробного синтезу, а також проблеми більш повної трансформації вуглецевих субстратів в практично цінні метаболіти, набувають особливої актуальності. Вирішення даних питань потребує глибоких знань фізіології, біохімії та енергетики продуцентів. Розробка на основі цих знань принципів регуляції енергетичного та конструктивного метаболізму дозволить реалізувати біотехнологічні процеси з найбільш високою ефективністю.
У природних місцях існування мікроорганізми, як правило, розвиваються за наявності декількох вуглецевих субстратів, в той час як у лабораторних умовах для їх культивування використовуються моносубстрати як єдине джерело вуглецю та енергії. Разом з тим відомо, що значна частина деяких субстратів витрачається на окиснення до СО2 для одержання енергії, необхідної для конструктивного метаболізму (наприклад, на глюкозі - 40%). Поряд з цим відомі роботи, якими доведено здатність мікроорганізмів використовувати суміші двох (чи більше) субстратів і вивчено деякі аспекти регуляції таких процесів (Eggeling, Sahm, 1981; Linton et al., 1981; Mьller et al., 1983). Проте, ці дослідження стосуються використання змішаних субстратів лише для підвищення виходу біомаси. У літературі відсутні дані про можливість одержання вторинних метаболітів, зокрема мікробних екзополісахаридів (ЕПС), в умовах міксотрофного росту продуцента.
На наш погляд, теоретичною основою досліджень по підвищенню ефективності синтезу вторинних метаболітів на суміші декількох ростових субстратів може слугувати концепція "допоміжного" субстрату, розроблена Бабелем (Babel, 1979) з метою підвищення виходу біомаси. В основу цієї концепції покладена "енергетична класифікація субстратів", згідно з якою всі субстрати поділяються на енергетично-надлишкові та енергетично-дефіцитні (Babel, Mьller, 1985). Центральним вуглецевим попередником (ключовим інтермедіатом) синтезу всіх клітинних компонентів є 3-фосфогліцеринова кислота (ФГК). Якщо кількість АТФ і відновлювальних еквівалентів, що утворюються на шляху від субстрату до ФГК, є достатньою для синтезу біомаси, такий субстрат класифікується як енергетично-надлишковий. Енергетично-дефіцитними є субстрати, частина яких повинна бути окиснена до СО2 для одержання енергії, необхідної для синтезу клітинних компонентів. Знаючи метаболічні шляхи перетворення вуглецевого субстрату в ФГК, можна визначити "енергетичну цінність" субстрату.
Відомо, що комбінація енергетично-нерівноцінних субстратів дає змогу уникнути непродуктивних втрат вуглецю та енергії, які мають місце при використанні мікроорганізмами моносубстрату, та підвищити ефективність трансформації вуглецю субстратів у біомасу (Eggeling, Sahm, 1981; Linton et al., 1981; Mьller et al., 1983; Babel, 1979). На нашу думку, такий підхід може бути застосований не лише для підвищення виходу біомаси (як запропоновано Бабелем), але й для інтенсифікації синтезу вторинних метаболітів (з урахуванням додаткових енергозатрат на їх утворення).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота включає дослідження, виконані згідно з планом науково-дослідних робіт відділу біології газоокислюючих мікроорганізмів Інституту мікробіології та вірусології НАН України за темами "Вивчення екології метилотрофних бактерій і регуляції синтезу практично важливих метаболітів" (№ 0196U003717), "Біологія і біотехнологічні аспекти практичного використання бактерій, які ростуть на С1-С2-субстратах" (№ 0101U003059). етаполан біохімічний бактерія субстрат
Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягала в дослідженні інтенсифікації синтезу мікробного ЕПС етаполану (продуцент - штам Acinetobacter sp. ІМВ В-7005) на основі визначення біохімічних та енергетичних аспектів використання бактеріями суміші енергетично-нерівноцінних субстратів, встановлення механізмів регуляції синтезу вторинних метаболітів на цих субстратах та вивчення біологічної активності етаполану.
Для виконання роботи необхідно було вирішити наступні завдання:
- встановити можливість синтезу ЕПС штамом Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на вуглеводних субстратах та дослідити особливості його С6-метаболізму;
- визначити потенційні енергетично-дефіцитні та енергетично-надлишкові ростові субстрати для продуцента етаполану;
- визначити енергетичні потреби синтезу біомаси та ЕПС на енергетично-дефіцитному субстраті та розрахувати співвідношення концентрацій енергетично-нерівноцінних субстратів при вирощуванні бактерій на їх суміші;
- встановити характер споживання суміші субстратів (міксотрофія, диауксія);
- розробити шляхи інтенсифікації синтезу етаполану на суміші енергетично-нерівноцінних субстратів;
- визначити активність ключових ферментів С2-С6-метаболізму при вирощуванні бактерій на суміші ростових субстратів та встановити механізми, що забезпечують підвищення синтезу ЕПС в умовах міксотрофного росту продуцента;
- визначити хімічний склад, молекулярну масу та дослідити реологічні властивості розчинів етаполану, синтезованого на моно- та змішаному субстратах;
- дослідити антифітовірусну активнісь етаполану, синтезованого на різних джерелах вуглецевого живлення.
Об'єкт дослідження - процес синтезу мікробного ЕПС етаполану на суміші енергетично-нерівноцінних субстратів.
Предмет дослідження - штами Acinetobacter sp. ІМВ В-7005, Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ), мікробний полісахарид етаполан.
Методи дослідження - мікробіологічні, вірусологічні, біохімічні, фізико-хімічні, хімічні.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено можливість інтенсифікації синтезу вторинних метаболітів (на прикладі мікробного ЕПС етаполану) на суміші енергетично-нерівноцінних ростових субстратів.
На основі аналізу шляхів енергетичного та конструктивного метаболізму С2-С6-сполук у штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1НГ) визначено енергетично-надлишковий (етанол) та енергетично-дефіцитний (глюкоза) субстрати. На основі теоретичних розрахунків енергетичних потреб синтезу біомаси та ЕПС на енергетично-дефіцитному субстраті визначена "доповнююча" концентрація енергетично-надлишкового субстрату, яка дозволяє поповнити втрати вуглецю глюкози при окисненні її до СО2 з метою одержання енергії для процесів конструктивного метаболізму. Встановлено міксотрофний характер споживання етанолу та глюкози при вирощуванні продуцента на їх суміші.
Визначено умови культивування Acinetobacter sp. ІМВ В-7005, (співвідношення концентрацій енергетично-нерівноцінних субстратів, концентрація джерела азотного живлення, спосіб приготування посівного матеріалу, відсутність катіонів натрію в середовищі), які дозволяють уникнути непродуктивних втрат вуглецю та енергії, що мають місце при використанні моносубстратів та забезпечують максимально повну трансформацію вуглецю обох субстратів в ЕПС.
Показано, що активність ключових ферментів С2-метаболізму при вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1НГ) на суміші субстратів знижувалась, а ферментів циклу трикарбонових кислот (ЦТК) - підвищувалась у порівнянні з культивуванням на етанолі. Встановлено, що інтенсифікація синтезу ЕПС на суміші енергетично-нерівноцінних субстратів обумовлена посиленням глюконеогенезу, про що свідчило одночасне функціонування двох анаплеротичних шляхів (гліоксилатного циклу та піруваткарбоксилазної реакції) та підвищення в 1,5 рази активності фосфоенолпіруват(ФЕП)-синтетази.
Показано, що етаполан, синтезований на суміші етанолу та глюкози, характеризується підвищеним вмістом жирних кислот та більш високою молекулярною масою у порівнянні з одержаним на моносубстратах, що супроводжується покращенням його реологічних властивостей.
Вперше встановлено антифітовірусну активність полісахаридних препаратів етаполану, синтезованих на моно- та змішаних субстратах.
Практична значимість роботи. На основі експериментальних даних розроблено технологію одержання етаполану, що дозволяє підвищити майже у 2 рази максимальну швидкість росту продуцента, кількість синтезованих ЕПС, їх вихід по відношенню до біомаси та вихід ЕПС від субстрату, а також скоротити тривалість культивування та покращити реологічні властивості розчинів ЕПС, що визначають його практичну цінність.
Одержані дані є основою для створення принципово нових технологій одержання практично цінних вторинних метаболітів на суміші енергетично-нерівноцінних ростових субстратів.
Дослідження антифітовірусної активності показало, що етаполан може бути використаний для розробки препаратів, що індукують стійкість рослин до вірусних інфекцій.
Конкретна особиста участь автора в отриманні результатів. Експериментальна робота виконана особисто автором. Визначення молекулярно-масового розподілу ЕПС здійснювали спільно з к.б.н. Воцелко С. К. (ІМВ НАН України). Дослідження антифітовірусної активності етаполану проводили спільно з д.б.н. Коваленко О.Г. (ІМВ НАН України)
Апробація роботи. Матеріали дисертації були представлені на науковій конференції-конкурсі молодих вчених ІМВ НАН України (2000, 2001), 3-ій Міжнародній конференції "Біоресурси і віруси" (Київ, 2001), 24-му Міжнародному симпозіумі з біотехнології палива і хімічних продуктів (США, 2002), Міжнародній конференції "Микробиология и биотехнология ХХІ столетия" (Мінськ, 2002), VIII Українському біохімічному з'їзді (Чернівці, 2002), І Міжнародному конгресі "Биотехнология - состояние и перспективы развития" (Москва, 2002), 69-й науковій конференції молодих вчених, аспірантів та студентів Національного університету харчових технологій (Київ, 2003).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 наукових праць, із них - 4 статті у фахових виданнях та 5 тез конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, огляду літератури (2 розділи), експериментальної частини (5 розділів), обговорення результатів, висновків, списку цитованої літератури, який включає 188 найменувань (з яких 153 - іноземні). Робота викладена на 136 стор. машинописного тексту, ілюстрована 6 рисунками і 26 таблицями.
РОЗДІЛ 1. Типи трансформації ростових та неростових субстратів у мікроорганізмів
Розглянуто такі поняття, як "ростовий" та "неростовий" субстрат, а також сутність та механізми шляхів використання мікроорганізмами суміші ростових та неростових субстратів (міксотрофія, диауксія, неростове окиснення, кометаболізм, синтаболізм).
РОЗДІЛ 2. Інтенсифікація росту мікроорганізмів на суміші субстратів
Наведено основні положення концепції допоміжного субстрату та сутність енергетичної класифікації субстратів Бабеля. Представлено літературні дані про вплив умов культивування (концентрація субстратів, їх співвідношення, спосіб культивування мікроорганізмів, швидкість розведення при безперервному культивуванні та ін.) на характер споживання суміші субстратів, а також використання змішаних субстратів з метою інтенсифікації росту мікроорганізмів.
РОЗДІЛ 3. Матеріали та методи досліджень
Характеристика використаних у роботі бактерій. Основним об'єктом досліджень був штам бактерій Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 - продуцент комплексного полісахаридного препарату етаполану (Гринберг и др., 1987). Для проведення ензиматичних і полярографічних досліджень використовували мутантний штам Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ), що не утворює ЕПС і який був одержаний з вихідного штаму за допомогою нітрозогуанідінового мутагенезу (Пирог и др., 2000).
Культивування бактерій. Бактерії вирощували на мінеральному середовищі Кодама (1977) (середовище N 1), а також на середовищі N 2, в якому КOH та КCl були замінені на еквімолярні кількості NaOH і NaCl. У середовища додатково вносили 0,5% (за об'ємом) дріжджового автолізату та 0,0006% пантотенату кальцію. Як джерело вуглецю та енергії використовували етанол в концентрації 0,5; 1,0; 1,5; 1,7% (за об'ємом), глюкозу в концентрації 0,5; 1,0; 1,35; 1,5% (мас.), а також суміш цих субстратів у співвідношенні 1:2; 1:1; 2:1 (% етанолу за об'ємом : мас. % глюкози). При вивченні здатності продуцента етаполану синтезувати ЕПС на вуглеводних субстратах як джерело вуглецю та енергії використовували також манозу, фруктозу, арабінозу, галактозу, рамнозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, гідролізовані мелясу та крохмаль ДЕ-60. При дослідженні впливу концентрації азоту на утворення ЕПС вміст NH4NO3 у середовищі складав 0,3; 0,45 та 0,6 г/л.
Культивування бактерій здійснювали в колбах на качалці (220 об/хв) при 30С, рН 6,8-7,0 впродовж 16-96 год.
Концентрацію біомаси визначали за оптичною густиною клітинної суспензії з наступним перерахунком на абсолютно суху вагу клітин у відповідності з калібрувальним графіком. Питому швидкість росту культури та ефективність трансформації вуглецю субстратів в ЕПС (вихід ЕПС від субстрату, ЕПС-синтезуюча здатність) розраховували за загальноприйнятими методами (Перт, 1978). Кількість синтезованих полісахаридів встановлювали ваговим методом (Williams, Wimpenny, 1978) та за концентрацією вуглеводів, що визначалась колориметричним методом за реакцією з фенолом і сірчаною кислотою (Dubois et al, 1956).
Концентрацію етанолу в культуральній рідині визначали за методом газо-рідинної хроматографії. Концентрацію глюкози визначали за глюкозооксидазним методом (Лукомская, Городецкий, 1961). Концентрацію піровиноградної кислоти (ПВК) в культуральній рідині визначали за методом, описаном у роботі (Sloneker, Orentas, 1962).
Аналіз активності ферментів С2-С6-метаболізму. Визначення активності ферментів здійснювали в безклітинних екстрактах (клітини руйнували ультразвуком, одержаний дезінтеграт центрифугували, супернатант використовували як безклітинний екстракт). Для одержання безклітинних екстрактів використовували клітини з середини експоненційної фази росту.
Активність 6-фосфофруктокінази (КФ 2.7.1.11), 6-фосфоглюконатдегідратази (КФ 4.2.1.12), ФЕП-карбоксилази (КФ 4.1.1.31), піруваткарбоксилази (КФ 6.4.1.1), аконітатгідратази (КФ 4.2.1.3.), ФЕП-синтетази (КФ 2.7.9.1), глюкозодегідрогенази (КФ 1.1.1.118 та КФ 1.1.1.119), піруватдегідрогенази (КФ 1.2.2.2), -кетоглутаратдегідрогенази (КФ 1.2.4.2), малатдегідрогенази (КФ 1.1.1.38 і КФ 1.1.1.37), алкогольдегідрогенази (КФ 1.1.1.1), ацетальдегіддегідрогенази (КФ 1.2.1.3 і КФ 1.2.1.4), ізоцитратдегідрогенази (КФ 1.1.1.42) визначали за реакцією окиснення/відновлення НАД(Ф)Н+/ НАД(Ф)+, відповідно, при 340 нм. Активність глюкозодегідрогенази (КФ 1.1.99.10) і сукцинатдегідрогенази (КФ 1.3.99.1) визначали за реакцією відновлення дихлорфеноліндофенолу в присутності феназин-метасульфату при 600 нм. Активність ацетил-КоА-синтетази (КФ 6.2.1.1) та ацетаткінази (КФ 2.7.2.1) аналізували по утворенню ацетил-КоА і ацетилфосфату, що утворюють з гідроксиламіном ацетилгідроксамат. Продукт реакції ацетил-гідроксамату з хлорним залізом визначали спектрофотометрично при 540 нм. Активність ізоцитратліази (КФ 4.1.3.1) встановлювали за швидкістю утворення, а малатсинтази (КФ 4.1.3.2) - за швидкістю поглинання фенілгідразону гліоксилату при 324 нм. Активність фумарази (КФ 4.2.1.2) аналізували по утворенню або поглинанню фумарату при 300 нм.
Визначення швидкості окиснення субстратів інтактними клітинами. Швидкість окиснення субстратів інтактними клітинами штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) встановлювали за швидкістю поглинання кисню у реакційній суміші полярографічним методом за допомогою електроду закритого типу на полярографі ППТ-1.
Встановлення складу і фізико-хімічних властивостей етаполану.
Етаполан виділяли з культуральної рідини осадженням ізопропанолом після попереднього відокремлення клітин продуцента та діалізу. Для дезацилювання здійснювали обробку ЕПС NaOH у присутності NaBH4. Вміст вуглеводів в ЕПС встановлювали за методом Dubois (1956), піровиноградної кислоти - за методом Sloneker і Orentas (1962), уронових кислот - за методом Dische (1947), жирних кислот - ваговим методом після дезацилювання розчинів ЕПС (Tako, Nakamura, 1984). Для визначення вмісту мінеральних компонентів у складі етаполану здійснювали його обробку катіонітом КУ-2-8 (Н+). Визначення нейтральних моносахаридів здійснювали на вуглеводному аналізаторі "Biotronik LC-2000". Молекулярно-масовий склад ЕПС визначали за допомогою методу аналітичного градієнтного центрифугування в розчині хлористого натрію (Воцелко, Пирог, 1989). Властивості розчинів етаполану оцінювали за зміненням їх в'язкості в присутності 0,1 М КCl, при рН 4-4,5 (за умови переведення ЕПС в Н+-форму), в системі Cu2+ - гліцин. В'язкість розчинів етаполану вимірювали на скляному капілярному віскозиметрі Оствальда при 20 С.
Визначення антифітовірусної активності препаратів етаполану.
Вплив очищених препаратів етаполану на інфекційність вірусів рослин досліджували, додаючи їх у концентрації 10-1000 мкг/мл до суспензії вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ, штам U1) або Х-вірусу картоплі (місцевий ізолят) та інокулюючи сумішами листя рослин-індикаторів: дурману (Datura stramonium L.) та гомфрени (Gomphrena globosa L.). Здатність ЕПС індукувати у рослин стійкість щодо ВТМ-інфекції вивчали, ін'єкуючи водні розчини полісахариду (100-2000 мкг/мл) в листя надчутливого до цього вірусу сорту тютюну (Nicotiana tabacum L.) Імунний 580, N. sanderae hort або дурману за 2 доби до інокуляції. Ступінь пригнічення вірусної інфекції оцінювали за кількістю локальних некрозів на дослідній і контрольній (обробленій водою) половинках листка.
Статистичну обробку експериментальних даних проводили за Лакіним (1990). Достовірність результатів досліджень оцінювали згідно з t-критерієм Стьюдента при 5%-му рівні значимості.
РОЗДІЛ 4. Особливості С6-метаболізму штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ)
Встановлено, що Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 росте та синтезує ЕПС на широкому наборі вуглеводних субстратів (моно-, ди- та полісахаридах).
Ензимологічні дослідження показали, що катаболізм глюкози у штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) здійснюється за шляхом Ембдена-Мєйєргофа-Парнаса (гліколіз, 1,6-фруктозобіфосфатний шлях) та Ентнера-Дудорова (КДФГ-шлях) (табл. 1), про що свідчила висока активність ключових ферментів (6-фосфофруктокінази та 6-фосфоглюконатдегідратази, відповідно). Піруват залучається до метаболізму за участю піруватдегідрогенази. Наявність -кетоглутаратдегідрогеназної активності свідчить про те, що в клітинах даних бактерій, очевидно, функціонує повний ЦТК. Поповнення пулу інтермедіатів для реакцій конструктивного метаболізму відбувається за участю піруваткарбоксилази (табл. 1).
При культивуванні бактерій на середовищі без пантотенової кислоти, активність піруватдегідрогенази (цей фермент потребує наявності коензиму А) була вдвічі нижчою, ніж у присутності В5. При цьому спостерігалось зниження рН культуральної рідини, обумовлене накопиченням пірувату (40-45 мМ). Таким чином, С6-метаболізм у Acinetobacter sp. лімітований коензимом А.
Дослідження швидкості дихання інтактних клітин Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) показало, що клітини, вирощені на етанолі, окиснювали глюкозу, а вирощені на глюкозі, були здатні окиснювати також етанол, ацетальдегід та ацетат калію. Активність ключових ферментів метаболізму глюкози при культивуванні бактерій на етанолі та ключових ферментів трансформації етанолу при вирощуванні на глюкозі виявилась досить високою, за винятком активності ізоцитратліази, що, можливо, пов'язано з тим, що індукторами ізоцитратліази є С2-сполуки. Ці результати навели нас на думку, що можна інтенсифікувати синтез ЕПС при внесенні в середовище з глюкозою С2-сполук. Дійсно, за наявності етанолу (0,01%-1%) та ацетату калію (0,02%) у середовищі з глюкозою (1%) активність ізоцитратліази (ферменту, що бере участь у поповненні пулу С4-дикарбонових кислот - попередників глюконеогенезу) збільшувалась в 2 - 15 разів, причому найбільш висока активність цього ферменту відзначена при низьких концентраціях С2-субстратів.
Таблиця 1
Активність ключових ферментів С6-метаболізму штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ), вирощеного на глюкозі (1%)
Ферменти |
Активність ферментів (нмоль/хв мг білка) |
|
6-Фосфофруктокіназа |
696,9 |
|
6-Фосфоглюконатдегідратаза |
161, 0 |
|
НАД+-залежна глюкозодегідрогеназа |
0 |
|
НАДФ+-залежна глюкозодегідрогеназа |
0 |
|
ПХХ-залежна глюкозодегідрогеназа |
0,2 |
|
Піруватдегідрогеназа |
207,2 |
|
-Кетоглутаратдегідрогеназа |
380,0 |
|
Фосфоенолпіруваткарбоксилаза |
0 |
|
Піруваткарбоксилаза |
304,4 |
|
Малатдегідрогеназа (декарбоксилююча) |
0 |
Примітка: ПХХ- піролохінолінхінон.
При культивуванні Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на середовищі з глюкозою (1%) внесення етанолу (0,01%-0,5%) призвело до збільшення кількості синтезованих ЕПС та їх виходу по відношенню до біомаси (табл. 2).
Слід зазначити, що при вирощуванні бактерій на суміші етанолу та глюкози не спостерігалося катаболітної репресії, тобто обидва субстрати поглинались одночасно (рис. 1). Крім того, на змішаному субстраті суттєво скорочувався час досягнення максимальної швидкості росту і практично була відсутня лаг-фаза.
Таблиця 2
Утворення екзополісахаридів при рості штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на глюкозі у присутності етанолу
Джерело вуглецю |
Показники процесу |
|||
Біомаса, г/л |
ЕПС, г/л |
ЕПС-синтезуюча здатність, г ЕПС/г біомаси |
||
Глюкоза 1% |
1,2 |
3,7 |
3,1 |
|
Глюкоза 1,5% |
1,3 |
4,1 |
3,2 |
|
Глюкоза 1% +етанол 0,01% |
1,1 |
5,9 |
5,4 |
|
Глюкоза 1% + етанол 0,1% |
1,35 |
6,2 |
4,6 |
|
Глюкоза 1% + етанол 0,5% |
1,5 |
6,7 |
4,5 |
Примітка: як посівний матеріал використовували культуру, вирощену на МПА.
Рис. 1. Накопичення біомаси та споживання субстратів при вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на суміші етанолу (0,5%, за об'ємом) і глюкози (0,5%, мас.): 1 - етанол; 2 - глюкоза; 3 - біомаса.
РОЗДІЛ 5. Енергетичні та біохімічні аспекти підвищення синтезу етаполану на суміші ростових субстратів
Раніше було показано, що окиснення етанолу та ацетальдегіду у штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) каталізується НАД+- і НАДФ+-залежними ферментами (Пирог и др., 2002); катаболізм глюкози здійснюється за шляхом Ембдена-Мєйєргофа-Парнаса та Ентнера-Дудорова (див. розділ 4). Згідно “енергетичною” класифікацією субстратів Бабеля етанол є енергетично-надлишковим, а глюкоза - енергетично-дефіцитним субстратом. Наступний етап досліджень полягав у визначенні оптимального співвідношення концентрацій двох енергетично-нерівноцінних субстратів. При розрахунку концентрацій етанолу та глюкози нами були прийняті наступні припущення: 1) етанол використовується головним чином як джерело енергії, а на синтез біомаси та ЕПС витрачається вуглець глюкози; 2) 50% глюкози катаболізується за шляхом Ембдена-Мєйєргофа-Парнаса і 50% _ за шляхом Ентнера-Дудорова; 3) співвідношення Р/О дорівнює 2; 4) ЕПС містить 50% ацильованого полісахариду (АП) та 50% неацильованого полісахариду (НАП); 5) у складі повторюваної ланки АП міститься два залишки жирних кислот - лауринової (С12Н24О2) і пальмітинової (С16Н32О2); 6) НАДФН, що утворюється при катаболізмі етанолу та глюкози, є джерелом відновлювальних еквівалентів, які окиснюються до води через дихальний ланцюг.
На рис. 2. представлена передбачувана схема синтезу повторюваної ланки ацильованого полісахариду у випадку КДФГ-шляху катаболізму глюкози у штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005. При утворенні етаполану енергія витрачається на синтез моносахаридів та жирних кислот, а генерується під час синтезу ПВК, глюкуронової кислоти та ацетил-КоА. Енергетичні потреби мікробного синтезу АП і НАП у перерахунку на моль використаної глюкози представлені в табл. 2.
Таким чином, генерація енергії при синтезі ЕПС з глюкози складає 1,42 моль АТФ/моль використаної глюкози (табл. 2).
Cинтез біомаси з ФГК (при використанні амонійного джерела азоту) можна представити у вигляді рівняння (Babel, 1979):
4 ФГК + NH3 + 29 АТФ + 5,5 НАД(Ф)Н (С4H8O2N1)3, (1)
де (С4H8O2N1)3 - формула моля біомаси.
Сумарні реакції перетворення етанолу та глюкози в ФГК відображаються наступними рівняннями:
2 С2Н5ОН +3 АТФ ФГК + 6 НАД(Ф)Н + ФАДН2 + СО2 (2)
С6Н12О6 2 ФГК + 2 НАД(Ф)Н (гліколіз) (3)
С6Н12О6 + 2 АТФ 2 ФГК + 2 НАД(Ф)Н (КДФГ-шлях) (4)
З наведених вище рівняннь можна розрахувати, що при рості на глюкозі потреба в АТФ для синтезу біомаси (в розрахунку на моль глюкози) складає 17 молей. Ми припустили, що ця енергія може бути одержана з етанолу. З огляду на те, що при синтезі ЕПС з глюкози генерується 1,42 моль АТФ/моль використаної глюкози, за рахунок етанолу повинно бути отримано 17-1,42 = 15,58 моль АТФ. З рівняння перетворення етанолу в ФГК виходить, що для одержання такої кількості АТФ необхідно 3,12 моль етанолу. Отже, молярне співвідношення етанолу та глюкози в середовищі повинно складати 3,12:1 (наприклад, при концентрації глюкози в середовищі 1 мас. % концентрація етанолу повинна складати 1 % за об'ємом).
Таблиця 2
Енергетичні потреби синтезу ацильованого та неацильованого полісахаридів штамом Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 з глюкози
Шлях катаболізму глюкози |
ЕПС |
Витрата глюкози на синтез ланки ЕПС, моль |
Витрата енергії, моль АТФ |
Генерація енергії, моль АТФ |
|||
На синтез ланки ЕПС |
На моль викори-станої глюкози |
На синтез ланки ЕПС |
На моль викори-станої глюкози |
||||
Гліколіз |
АП |
15,5 |
29 |
1,87 |
77 |
4,97 |
|
НАП |
8,5 |
17 |
2 |
7 |
0,12 |
||
АП+НАП |
24 |
46 |
1,92 |
84 |
3,5 |
||
КДФГ-шлях |
АП |
15,5 |
29 |
1,87 |
69,5 |
4,48 |
|
НАП |
8,5 |
17 |
2,0 |
6,5 |
0,76 |
||
АП+НАП |
24 |
46 |
1,92 |
76 |
3,17 |
З даних табл. 3 видно, що при культивуванні продуцента на суміші субстратів кількість синтезованих ЕПС була вищою, ніж на моносубстратах. Але тільки при теоретично розрахованому співвідношенні концентрацій цих субстратів спостерігалось суттєве збільшення не тільки кількості синтезованих ЕПС, але й їхньго виходу по відношенню до біомаси та від субстрату.
При вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на суміші етанолу та глюкози відмічали також інтенсифікацію росту бактерій і синтезу ними ЕПС, про що свідчило підвищення рівня біомаси, ЕПС та в'язкості культуральної рідини через 24 год культивування.
Таким чином, у результаті проведених досліджень вперше показана можливість інтенсифікації синтезу мікробних ЕПС в умовах міксотрофного росту продуцента на суміші енергетично-нерівноцінних субстратів.
Таблиця 3
Утворення етаполану при вирощуванні Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на суміші етанолу та глюкози
Джерело вуглецю |
Показники процесу |
||||
Біомаса, г/л |
ЕПС, г/л |
ЕПС-синтезуюча здатність, г ЕПС / г біомаси |
Вихід ЕПС від субстрату, % |
||
Етанол 0,75% + глюкоза 0,75% |
1,9 |
7,2 |
3,79 |
53,3 |
|
Етанол 0,5% + глюкоза 0,5% |
1,5 |
5,6 |
3,73 |
62,2 |
|
Етанол 1% + глюкоза 0,5% |
1,8 |
4,2 |
2,33 |
32,3 |
|
Етанол 0,5% + глюкоза 1,0% |
1,7 |
5,1 |
3,0 |
36,4 |
|
Етанол 1,0% |
1,5 |
3,2 |
2,13 |
40,0 |
|
Етанол 1,5% |
1,8 |
3,8 |
2,11 |
31,7 |
|
Глюкоза 1,0% |
1,3 |
3,6 |
2,77 |
36,0 |
|
Глюкоза 1,5% |
1,5 |
4,0 |
2,67 |
26,7 |
Примітки: 1) концентрація етанолу дана в % за об'ємом, концентрація глюкози - в мас.%; 2) як інокулят використовували культуру, вирощену на МПА.
РОЗДІЛ 6. Шляхи інтенсифікації синтезу етаполану на суміші етанолу та глюкози
Попередні дослідження показали, що при вирощуванні продуцента етаполану на суміші етанолу та глюкози часто спостерігали підвищення синтезу не тільки ЕПС, але й біомаси. Тому подальша робота була присвячена визначенню умов культивування бактерій, які забезпечують максимально повну конверсію вуглецю обох субстратів саме в ЕПС.
Раніше було показано, що Na+ є інгібітором ацетил-КоА-синтетази - ферменту, за участю якого ацетат залучається до метаболізму при вирощуванні Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) на етанолі (Пирог и др., 2002). Наші дослідження показали, що при культивуванні бактерій на середовищі з етанолом та глюкозою, яке не містить Na+, збільшувалась кількість синтезованих ЕПС, їхній вихід від субстрату та ЕПС-синтезуюча здатність. Дослідження способу приготування посівного матеріалу показало, що при використанні інокуляту, вирощеного на етанолі, спостерігали збільшення показників синтезу ЕПС у порівнянні з використанням посівного матеріалу, одержаного на МПА, глюкозі та суміші етанолу і глюкози. Відомо, що співвідношення концентрацій вуглецю та азоту в середовищі має суттєве значення для синтезу ЕПС. Як видно з наведених в табл. 4 даних, незалежно від вмісту етанолу та глюкози в середовищі, при зниженні концентрації азоту спостерігалось суттєве підвищення ЕПС-синтезуючої здатності, а також збільшення виходу ЕПС від субстрату.
Слід зазначити, що при збільшенні концентрації етанолу і глюкози спостерігається суттєве зниження виходу ЕПС від субстрату (табл. 4). На наш погляд, це може бути обумовлено двома причинами. По-перше, пригніченням активності ацетил-КоА-синтетази проміжними продуктами окиснення етанолу (НАДН і НАДФН), як було показано раніше (Пирог и др., 2003). По-друге, репресією синтезу цього ферменту глюкозою (Grundy et al., 1994; Kratzer, Schuller, 1995; Van den Berg et al., 1996; Kratzer, Schuller, 1997).
Таблиця 4
Вплив концентрації джерел азоту та вуглецю в середовищі культивування штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на утворення біомаси та екзополісахаридів
Джерело вуглецевого живлення |
Концен-трація NH4NO3г/л |
Показники процесу |
||||
Біомаса, г/л |
ЕПС, г/л |
ЕПС-синте-зуюча здатність, г ЕПС/г біомаси |
Вихід ЕПС від субстрату, % |
|||
Етанол 0,5% + глюкоза 0,5% |
0,30 |
0,85 |
6,45 |
7,59 |
71,7 |
|
0,45 |
1,1 |
6,25 |
5,68 |
69,4 |
||
0,60 |
1,3 |
6,2 |
4,77 |
68,9 |
||
Етанол 0,75% + глюкоза 0,75% |
0,30 |
1,2 |
9,15 |
7,62 |
67,8 |
|
0,45 |
1,5 |
9,28 |
6,19 |
68,7 |
||
0,60 |
1,7 |
8,3 |
4,88 |
61,5 |
||
Етанол 1,0% + глюкоза 1,0% |
0,30 |
1,2 |
8,1 |
6,75 |
45,0 |
|
0,45 |
1,6 |
9,38 |
5,86 |
52,1 |
||
0,60 |
2,0 |
8,45 |
4,23 |
46,9 |
||
Етанол 1,70% |
0,30 |
1,4 |
6,3 |
4,5 |
46,3 |
|
Глюкоза 1,35% |
0,30 |
1,2 |
6,5 |
5,41 |
48,1 |
Примітка: як посівний матеріал використовували культуру, вирощену на середовищі з етанолом (0,5%).
Дослідження активності ключових ферментів С2-метаболізму (алкоголь- та ацетальдегіддегідрогеназ, ацетаткінази, ацетил-КоА-синтетази) та С6-метаболізму (фосфофруктокінази та фосфоглюконатдегідратази) при вирощуванні Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) на суміші етанолу та глюкози показало, що їх значення були дещо нижчими у порівнянні з вирощуванням на відповідних моносубстратах. Більш значним було зниження на змішаному субстраті ізоцитратліазної та малатсинтазної активності (у порівнянні з культивуванням на етанолі) (табл. 5). Очевидно, ацетил-КоА, який утворюється з етанолу в ацетакіназній та ацетил-КоА-синтетазній реакціях, залучається до подальшого метаболізму переважно через ЦТК. Дійсно, при вирощуванні бактерій на суміші етанолу та глюкози активність ферментів ЦТК була вищою, ніж на етанолі (табл. 5). Таким чином, роль гліоксилатного циклу в метаболізмі штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) на змішаному субстраті є не такою значною, як на етанолі. Тим більше, що в умовах міксотрофного росту бактерій спостерігали підвищення активності піруваткарбоксилази - фермента анаплеротичної реакції, що забезпечує поповнення пулу С4-дикарбонових кислот при вирощуванні на вуглеводах. Разом з тим одночасне функціонування двох анаплеротичних шляхів (гліоксилатного циклу та піруваткарбоксилазної реакції) може свідчити про посилення глюконеогенезу в умовах міксотрофного росту бактерій. Дійсно, активність ФЕП-синтетази - ключового ферменту глюконеогенетичної гілки обміну речовин на змішаному субстраті була у 1,5 і 3 рази вищою, ніж на глюкозі та етанолі відповідно. Таким чином, результати ензимологічних досліджень свідчать про зміну направленності процесів біосинтезу на суміші С2-С6-субстратів в сторону утворення вуглеводів.
РОЗДІЛ 7. Фізико-хімічні властивості екзополісахаридів, синтезованих штамом Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на різних джерелах вуглецевого живлення
Встановлено, що, незалежно від природи субстрату (глюкоза, етанол, глюкоза+етанол),нативні ЕПС характеризувались практично однаковим вмістом вуглеводів (43-45%), піровиноградної (3,6-3,8%), уронових кислот (6,7-8,0%) і мінеральних компонентів (24-28%). Однак етаполан, синтезований на суміші етанолу та глюкози, містив більшу (в 1,5 рази) кількість жирних кислот, ніж той, що був одержаний на моносубстратах. Склад та співвідношення нейтральних моносахаридів у етаполані, синтезованому на середовищах з етанолом, глюкозою та на змішаному субстраті, був однаковим. Співвідношення глюкози, манози, галактози та рамнози в досліджуваних ЕПС складало 3:2:1:1.
Середня молекулярна маса етаполану, синтезованого на суміші етанолу і глюкози, була вищою, ніж на моносубстратах (1691 тис. та 1289-1437 тис., відповідно). Більш високе значення середньої молекулярної маси для такого ЕПС обумовлене зниженим вмістом у його складі компонентів до 2 млн. (22%).
Таблиця 5
Активність ферментів анаплеротичних шляхів, ЦТК та глюконеогенезу при вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) на етанолі, глюкозі та їх суміші
Джерело вуглецю |
Активність (нмоль/хв мг білка) |
|||||||||||
Піруват-дегідро-геназа |
Аконітат-гідратаза |
НАДФ+-залежна ізоцитрат-дегідро-геназа |
-Кето-глутарат-дегідро-геназа |
Сукцинат-дегідроге-наза |
Фума-раза |
Малат-дегідро-геназа |
Малат-синтаза |
Ізо-цитрат-ліаза |
Піруват-карбокси-лаза |
ФЕП-синтетаза |
||
Етанол 0,5% |
н.в. |
268,0 |
630,0 |
93,4 |
137,5 |
186,8 |
193,4 |
171,2 |
165,5 |
204,2 |
1029,0 |
|
Глюкоза 0,5% |
102,1 |
563,3 |
1008,3 |
411,3 |
208,3 |
174,2 |
210,8 |
64,3 |
54,5 |
219,3 |
586,0 |
|
Етанол 0,5% + глюкоза 0,5% |
116,4 |
434,5 |
819,0 |
227,0 |
173,4 |
289,3 |
264,8 |
53,5 |
40,3 |
232,8 |
1492,5 |
Дослідження реологічних властивостей ЕПС показало, що етаполан, синтезований на суміші етанолу та глюкози характеризувався більш високою в'язкістю у системі Cu2+-гліцин, ніж той, що був одержаний на моносубстратах (рис. 3). Аналогічні результати були одержані при дослідженні в'язкості розчинів ЕПС при переведенні в Н+-форму та у присутності 0,1 М КСl, причому на всіх етапах виділення та очистки етаполану.
Рис. 3. Відносне збільшення в'язкості 0,03 % розчинів ЕПС у системі Cu2+-гліцин:
1 - культуральна рідина до діалізу; 2 - культуральна рідина після діалізу; 3 - випарений концентрат; 4 - ЕПС після осадження та висушування
РОЗДІЛ 8. Антифітовірусна активність нативних та дезацильованих препарарів етаполану
З літератури відомо, що мікробні полісахариди різної будови мають антивірусні властивості. Найбільший інтерес представляють гетерополісахариди, в складі яких, поряд з нейтральними моносахаридами, присутні уронові кислоти. Такі полімери мають поліаніонну структуру і завдяки цьому здатні індукувати резистентність організму до вірусних інфекцій de novo. У зв'язку з тим, що у препаратах етаполану, поряд з нейтральними моносахаридами, була виявлена значна кількість уронових кислот, важливо було дослідити їхню антивірусну активність, зокрема, на моделях фітовірусів.
Випробуваня препаратів у контактних дослідах in vitro, показали, що незалежно від джерела вуглецю в середовищі культивування продуцента (етанол, глюкоза, етанол+глюкоза), ЕПС пригнічували інфекційність ВТМ та Х-вірусу картоплі в рослинах дурману (Datura stramonium) та гомфрени (Gomphrena globosa L.) в широкому діапазоні концетрацій. Причому, таку активність мали як нативні, так і дезацильовані препарати етаполану, що свідчить про те, що жирні кислоти не можуть бути, принаймні, головними детермінантами у визначенні антивірусних властивостей цього ЕПС.
Було показано також, що препарати етаполану в концентрації 500-2000 мкг/мл здатні індукувати стійкість надчутливих рослин тютюну сорту Імунний 580, Nicotiana sanderae та дурману до ВТМ- інфекції.
Ці дані свідчать про перспективність подальших досліджень препаратів етаполану як можливих засобів захисту рослин від вірусних та інших інфекційних хвороб.
ВИСНОВКИ
1. Вперше показана можливість інтенсифікації синтезу мікробного екзополісахариду етаполану на суміші енергетично-нерівноцінних ростових субстратів.
2. Аналіз шляхів С2-С6-метаболізму у штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) дозволяє класифікувати етанол як енергетично-надлишковий, а глюкозу - як енергетично-дефіцитний субстрати.
3. В результаті теоретичних розрахунків енергетичних потреб синтезу ЕПС та біомаси продуцентом етаполану встановлено оптимальне молярне співвідношення концентрацій етанолу та глюкози (3,1:1, відповідно), що дозволило збільшити кількість синтезованих ЕПС в 1,8-1,9 разів, їх вихід по відношенню до біомаси в 1,4-1,7 разів, вихід ЕПС від субстрату в 1,5-2 рази у порівнянні з вирощуванням продуцента на моносубстратах.
4. При культивуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на суміші етанолу та глюкози не спостерігається явища диауксії, обидва субстрати споживаються одночасно, при цьому підвищується в 1,3-1,9 рази максимальна питома швидкість росту.
5. Встановлено умови культивування продуцента етаполану на суміші етанолу та глюкози (а саме спосіб приготування посівного матеріалу, концентрація джерел вуглецевого та азотного живлення, відсутність катіонів натрію в середовищі), які забезпечують максимально повну конверсію вуглецю субстратів в ЕПС.
6. Активність ключових ферментів С2-С6-метаболізму при вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 (1 НГ) на суміші етанолу та глюкози була нижчою, ніж на відповідних моносубстратах. Одночасне функціонування двох анаплеротичних шляхів (гліоксилатного циклу та піруваткарбоксилазної реакції) та підвищення активності ФЕП-синтетази свідчать про посилення глюконеогенезу в умовах міксотрофного росту бактерій.
7. Екзополісахариди, синтезовані на змішаному та моносубстратах є ідентичними за вмістом вуглеводів, піровиноградної та уронових кислот, а також за молярним співвідношенням моносахаридів. Етаполан, одержаний на змішаному субстраті, характеризувався більш високим вмістом жирних кислот і вищою молекулярною масою, що супруводжувалось покращенням реологічних властивостей його розчинів.
8. Встановлено здатність етаполану пригнічувати інфекційність ВТМ та Х-вірусу картоплі у надчутливих рослинах дурману та гомфрени, а також індукувати у рослин тютюну та дурману стійкість до ВТМ-інфекції.
СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Коваленко М.О., Коваленко О.Г., Пирог Т.П. Антифітовірусна активність нативних та дезацильованих препаратів мікробного екзополісахариду етаполану // Вісник Київського Національного Університету ім. Т. Шевченка. - 2001. - Вип. 35. - С. 32-35.
2. Пирог Т.П., Коваленко М.А., Кузьминская Ю.В. Образование экзополисахаридов на углеводных субстратах штаммом Acinetobacter sp. и особенности его С6-метаболизма // Микробиология. - 2002. - 71, № 2. - С. 215-221.
3. Пирог Т.П., Коваленко М.А., Кузьминская Ю.В., Криштаб Т.П. Интенсификация синтеза экзополисахарида этаполана на смеси ростовых субстратов // Микробиология. - 2003. - 72, № 1. - С. 26-32.
4. Пирог Т.П., Коваленко М.А., Кузьминская Ю.В. Энергетические и биохимические аспекты интенсификации синтеза экзополисахаридов Acinetobacter sp. на смеси этанола и глюкозы // Микробиология. - 2003. - 72, № 3. - С. 348-355.
5. Коваленко М.О., Коваленко О.Г., Пирог Т.П. Антивірусна активність полісахаридів, синтезованих Acinetobacter sp. на різних вуглецевих субстратах // 3-я Міжн. конф. "Біоресурси і віруси". (Київ, вересень, 2001.) - С. 12.
6. Пирог Т.П., Коваленко М.А. Энергетические и биохимические аспекты интенсификации синтеза экзополисахарида этаполана на смеси этанола и глюкозы // Міжн. конф. "Микробиология и биотехнология XXI столетия". (Мінськ, травень, 2002.) - С. 63-64.
7. Пирог Т.П., Коваленко М.А. Интенсификация синтеза микробного экзополисахарида этаполана на смеси энергетически неравноценных субстратов // VIIІ Український біохімічний з'їзд (Чернівці, жовтень, 2002.) - С. 74.
8. Пирог Т.П., Коваленко М.А. Энергетические и биохимические аспекты интенсификации синтеза экзополисахарида этаполана на смеси ростовых субстратов // 1-ий Міжн. конгрес "Биотехнология - состояние и перспективы развития". (Москва, жовтень, 2002.) - С. 240.
9. Пирог Т.П., Коваленко М.А., Лащук Н.В. Синтез екзополісахаридів на вуглеводних субстратах штамом Acinetobacter sp. та особливості його С6-метаболізму // 69-та наук. конф. мол. вчених, аспірантів та студентів НУХТ. (Київ, травень, 2003.) - С. 69.
АНОТАЦІЯ
Коваленко М.О. Синтез мікробного екзополісахариду етаполану на суміші ростових субстратів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.07 - мікробіологія. - Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, Київ, 2003.
Дисертацію присвячено дослідженню інтенсифікації синтезу мікробного екзополісахариду (ЕПС) етаполану (продуцент - штам Acinetobacter sp. ІМВ В-7005) на суміші енергетично-нерівноцінних ростових субстратів (етанол+глюкоза). На основі теоретичного розрахунку енергетичних витрат синтезу ЕПС та біомаси на змішаному субстраті розроблена технологія одержання етаполану, що дозволяє підвищити майже у 2 рази кількість синтезованих ЕПС, їхій вихід по відношенню до біомаси та вихід ЕПС від субстрату, а також скоротити тривалість культивування та покращити реологічні властивості розчинів ЕПС, що визначають його практичну цінність.
При вирощуванні штаму Acinetobacter sp. ІМВ В-7005 на суміші етанолу та глюкози не спостерігається явища диауксії, обидва субстрати споживаються одночасно, при цьому підвищується в 1,3-1,9 рази максимальна питома швидкість росту. Інтенсифікація синтезу ЕПС на суміші енергетично-нерівноцінних субстратів обумовлена посиленням глюконеогенезу, про що свідчило одночасне функціонування двох анаплеротичних шляхів (гліоксилатного циклу та піруваткарбоксилазної реакції) та підвищення в 1,5 рази активності фосфоенолпіруватсинтетази. Етаполан, синтезований на суміші етанолу та глюкози, характеризується підвищеним вмістом жирних кислот та більш високою молекулярною масою у порівнянні з одержаним на моносубстратах, що супроводжується покращенням його реологічних властивостей.
Вперше встановлено антифітовірусну активність полісахаридних препаратів етаполану, синтезованих на моно- та змішаних субстратах.
Ключові слова: екзополісахариди, інтенсифікація синтезу, енергетично-нерівноцінні субстрати, метаболізм, фізико-хімічні властивості.
АНОТАЦИЯ
Коваленко М.А. Синтез микробного экзополисахарида этаполана на смеси ростовых субстратов. - Рукопись.
Диссертация посвящена исследованию интенсификации синтеза микробного экзополисахаридного препарата этаполана (продуцент - штамм Acinetobacter sp. ИМВ В-7005) на основе изучения биохимических и энергетических аспектов использования бактериями смеси энергетически-неравноценных субстратов и установления механизмов регуляции синтеза вторичных метаболитов на этих субстратах.
Исследование путей энергетического и конструктивного метаболизма С2-С6-соединений у штамма Acinetobacter sp. ИМВ В-7005 (1 НГ) позволило классифицировать этанол как энергетически-избыточный, а глюкозу - как энергетически-дефицитный субстраты. В результате теоретических расчетов энергетических потребностей синтеза биомассы и экзополисахаридов (ЭПС) на энергетически-дефицитном субстрате определена "дополняющая" концентрация энергетически-избыточного субстрата, которая позволяет восполнить потери углерода глюкозы при окислении ее до СО2 с целью получения энергии для процессов конструктивного метаболизма. Введение этанола в среду с глюкозой в молярном соотношении 3,1:1 позволило увеличить количество синтезированного этаполана в 1,8-1,9 раза, его выход по отношению к биомассе - в 1,4 - 1,7 раза, выход ЭПС от субстрата - в 1,5 - 2 раза по сравнению с выращиванием продуцента на моносубстратах. Показано, что при культивировании штамма Acinetobacter sp. ИМВ В-7005 на смеси этанола и глюкозы не наблюдается явления диауксии, оба субстрата поглощаются одновременно, при этом увеличивается в 1,3-1,9 раз максимальная удельная скорость роста.
Установлены условия культивирования продуцента етаполана (способ приготовления посевного материала, концентрация источников углеродного и азотного питания, отсутствие катионов натрия в среде), позволяющие избежать непродуктивних потерь углерода и энергии, которые имеют место при использовании моносубстратов и обеспечивают максимально полную трансформацию углерода обоих субстратов в ЭПС.
Активность ключевых ферментов С2-метаболизма при выращивании бактерий на смеси субстратов снижалась, а ферментов цикла трикарбоновых кислот повышалась по сравнению с культивированием на этаноле. Наиболее заметным (более, чем в 4 раза) было снижение в таких условиях активности ферментов глиоксилатного цикла, что свидетельствует о незначительной его роли в метаболизме продуцента при выращивании на смеси С2-С6-субстратов. Установлено, что интенсификация синтеза ЭПС на смеси энергетически-неравноценных субстратов обусловлена усилением глюконеогенеза, о чем свидетельствовало одновременное функционирование двух анаплеротических путей (глиоксилатного цикла и пируваткарбоксилазной реакции) и повышение в 1,5 раза активности фосфоенолпируватсинтетазы.
Подобные документы
Дослідження штамів мікроорганізмів. Використання мутантів мікроорганізмів. Промисловий синтез амінокислот. Мікробіологічний синтез глутамінової кислоти, лізину, метіоніну, треонина, ізолейцину та триптофану. Ход реакцій і блокуванням етапів синтезу.
реферат [34,9 K], добавлен 25.08.2010Ідентифікація лимонної кислоти в якості продукту метаболізму цвільових грибів. Реалізація синтезу лимонної кислоти у мікроорганізмів. Варіанти синтезу в виробництві кислоти (незмінний, незмінний із доливами, метод плівок). Характеристика умов ферментації.
контрольная работа [23,3 K], добавлен 12.03.2016Роль білків (білкових речовин) в живій природі, їх структура та біологічні функції. Трансляція і загальні вимоги до синтезу білка в безклітинній системі: рібосоми, аміноацил-тРНК-синтетази, транспортні РНК. Природа генетичної коди. Етапи синтезу білка.
реферат [31,7 K], добавлен 05.10.2009Синтез мітохондріальних білків і особливості формування мітохондрій. Система синтезу білка в мітохондріях. Продукти мітохондріального білкового синтезу. Синтез мітохондріальних білків у цитоплазмі. Формування окремих компонентів мембран.
реферат [32,1 K], добавлен 07.08.2007Антиоксидантна система як захист проти вільних радикалів. Гістамін:історія вивчення, структура, шляхи синтезу і вивільнення. Визначення активності супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази, вплив на неї наявності гістаміну в нирці щура.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 22.06.2014Сутність, види і механізм дії мікробного антагонізму. Історія відкриття антибіотиків, особливості їх раціонального застосування в сучасних умова. Роль антибіотиків у біоценозах. Розгляд бактеріостатичної дії антибактеріальних препаратів на мікроорганізми.
курсовая работа [966,8 K], добавлен 21.09.2010Основна характеристика літотрофів - мікроорганізмів, що використовують неорганічні речовини у якості відновлюючих агентів для біосинтезу. Енергетичний метаболізм бактерій. Класифікація літотрофних бактерій. Роль літотрофних мікроорганізмів у природі.
реферат [34,8 K], добавлен 10.04.2011Гістамін: історія вивчення, властивості, структура, шляхи синтезу і вивільнення. Активність супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази у нирках інтактних тварин. Зміна активності у нирках щура за дії гістаміну у концентраціях 1 та 8 мкг/кг.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 20.07.2014Дослідження властивостей гіберелінів, групи гормонів рослин, які регулюють ріст і різноманітні процеси розвитку. Характеристика етапів синтезу гіберелінів. Огляд методу зануреного культивування грибів фузарій. Вплив аерації та температури на біосинтез.
реферат [961,4 K], добавлен 10.01.2014Продигіозин - один з декількох вторинних бактеріальних метаболітів у якому метоксибіпірольний фрагмент включений у дипірометиленову структуру. Дослідження впливу концентраційного ряду іонів металів на інтенсивність кольору пігменту у мікроорганізмів.
статья [327,4 K], добавлен 19.09.2017