Российские биотехнологи изучили синтез белка растительной «крови» в клетках бактерий

В центре молекулы гемоглобина находится гем — «ядро» с железом, которое очень эффективно присоединяет и прочно удерживает кислород и оксид азота. Благодаря этой особенности гемоглобин отвечает за транспортировку кислорода не только в человеческой крови: некоторые растения тоже научились его применять. Бобовые пользуются своей разновидностью этого белка — леггемоглобином (или легоглобином). Он накапливается в азотфиксирующих клубеньках бобовых растений, где помогает снабжать живущие там симбиотические бактерии кислородом для дыхания и выполняет множество других функций. Однако если синтезировать его в клетках микроорганизмов, этот белок может вести себя и как антиоксидант, и как окислитель, рискуя повредить клетки из-за образования свободных радикалов. Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН решили проверить, как будет работать леггемоглобин в бактериях Escherichia coli, и узнать, в какой концентрации и в каком виде культура клеток может производить леггемоглобин безопасно для себя.

«Долгое время леггемоглобин исследовали только как компонент азотфиксирующих систем растений, от которых зависит урожай бобовых. Однако за последние несколько лет интерес к этому белку возрос. Дело в том, что в пищевой промышленности повышается спрос на растительные белки, которые могут быть использованы как сырье для так называемого "растительного мяса". Леггемоглобин, который делает содержимое клубеньков похожим на кровь, может стать ингредиентом для таких продуктов — в том числе потому, что он содержит железо в форме, которая легко усваивается человеческим организмом — в той же, в какой оно содержится в гемоглобине человека. Возможно, основным источником леггемоглобина в промышленных масштабах будет соя. Это растение сравнительно легко выращивать, а его клубеньки содержат нужный белок в больших концентрациях. Альтернативный способ — получение леггемоглобина биотехнологическими методами. Для этого гены, отвечающие за его синтез, помещают в клетки бактерий, дрожжей или других микроорганизмов», — комментирует свою работу доктор биологических наук Алексей Топунов, заведующий лабораторией азотфиксации и метаболизма азота ФИЦ Биотехнологии РАН.

В предыдущих работах российские биологи продемонстрировали, что ферменты бактерий могут помочь поддерживать синтезированный леггемоглобин в активном восстановленном состоянии. Однако леггемоглобин — чужеродный для бактерий и очень активный белок, и его присутствие может нарушить стабильность биохимических процессов, необходимых для жизни клетки. В новой работе биологи проверили, будет ли производство леггемоглобина сильным окислительным стрессом для клетки, или же, как в некоторых аналогичных системах, бактерия найдет способы противостоять этому эффекту. В экспериментах использовались три клеточные культуры кишечной палочки: одна из них синтезировала нужный белок в небольших количествах, другая — в больших, а третья, контрольная, не синтезировала вообще.

При помощи различных биохимических и физико-химических методов ученые проанализировали взаимодействие леггемоглобина с веществами, вызывающими клеточный стресс — соединениями оксида азота и активными формами кислорода. Несмотря на работу бактериальных ферментов, которые противостоят окислительному стрессу, леггемоглобин сделал E. coli более чувствительными к такому воздействию.

«В использованной бактериальной системе прооксидантное (окислительное) действие леггемоглобина преобладало над антиоксидантным. Это можно объяснили тем, что на производство нового белка клетки затрачивали дополнительную энергию и ресурсы, поэтому бактериям было труднее еще и нейтрализовать окислительные эффекты, а, кроме того, и сам леггемоглобин мог переходить в другую форму и становиться более сильным окислителем. Полученные данные помогут лучше разобраться в механизмах работы этого белка как в клубеньках, так и в микроорганизмах, что поможет в синтезе этого белка и других гемоглобинов методами биотехнологии», — уверен Алексей Топунов.