Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на новости науки


 
(на Subscribe.ru)



Библиотека

 
Д. Моргачёва
Сказки дядюшки Тимуса


Н. Резник
Камень, ножницы, бумага


С. Ениколопов
Психология зла


А. Мурадова
Как писать частицу «не» в нашей солнечной стране


А. Зализняк
Из русского ударения


Н. Резник
О плавательном пузыре и половом диморфизме


В. Зелевинский
Последний из могикан. Памяти Бориса Ерозолимского


Е. Веселовская
Вызов гендеру


В. Кобычев
«Солнце взойдет...»


Т. Пичугина
Загадки земных сфер







Главная / Новости науки версия для печати

Бактерии Delftia acidovorans выделяют вещество, способствующее биоминерализации золота


<p>Рис. 1. Электронная микрофотография комплекса дельфтибактина с золотом. Дельфтибактин добавили к раствору солей золота за 10 минут до того, как была сделана микрофотография. На микрофотографии видны коллоидные частицы золота (синяя стрелочка) и октаэдрические частицы золота (красная стрелочка), образовавшиеся под действием дельфтибактрина

Рис. 1. Электронная микрофотография комплекса дельфтибактина с золотом. Дельфтибактин добавили к раствору солей золота за 10 минут до того, как была сделана микрофотография. На микрофотографии видны коллоидные частицы золота (синяя стрелочка) и октаэдрические частицы золота (красная стрелочка), образовавшиеся под действием дельфтибактина. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemical Biology

Группа канадских ученых обнаружила новый механизм нейтрализации бактериями токсичных для них ионов золота. Оказалось, что бактерии Delftia acidovorans, обитающие на поверхности золотых самородков, выделяют специальное вещество, переводящее ионы золота из раствора в частицы металлического золота. Это вещество — пептид дельфтибактин — избирательно связывается с ионами золота даже если в среде обитания бактерий много ионов других металлов. В отличие от своих собратьев по среде обитания — бактерий Cupriavidus metallidurans, которые нейтрализуют ионы золота, накапливая его внутри клетки, бактерии Delftia acidovorans выделяют дельфтибактин во внешнюю среду, в результате чего золото образуется вне клетки.

Микроорганизмы приспособились к существованию в практически любых условиях, встречающихся на нашей планете. При этом многие из них не просто «терпят» неблагоприятную среду, а «подстраивают» ее под себя. Для этого они выделяют во внешнюю среду специальные вещества (так называемые вторичные метаболиты), чтобы воздействовать на нее и сделать ее более комфортной. Иногда такие вещества могут оказаться полезными и для человека. Хороший пример — антибиотики, которые синтезируются многими микроорганизмами, чтобы избавляться от конкурентов, претендующих на ценные ресурсы. Многие из этих природных соединений нашли применение в медицине в качестве антибактериальных агентов.

При исследовании организмов, населяющих экстремальные для жизни местообитания (экстремофилов), ученых прежде всего интересуют механизмы приспособления этих организмов к условиям внешней среды. Например, благодаря открытию термофильных бактерий Thermus aquaticus, обитающих в горячих источниках при температурах выше 55°C, биологи добавили в свой арсенал ДНК-полимеразу из этого организма, способную работать при высоких температурах (до 96°C). Теперь этот фермент имеется в любой биологической лаборатории, поскольку он незаменим для ПЦР — реакции, позволяющей синтезировать большое количество копий определенной ДНК.

Экстремофилы, способные обитать в окружающей среде с высокими концентрациями тяжелых металлов и их солей, называются металлотолерантными организмами. Для бактерий, населяющих поверхность золотых самородков, характерным условием среды является высокая концентрация ионов золота Au3+, которые токсичны для живых организмов. Поэтому каждый вид таких бактерий обладает механизмом защиты от присутствующих в больших количествах токсичных ионов золота. Так, для грамотрицательной бактерии Cupriavidus metallidurans, одного из двух преобладающих видов микроорганизмов в биопленках на золоте, механизм защиты уже был известен: эти организмы поглощают ионы Au3+ и обезвреживают их, превращая в нетоксичное нерастворимое золото, гранулы которого накапливаются в цитоплазме бактерии (то есть происходит его биоминерализация).

Говоря о биоминерализации, учёные имеют в виду способность живых организмов к образованию минералов, причём слово «минерал» в данном контексте понимается достаточно широко (см. обзор: Steve Weiner, Patricia M. Dove. An Overview of Biomineralization Processes and the Problem of the Vital Effect, PDF, 1,58 Мб). Биоминерализация — это в том числе биогенное образование самородков, металлических руд и т. п. В последние годы появилось много интересных исследований в этой области, что отчасти связано с развитием микроскопических методов. Учёные увидели, что многие руды содержат в себе остатки клеток бактерий (см.: Wang et al., 2011. Molecular biomineralization: toward an understanding of the biogenic origin of polymetallic nodules, seamount crusts, and hydrothermal vents), что может говорить о биогенном происхождении этих руд (месторождений никеля, меди и т. п.) (см. также новость Месторождения цинка возникли благодаря бактериям, «Элементы», 19.06.07). А на поверхности многих руд и самородков были обнаружены растущие бактериальные плёнки.

Рис. 2. i — бактерии Delftia acidovorans, ii — бактерии Delftia acidovorans с «выключеннымы» генами NRPS(нерибосомных пептид-синтетаз), iii — бактерии Cupriavidus metallidurans

Рис. 2. i — бактерии Delftia acidovorans, ii — бактерии Delftia acidovorans с «выключеннымы» генами NRPS(нерибосомных пептид-синтетаз), iii — бактерии Cupriavidus metallidurans. Темный осадок нерастворимого золота образовался только вокруг бактерий Delftia acidovorans с работающими генами NRPS. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Chemical Biology

Другой вид, живущий на золоте, — грамотрицательная бактерия Delftia acidovorans, — до сих пор был практически не исследован и механизм его защиты от избытка ионов золота не был известен даже в общих чертах. Изучением этого загадочного микроорганизма и занялись канадские ученые из Университета Западной Онтарио и Университета Макмастера.

В первую очередь необходимо было выяснить, где происходит восстановление ионов золота: снаружи или внутри клеток. Для этого исследуемые бактерии вырастили на питательной среде, а затем залили раствором солей золота Au3+. Вокруг бактерий образовался темный осадок нерастворимого золота, что говорило о том, что ионы золота эти микроорганизмы восстанавливают снаружи от себя (рис. 2). Когда тот же опыт проделали с Cupriavidus metallidurans, нерастворимого золота вокруг бактерий не образовывалось, так как эти микроорганизмы восстанавливают золото внутри своих клеток.

Поскольку оказалось, что Delftia acidovorans восстанавливает золото снаружи своих клеток, исследователи предположили, что для этих целей бактерия выделяет во внешнюю среду какое-то специальное вещество. Необходимо было выявить гены Delftia acidovorans, ответственные за синтез этого вещества. Важной зацепкой служило то, что у Cupriavidus metallidurans, которая восстанавливает золото внутри своих клеток и потому не выделяет для этой цели специальных веществ наружу, таких генов быть не должно было.

Как правило, для «настройки» условий внешней среды бактерии используют низкомолекулярные вещества особой структуры — либо поликетиды, либо нерибосомные пептиды. Полекитеды — это сложные органические вещества, которые синтезируются специальными ферментами из небольших молекул органических кислот. Нерибосомные пептиды, в отличие от обычных пептидов, синтезируются, как это ясно из названия, не рибосомами, а особыми ферментами, каждый из которых может синтезировать только один тип пептида.

Предположив, что соединение, восстанавливающее золото, у Delftia acidovorans относится к одному из этих типов химических веществ, исследователи начали поиск генов, кодирующих ферменты для их синтеза. С помощью компьютерного анализа генома Delftia acidovorans ученым удалось выявить кластер генов, которые могли кодировать ферменты для синтеза поликетидов или ферменты для синтеза нерибосомных пептидов. Чтобы выявить, действительно ли эти гены имеют отношение к восстановлению золота, исследователи «выключали» их работу путем вставок небольших фрагментов ДНК в последовательность гена.

Обнаружилось, что после «отключения» одного из генов, кодирующих нерибосомную пептид-синтетазу, — этот ген назвали delG — бактерии перестают образовывать вокруг себя осадок нерастворимого золота, даже если ионов золота вокруг них очень много. Значит, именно этот пептид, который обычно образовывался при нормальной работе гена, кодирующего пептид-синтетазу, и восстанавливал золото вокруг бактерий. Таким образом исследователи открыли ген, защищающий бактерии Delftia acidovorans от избытка ионов золота. При нормальной работе этого гена образуется нерибосомная пептид-синтетеза — фермент, который синтезирует пептид, выделяющийся из бактерии и переводящий золото вокруг нее в нерастворимую безвредную форму.

Рис. 3. Структурная формула молекулы дельфтибактина

Рис. 3. Структурная формула молекулы дельфтибактина. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Chemical Biology

Сравнив содержание экстрактов из бактерий с «выключенным» и «включенным» геном delG, исследователи выявили пептид, который отсутствует у первых и присутствует в значительных концентрациях у вторых. После выделения и очистки этого пептида его структуру удалось установить методами масс-спектрометрии и ЯМР. Пептид получил название дельфтибактин (delftibactin, рис. 3).

Чтобы подтвердить защитную функцию найденного пептида, исследователи вырастили бактерии с «выключенными» генами delG, добавили раствор солей золота, а также дельфтибактин. При избытке солей золота в среде рост бактерий подавлялся, но через некоторое время после добавления дельфтибактина нормальный рост бактерий восстанавливался, что говорило о том, что токсическое воздействие ионов золота устранено.

Рис. 4. Образование золотых осадков под действие дельфтибактина

Рис. 4. Образование золотых осадков под действие дельфтибактина. В пробирках в левом ряду содержался раствор AuCl3 (в концентрации 10 миллимоль/л), дельфтибактина не было. В среднем ряду — раствор соли золота той же концентрации и раствор дельфтибактина (5 миллимоль/л). В правом ряду — соли золота и дельфтибактин присутствуют в тех же концентрациях, и к тому же добавлена соль железа FeCl3 в концентрации 5 миллимоль/л. Длина масштабной линейки — 20 мм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemical Biology

Авторы изучили свойства этого интересного пептида. Выяснилось, что он способен работать в присутствии солей других металлов, помимо золота (рис. 4). Дельфтибактин успешно работает при высоких концентрациях ионов железа, причем восстанавливает в таких условиях преимущественно золото. Специфичность достигается благодаря тому, что дельфтибактин образует комплексы с ионами металлов, и именно под размер иона золота он «подходит» лучше всего.

Рис. 5. Осаждение золота чистым дельфтибактином (средний столбец) и комплексом галлий-дельфтибактин (правый столбец). Видно, что если дельфтибактин уже связан с галлием, то восстанавливать золото он уже практически не способен.

Рис. 5. Осаждение золота чистым дельфтибактином (средний столбец) и комплексом галлий-дельфтибактин (правый столбец). Видно, что если дельфтибактин уже связан с галлием, то восстанавливать золото он уже практически не способен. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье.

С помощью ЯМР-анализа была установлена структура комплексов дельфтибактина с ионами металлов (роль ионов металла выполняли ионы галлия; золото нельзя было использовать, так как с ним дельфтибактин быстро соосаждается, и образуется много нерастворимого материала, что существенно затруднило бы анализ методом ЯМР). Комплексы дельфтибактина с галлием (рис. 6) осаждали золото на порядок хуже, чем чистый дельфтибактин (рис. 5), что подтверждало гипотезу о том, что галлий связывается с теми же группами дельфтибактина, с которыми могло бы связаться золото, и что структура комплексов дельфтибактина с этими двумя металлами сходная. При образовании комплекса с ионом металла молекула дельфтибактина изгибается и связывается с ионом при помощи сразу нескольких боковых групп. После того, как ион связался с молекулой дельфтибактина, может происходить его восстановление. Оставалось выяснить, по какому механизму оно происходит.

Рис. 6. Комплекс дельфтибактина с ионом галлия. При установлении структуры комплекса галлий использовался вместо золота, для того, чтобы не происходило соосаждения золота и дельфтибактина и не образовывалось нерастворимого материала. Однако, установлено, что комплекс дельфтибактина с ионом золота имеет такую же структуру, как комплекс с ионом галлия

Рис. 6. Комплекс дельфтибактина с ионом галлия. При установлении структуры комплекса галлий использовался вместо золота, для того, чтобы не происходило соосаждения золота и дельфтибактина и не образовывалось нерастворимого материала. Однако, установлено, что комплекс дельфтибактина с ионом золота имеет такую же структуру, как комплекс с ионом галлия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemical Biology

При исследовании различных вариантов дельфтибактина из разных штаммов Delftia acidovorans исследователи обнаружили вариант, отличающийся от основного наличием дополнительной метильной группы у одного из центров связывания металла (этот вариант назвали дельфтибактин В). От наиболее распространенного дельфтибактина А этот вариант отличался пониженной реакционной способностью. Эта находка выявила, какая из частей молекулы дельфтибактина восстанавливает золото. Авторы предположили, что восстановление происходит посредством окислительного декарбоксилирования — это объясняет, почему молекула с более реакционноспособной формамидной группой лучше восстанавливает золото, чем молекула с ацетамидной группой (рис. 7).

Рис. 7. Дельфтибактин А (вверху) и дельфтибактин В (внизу). Дельфтибактин В менее эффективно восстанавливает золото из-за наличия обозначенной красным метильной группы, поскольку карбонильная группа рядом с ней в таком случае менее реакционноспособна.

Рис. 7. Дельфтибактин А (вверху) и дельфтибактин В (внизу). Дельфтибактин В менее эффективно восстанавливает золото из-за наличия обозначенной красным метильной группы, поскольку карбонильная группа рядом с ней в таком случае менее реакционноспособна. Рисунок из дополнительный материалов к обсуждаемой статье.

Авторы данного исследования прошли большой путь от полного незнания того, как Delftia acidovorans защищается от избытка ионов золота в окружающей среде, до открытия соединения, осаждающего золото, и выяснения механизма работы этого соединения. Дельфтибактин — первый обнаруженный секретируемый метаболит, который защищает бактерий от растворимого золота и способствует его биоминерализации (рис. 1). Авторы отмечают, что найденное соединение осаждает золото из раствора его солей намного быстрее и эффективнее, чем известные ранее соединения с подобными свойствами (например, цитрат), и надеются, что их открытие найдет практические применения.

Источник: Chad W. Johnston, Morgan A. Wyatt, Xiang Li, Ashraf Ibrahim, Jeremiah Shuster, Gordon Southam & Nathan A. Magarvey. Gold biomineralization by a metallophore from a gold-associated microbe // Nature Chemical Biology. Published online 03 February 2013. Doi:10.1038/nchembio.1179

Юлия Кондратенко

Последние новости: Микробиология, Биохимия, Юлия Кондратенко

20 октября
Важнейшие свойства клеток подвержены сильным случайным колебаниям
17 октября
Нобелевские премии — 2014
6 октября
Мыши с человеческим вариантом «гена речи» быстрее переключаются между разными формами обучения
22 августа
Влияет ли микробиом человека на его религиозность?
4 августа
Ночь без сна улучшает настроение
24 июля
Шагающий биомеханизм создан из напечатанных на 3D-принтере элементов и искусственно выращенных скелетных мышц
7 июля
Взаимовыгодный симбиоз гриба и водоросли может сформироваться мгновенно
10 июня
Рыбы чуют, как дышат черви
22 мая
Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы
2 марта
«Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием


Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 

Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Николай Горностаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2014 X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 


Научные новости у наших партнеров: «Биомолекула», «В мире науки», «Вокруг света», Газета.ру, Грани.ру, Лента.ру, «Наука и жизнь», «Популярная механика», Gzt.ru

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия