Введение к работе
Актуальность проблемы Фиксация углекислоты, осуществляемая, в основном, автотрофними организмами - фото- и хемоавтотрофами, является единственным способом синтеза органического вещества из СОг в природе. Приблизительно 10й тонн СОг ежегодно фиксируется на Земле с помощью различных путей ассимиляции углекислоты. В настоящее время известно 3 таких механизма: восстановительный пентозофосфатный путь (цикл Кальвина), восстановительный цикл трикарбоновьгх кислот (ВЦГК), нециклический восстановительный ацетил-КоА путь.
Вместе с тем, сведения относительно механизма автотрофной фиксации углекислоты у зеленых нитчатых бактерий ограничены. Эта группа микроорганизмов была открыта сравнительно недавно. В настоящее время в чистую культуру удалось выделить лишь представителей двух видов - Chloroflexus auranliacus и Oscillochloris trichoides.
С. aurantiacus - зеленая нитчатая термофильная бактерия, которая, как и большинство фототрофных бактерий, способна к фотоавтотрофному росту. В разных лабораториях велись исследования двух штаммов этой бактерии, выделенных из разных мест обитания. У представителей обоих штаммов не были обнаружены ключевые ферменты цикла Кальвина (рибулозобисфосфаткарбоксилаза и фосфорибулокиназа), ВВДТС (2-оксоглутаратсинтаза и АТФ:цитратлиаза), и ацетил-КоА пути (СОдегидрогеназа/ацетил-КоА сюггаза). Это указывает на то, что у С. aurantiacus не функционирует ни один из вышеперечислетшх путей фиксации углекислоты.
Было предложено две модели автотрофной фиксации СОг У С. aurantiacus. Первая схема (восстановительный цикл дикарбоновых кислот) базировалась на изучении штамма В-3, а вторая (3-гидроксипропионатный цикл), разработана при исследовании штамма ОК-70. В обоих случаях регенерация ацетил-КоА происходит в результате расщеплешм малил-КоА при участии малил-КоА лиазы. Основным продуктом цикла и в первой, и во второй схеме является глиоксилат.
Другая нитчатая бактерия О. trichoides также, как и С. auranliacus, способна к фотолитоавтотрофному росту, используя Нг или H2S в качестве донора электронов. Механизм фиксации СОг У этого микроорганизма не известен.
Желание восполнить определенный пробел в знаниях о механизмах автотрофной ассимиляции СОг У зеленых нитчатых бактерий во многом определило цель настоящей работы. Всестороннее изучение особенностей метаболизма фототрофов может быть
использовано в практических целях, так как в последнее время эти микроорганизмы все
больше привлекают внимание как потенциальные объекты биотехнологии.
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы явилось подтверждение наличия
двух разных механизмов автотрофной фиксации углекислоты у различных штаммов С.
aurantiaevs.
Исследование механизма фиксации СОг у другого, менее изученного представителя зеленых нитчатых бактерий О. irichoides, также было целью нашей работы. Для достижения поставленных целей решали следующие задачи:
сравнить активность карбоксилирующих ферментов (первичных акцепторов СОг) у изучаемых штаммов С aurantiacus и исследовать их активность в зависимости от условий роста (автотрофних и гетеротрофных);
изучить действие различных специфических ингибиторов на процесс автотрофной фиксации СОї у С. aurantiacus;
выяснить возможный путь утилизации глиоксилата, как конечного продукта обоих моделей автотрофной фиксации СОг, предложенных для С. aurantiacus;
выяснить каков механизм автотрофной фиксации Cd у мезофильной нитчатой зеленой аноксигенной бактерии О. trichoides.
Научная новизна работы Впервые проведено сравнительное исследование автотрофного метаболизма СОг у разных штаммов С. aurantiacus. Впервые показано, что разные штаммы одного и того же вида способны использовать совершенно отличные друг от друга механизмы автотрофной ассимиляции углекислоты (восстановитсльїшій цикл дикарбоновых кислот у С. aurantiacus В-3 и 3-гидроксшгрогшонатный цикл у С. aurantiacus ОК-70). Вместе с тем, были предложены две модификации ранее предложенных механизмов фиксации СОг у разных штаммов С. aurantiacus. При этом конечным продуктом модифицированных циклов является не глиоксилат, как это предполагалось ранее, а ацетат, дальнейшая утилизация которого может проходить через реакции цикла трикарбоновых кислот.
Показано, что О. trichoides способен фиксировать углекислоту через цикл Кальвина. Таким образом, О. trichoides является первым представителем аноксигешшх зеленых бактерий у которого показано функционирование восстановительного пентозофосфатного цикла автотрофной ассимиляции углекислоты. Предложена принципиальная схема метаболизма СОг и некоторых оргшшческих кислот для этого микроорганизма.
Практическая ценность работы Данные, полученные в работе, дополняют сведения о механизмах автотрофной фиксации углекислоты в целом. Результаты исследований могут быть полезны при разработке методов использования зеленых нитчатых аноксигенных фототрофов в биотехнологических целях. Например, с целью их использования в смешанных культурах с другими фототрофами при очистке окружающей среды, а также для получения белка с помощью смешанных культур такого рода, позволяя оптимизировать условия роста и обеспечения высокой активности отдельных ферментов. Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96» (Москва, 12-14 апреля 1996), конференции "Автотрофные микроорганизмы" памяти академика РАН Е. Н. Кондратьевой (Москва, 23-25 апреля 1996), 2-ом Всероссийском съезде фотобиологов (Пушино, 8-12 июня 1998), межрегиональной научной конференции «Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов» (Воронеж, 28-29 сентября 1998), IV международном симпозиуме по зеленым и гелиобактериям (Жерона, Испания, 28-31 августа 1999), научной конференции «Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов» (Москва, 21 декабря 1999), и на заседании кафедры микробиологии биологического факультета МГУ (24 октября 2000). Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей в себя описание объектов и методов исследования, полученные результаты и их обсуждение, выводов, списка цитируемой литературы (/ У$ наименований). Работа изложена на /*: /страницах машинописного текста, содержит і {? таблиц п.- А рисунков.