Анализ протеома доминирующих видов микроорганизмов в агробиоценозах Волгоградской области на наличие никель и кобальт зависимых белков

DOI:

ББК 28.4

АНАЛИЗ ПРОТЕОМА ДОМИНИРУЮЩИХ ВИДОВ МИКРООРГАНИЗМОВ В АГРОБИОЦЕНОЗАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИНА НАЛИЧИЕ НИКЕЛЬ И КОБАЛЬТ ЗАВИСИМЫХ БЕЛКОВ 1

Павел Андреевич Крылов

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Артем Сергеевич Исаков

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Елена Николаевна Несмеянова

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Наталья Андреевна Бороздина

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Маргарита Викторовна Постнова

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Валерий Валерьевич Новочадов

Волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Российская Федерация

Введение. В настоящее время наиболее актуальным подходом в развитии АПК является экологический системный подход к управ- 22

лению агроценозами [1, 2, 3]. Использование и улучшение системного подхода может быть осуществлено за счет использования новых и перспективных биотехнологических решений. Например, комплексным управлением за счет внедрения в агроценоз новых ключевых игроков, таких как грибы и бактерии, относящиеся к биотическим факторам, так и возможным добавлением абиотических факторов, в частности, дополнительных элементов металлов – никеля и кобальта, и других возможных климатических изменений [3, 4, 6, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 17]. Особое место в динамике агробиоценозов занимают взаимодействия с прилегающими природно-антропогенными системами, которые при активном воздействии на искусственные биоценозы приобретают характер техногенных интрузий [9,14]. Для участков техногенных интрузий в агроценозы оптимально точечное управление [4, 6, 16], что приводит к негативным изменениям агроценоза. Агроценозы этой территории характеризуются комплексом стрессовых факторов, оказывающих значительное влияние на перестройку метаболизма микроорганизмов и произрастающих растений, обитающих на этих территориях [3, 5, 10, 11]. Все это подтверждает необходимость изучения влияния металлов на молекулярном уровне на метаболизм микроорганизмов в агроценозе. Изучение никель и кобальт зависимых белков, входящих в протеом доминирующих представителей почвенной микробиоты, позволит выявить белки, участвующие в регулировании метаболизма. Полученные данные можно будет использовать для управления за счет регуляции метаболизма микроорганизмов влияющих на растения в агробиоценозе [7].

Цель работы – поиск и изучение никель и кобальт зависимых белков доминирующих видов представителей почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области.

Материалы и методы. Для изучения протеома и металлзависимых белков были отобраны доминирующие виды бактерий в трех агроценозах, территориально локализованных: Городищенский (аллея Ракутина) и Светлояр-ский (агрохозяйственая зона) муниципальные районы Волгоградской области и Советский район г. Волгограда (Горная поляна). Следующим этапом стало проведение биоинформаци-онного анализа с использованием виртуального скрининга базы UniProt (. Скрининг осуществлялся по следующим критериям: наличие в составе белка никеля или кобальта и возникновение взаимодействия с данными металлами. Для поиска использовались синонимические конструкты следующего типа – cobalt AND organism: “Bacillus subtilis”. Поиск производился по металлам, входящим в кофактор, а также по атомам – в металлсвязывающих сайтах. Таким образом, проводился отбор всех металлзависимых белков, которые содержат металл в своей структуре либо связываются с металлом для проявления своей активности. Структура базы знаний о ме-таллзависимых белках строилась с помощью Microsoft Exel (США) У металлзависимых белков представителей микроорганизмов были выбраны основные функции: Гидролитическая активность, Регуляция экспрессии генов и синтеза белков дыхательная цепь, транспорт и метаболизм. Структура базы знаний может быть дополнена в случаи необходимости и решения других научно-исследовательских задач.

Результаты и их обсуждение. Произведен поиск металлазвисимых белков представителей доминирующих видов растений и микроорганизмов агробиоценозов Волгоградской области в UniProt. Поиск проводился по названиям организмов, металлы регистрировались в графах по Functions / Cofactors и Function / Sites / Metalbinding. Все белки, содержащие и связывающие металлы, были разделены по входящим в них металлам и выполняемым функциям.

Таблица 1

Металлзависимые белки, входящие в протеом доминирующих видов почвенной микробиоты в агроценозах Волгоградской области (по данным UniProt)

Род/Вид	Металлзависимые белки
	Всего	С аннотированными функциями		Без аннотированных функций
		Co	Ni	Co	Ni
Род Actinomyces	264	0	101	49	114
Род Bacillus	564	113	166	114	171

В базе UniProt по роду Actinomyces, обнаружены 49 кобальтзависимых белков и 215 ни-кельзависимых белков. У рода Actinomyces отсутствуют аннотированные кобальтзависимые белки. Из 215 никельзависимых белков аннотировано меньше половины и составляет 101 белок. Среди кобальтзависимых белков преобладают белки, отвечающие за превращение веществ и функционирование ферментов, а также транспортной функции (табл. 2).

Стоит отметить, что на сегодняшний момент, очень мало описанных функциональных свойств кобальт- и никельзависимых белков, что не позволяет получить полные данные об их участие в регуляции других процессов жизнедеятельности представителей рода

Actinomyces в аридной зоне на территории агроценозов Волгоградской области

У представителей рода Bacillus subtilis функции никельзависимых белков в основном связаны метаболизмом и гидролитической активностью (табл. 3).

Найденные аннотированные никельзави-симые белки отвечают за такие важные процессы как получение энергии – Bis(5'-nucleosyl)-tetraphosphatase PrpE и Glycerol-1-phosphate dehydrogenase [NAD(P)+], а также участии в образовании кофакторов для ферментов. Никель также является компонентом ферментов, осуществляющих гидролиз – Putative metal-dependent hydrolase YfiT и Hydrogenase maturation factor HypA.

Таблица 2

Описание кобальт-никель-зависимых белков, входящих в протеом Рода Actinomyces почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области

Название белка	Функция белка
	Метаболизм
Allantoinase	Катализирует превращение аллантоина (5-уреидогидантоина) в аллантоевую кислоту путем гидролитического расщепления гидантоинового кольца с пятью звеньями
Urease accessory protein UreG	Облегчает функциональное включение никеля в металлоцентр уреазы. Этот процесс требует гидролиза ГТФ, вероятно, осуществляемого UreG
	Транспорт
Nickel/cobalt efflux system	Транспорт никеля и кобальта через клеточную мембрану

Таблица 3

Описание никельзависимых белков, входящих в протеом Bacillus subtilis почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области

Название белка	Функция белка
	Метаболизм
Bis(5'-nucleosyl)-tetraphosphatase PrpE	Гидролиз Ap4p для получения AMФ и АТФ
Acireductone dioxygenase	Катализирует 2 различных реакции между кислородом и ациредуктоновым 1,2-ди-гидрокси-3-кето-5-метилтиопентином в зависимости от металла в активном участке
Glycerol-1-phosphate dehydrogenase [NAD(P)+])	Катализирует NAD (P) H-зависимое восстановление дигидроксиацетонфосфата (DHAP или глицеронфосфат) до глицерина 1-фосфата (G1P) и обратную реакцию
Lactoylglutathione lyase	Катализирует превращение гемимеркаптала в S-лактоилглутатион
Pyridinium-3,5-bisthiocarboxylic acid mononucleotide nickel insertion protein	Связывает Ni2+ и выполняет его доставку в мононуклеотид пиридиний-3,5-бистиро-карбо-новой кислоты для образования кофактора
	Гидролитическая активность
Putative metal-dependent hydrolase YfiT	Металлозависимая гидролаза
Urease accessory protein UreG	Способствует функциональному включению металлоценоза никелевого металло-центра
Urease accessory protein UreD	Требуется для созревания уреазы посредством функционального включения метал-лоцентра из никеля с уреазой
Urease accessory protein UreE	Сборка металлоцентров уреазы. Связывает никель. Функционирует как донор никеля во время сборки металлоценоза
Hydrogenase maturation factor HypA	Созревание [NiFe] -гидрогеназ. Требуется для введения никеля в металлический центр гидрогеназы

Найденные аннотированные никельзави-симые белки отвечают за такие важные процессы как получение энергии – Bis(5'-nucleosyl)-tetraphosphatase PrpE и Glycerol-1-phosphate dehydrogenase [NAD(P)+], а также участии в образовании кофакторов для ферментов. Никель также является компонентом ферментов осуществляющих гидролиз – Putative metal-dependent hydrolase YfiT и Hydrogenase maturation factor HypA.

Количество кобальт-зависимых белков у рода Bacillus subtilis примерно в 1.5 меньше чем никель-зависимых, но при этом обладают аналогичными функциями: гидролитическая активность и метаболизм, но при этом выполняют дополнительные функции, связанные с регуляцией экспрессией генов и белков – H2HPP isomerase (табл. 4).

При сравнении кобальт- и никельзависи-мых белков между родом Bacillus subtilis и родом Actinomyces , видно, что никельзависи-мые белки в основном отвечают за метаболическую функцию, но у представителей рода

Bacillus subtilis данные белки не выполняют транспортных функций. Важно учитывать что еще около 50 % белков рода Bacillus subtilis не аннотированы и преждевременно говорить о том, что они не выполняют в других функций. Также никельзависимые белки в основном обладают высокой гидролитической активностью, а вот кобальтзависимые в большей степени участвуют в метаболизме. При этом кобальтзависимые белки участвуют в регуляции экспрессии генов и белков.

Заключение. Таким образом, использование биоинформационных методов для изучения протеома позволило нам обнаружить кобальт- и никельзависимые белки и оценить их степень участия в процессах протекающих в микроорганизмах локализованных в аридной зоне на территории агроценозов Волгоградской области. Из полученных данных можно сказать, что наличие никеля и кобальта в почве может быть использовано как фактор для точеного управления развитием агроценоза. Это можно будет исполь-

Таблица 4

Описание кобальтзависимых белков, входящих в протеом Bacillus subtilis почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области

Название белка Функция белка Метаболизм Maltose-6’-phosphate glucosidase Гидролиз maltose-6’-phosphate и trehalose-6’-phosphate. Участвует в катаболизме альфа-гликозидов. Катализирует гидролиз 6-фосфо-альфа- и 6-фосфо-бета-глюкозидов Cadmium, zinc and cobalttransporting ATPase Гидролиз АТФ с переносом кадмия, цинка и кобальта из клетки. Не транспортирует медь Cadmium, cobalt and zinc/H(+)-K(+) antiporter Гомеостаз калия в клетке. Катализирует активный отток цинка, кадмия и кобальта в обмен на ионы калия и H (+) Cobalt-precorrin-5B C(1)-methyltransferase Катализирует метилирование C-1 в cobalt-precorrin-5B с образованием Cobalt-precorrin-6A Allantoinase Катализирует превращение аллантоина (5-уреидогидантоина) в аллантоевую кислоту путем гидролитического расщепления гидантоинового кольца с пятью звеньями Protein-arginine kinase activator protein Делокализация компетентных белков из полюсов клеток Гидролитическая активность Sirohydrochlorin ferrochelatase Хелат желза для предшественника сирогема Uncharacterized oxidoreductase CzcO Катионный и двухвалентный катионный транспорт. Увеличивает транспортную активность катионного транспортера калия CzcD Aminopeptidase AmpS Металлозависимая экзопептидаза Magnesium transport protein CorA Посредник притока ионов магния Регуляция экспрессии генов и синтеза белков NAD kinase 1 Регуляция внутриклеточного баланса NAD и NADP, ключевой фермент в биосинтезе NADP. Катализирует специфическое фосфорилирование на 2'-гидроксильной аденозиновой части NAD с получением NADP H2HPP isomerase Часть оперона bacABCDEF, ответственного за биосинтез не рибосомально синтезированного дипептидного антибиотика bacilysin, состоящего из L-аланина и L-антапсина зовать как основу для повышения устойчивости природных сообществ и экономической эффективности агроценозов.