CC BY
15
УДК 547.58.04 ГРНТИ 31.23.01
БИОДЕГРАДАЦИЯ И БИОХИМИЯ
Часть 1. БАКТЕРИЯ... КОФЕМАН
А.З. Миндубаев
Институт энергетики и перспективных технологий
ФИЦ «Казанский научный центр РАН»
Россия, 420111, Татарстан, г. Казань, ул. Лобачевского, 2/31
В предыдущих статьях, посвященных биодеградации неприродных веществ, рассказано так много об этом явлении, что возникает закономерный вопрос: может, хватит? Пора остановиться? Однако тема биодеградации неисчерпаема. Интересных примеров, каждый из которых достоин быть доведённым до читателя, очень много. Тем более, что защита окружающей среды с каждым годом приобретает всё большую актуальность. Вот мы уже взялись за раздельный сбор мусора — десять лет назад об этом даже не задумывались всерьёз. Безусловно, на этой волне растёт и интерес к биодеградации — одному из самых естественных способов очистки воды и почвы от промышленных и бытовых загрязнителей. Многие солидные и авторитетные научные коллективы плотно заняты этой тематикой. Научные фонды готовы давать приличные гранты, разумеется, в случае убедительной аргументированности проекта. Итак, серьёзность и обоснованность биодеградации уже не вызывает сомнений. Но настоящий учёный, романтик по натуре, всегда смотрит вдаль. Ему давай ребусы посложнее, пусть даже их решение не принесёт немедленную отдачу. Можно ли, исследуя биодеградацию, встретить такие загадки природы? Оказывается, можно. И если за них взяться, то можно выйти за строгие пределы биодеградации и взглянуть на биохимию в целом, проследить её эволюцию, найти в живых клетках самые невероятные вещества, обнаружить микробы с необычными, даже неожиданными пищевыми пристрастиями. Или развернуть биодеградацию вспять и заняться... синтезом.
Ключевые слова: биодеградация, биохимия, ферменты, метаболизм.
BIODEGRADATION AND BIOCHEMISTRY 1. BACTERIA... COFFEE DRINKER A.Z. Mindubaev
Institute of Energy and Advanced Technologies
Federal Research Center "Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences " Russia, 420111, Tatarstan, Kazan, ul. Lobachevskogo, 2/31
Previous articles dedicated to the biodegradation of artificial substances covers the phenomenon extensively. It is leading to the logical questions, maybe it is enough? Is it time to stop? However, the topic of biodegradation is inexhaustible. There are many interesting examples, each of them is worth to be reported on. Furthermore, environmental preservation is gaining relevance each year. Segregated waste collection is now being implemented, which was not even a topic for discussion a decade ago. In line with this, a surge of interest in biodegradation (one of the most natural ways of purifying water and soil from industrial and household pollutants) is currently observed. Many reputable and influential scientific teams are actively involved in this field of study. Scientific foundations are ready to give decent grants if the project is convincingly reasonable. Thus, the significance and relevance of biodegradation are inarguable. However, a genuine scientist has a long-term vision with the inclination to confront enigmas, even if solving them does not yield immediate results. Could you encounter such riddles during investigations on biodegradation? Apparently, this is possible. And if these puzzles are tackled, then going beyond the strict boundaries of biodegradation into an overall view of biochemistry is plausible. For instance, tracing its evolution; discovering very incredible substances in living cells; identifying microbes with unusual, or even unexpected feeding habits; or even reversing biodegradation and engaging in synthesis.
Keywords: biodegradation, biochemistry, enzymes, metabolism.
© Миндубаев А.З., 2022
В то время, когда я только начинал заниматься микробным обезвреживанием белого фосфора (об этой работе я постарался как можно более увлекательно рассказать в своих статьях [4, 6], я сразу же увлёкся проблемой биодеградации. Это знаковое для меня событие произошло более тринадцати лет назад. Данное направление научных исследований к тому времени уже имело серьёзное развитие как вширь, так и вглубь. Биодеградация была описана для большинства классов веществ, в основном органических, в том числе для многих соединений фосфора, хотя способность микробов метаболизировать фосфор в виде простого вещества до начала наших исследований описана не была [7, 8]. И, честно признаюсь, я очень рад, что своей работой смог пополнить копилку знаний в этой очень важной для защиты окружающей среды области. За это выражаю глубокую признательность коллегам, каждый из которых внёс свой вклад в это большое общее дело.
Таким образом, с точки зрения практического использования и патентной защищённости биодеградация на сегодняшний день стала чётко обособленной дисциплиной со своей внутренней структурой, своими направлениями [12]. Однако с точки зрения фундаментальной науки биодеградация гармонично вписывается в ставшие классическими дисциплинами биохимию, метаболомику, энзи-мологию, молекулярную биологию, теорию эволюции наконец. Её просто невозможно вычленить из постоянно протекающих в биосфере метаболических путей по простой причине. Я постарался обрисовать в статье [5], что многие вещества, близкие по строению к созданным человеком ксенобиотикам, а в некоторых случаях даже идентичные им, постоянно присутствуют в окружающей среде. Соответственно, не существуют какие-то особенные пути метаболизма, характерные только для искусственных веществ.
В первую очередь меня как специалиста-биохимика интересовал именно биохимический аспект биодеградации, благо, здесь обширнейшее поле для изучения. И произошло закономерное явление. Чем глубже я вникал в метаболизм чужеродных веществ, тем больше получал знаний в смежных областях науки, на первый взгляд, с биодеградацией никак не связанных. Проявился знаменитый парадокс Сократа, который представил область знаний как площадь окружности. Чем больше знаний, тем обширнее граница с не-
познанным, и тем больше проявляется недостаток знаний. Со времён Сократа ничего не изменилось.
Особо подчеркну: смежные области никак не связаны с предметом изучения только на первый взгляд! Но надо очень долго изучать предмет и вникать в его суть, чтобы понять это. В этой статье я хочу сделать акцент не на тех примерах биодеградации, которые доказали свою полезность и уже применяются для защиты окружающей среды, а больше на случаях, вызывающих удивление, не исследованных до конца, парадоксальных и порой спорных, имеющих большой, но ещё не раскрытый потенциал, или даже относящихся к биодеградации косвенно, не напрямую. Одним словом, примеров, с которых не следует начинать изучать биодеградацию, но которые хорошо демонстрируют громадные возможности путей метаболизма. В конечном итоге изучение биодеградации — это изучение химии самой жизни на Земле.
В основе метода биодеградации лежит удивительная способность микроорганизмов адаптироваться к самым неблагоприятным условиям существования, причём адаптироваться со сравнительной лёгкостью и быстротой. Понятие «биодеградация» ассоциируется с ликвидацией нефтяных загрязнений и сточных вод предприятий. Но при помощи этого метода можно избирательно удалять из сложной смеси какое-то одно вещество. Например, интересная и необычная история связана с биодеградацией кофеина.
Алкалоидом пуринового (точнее, ме-тилксантинового) ряда является 1,3,7-триметил- 1Н-пурин-2,6(3Н,7Н)-дион. Он имеет множество тривиальных названий: кофеин, теин, матеин, гуаранин, 1,3,7-триметилксантин (рис. 1). Все названия, кроме последнего, отражают источник, из которого получено вещество. Такая номенклатура является традиционной для алкалоидов. Сильнее других закрепилось название «кофеин», данное в 1819 году немецким химиком Фердинандом Рунге, выделившим из зёрен кофе бесцветные игольчатые кристаллы нового вещества, горькие на вкус и растворимые в горячей воде. Уже из названий ясно, что этот алкалоид содержится в некоторых растениях: зёрнах кофе, какао и гуараны, орехах колы, почках и листьях чая, парагвайского падуба, стеблях дамианы. Все перечисленные растения произрастают в тропиках и издревле использовались в целях психостимуляции.
ОН ОН
Рис. 1. Структурная формула кофеина, справа — аденозина, физиологическим антагонистом которого
является кофеин [https://ru.wikipedia.org/]
Из них заваривают бодрящие напитки или готовят изысканные пищевые продукты, например, шоколад. А психоактивным агентом в них является, конечно же, кофеин (рис. 2 на цв. вкл.).
Активность кофеина обусловлена его структурным сходством с нуклеозидом адено-зином (см. рис. 2 на цв. вкл.) — оба вещества являются производными гетероцикла пурина. Аденозин, в свою очередь, не только структурный фрагмент молекул нуклеиновых кислот. Он, ко всему прочему, является нейро-трансмиттером. С действием аденозина тесно связаны суточные ритмы, в частности, сон. Связываясь в центральной нервной системой со специфическими аденозиновыми рецепторами, аденозин угнетает ЦНС, понижает кровяное давление и вызывает сонливость. А кофеин действует как классический структурный аналог и антагонист: блокирует рецепторы, не позволяет связаться с ними аде-нозину и оказывает прямо противоположное действие. То есть возбуждает ЦНС, усиливает сердцебиение и кровяное давление, прогоняет сонливость, поднимает тонус и настроение, придаёт сил.
Кофеин является лёгким наркотиком и вызывает зависимость, как и любой психоактивный препарат. До сих пор не умолкают споры о том, является ли кофеин канцерогеном — структурное сходство с пуриновыми основаниями ДНК позволяет предполагать для него мутагенные и канцерогенные свойства, впрочем, однозначно не подтверждённые и очень слабо выраженные. Для многих беспозвоночных, в отличие от человека, кофеин является сильным ядом. У ряда членистоногих и моллюсков даже в малых концентрациях вызывает паралич. Возможно, это его свойство и стало причиной эволюционного возникновения растений, продуцирующих и накапливающих кофеин: так они обороняются от насекомых и улиток фитофагов. Хотя...
нектар цветков кофе и ряда цитрусовых (апельсин, мандарин, грейпфрут, лимон) содержит очень низкие концентрации кофеина, но насекомых опылителей он только привлекает. То есть растения могли начать выделять кофеин и для повышения эффективности опыления.
Кофеин является практически обязательным компонентом энергетических напитков, а также широко применяется в медицине как эффективное средство для снятия головной боли. Разумеется, чайные и кофейные плантации всего мира не могут удовлетворить потребность в этом веществе. Поэтому давно разработаны методы химического синтеза кофеина путём метилирования ксантина или мочевой кислоты.
Но мы, кажется, увлеклись. Статья-то посвящена биодеградации. А про биодеградацию кофеина тоже можно рассказать кое-что интересное. Штамм бактерий Pseudomonas putida CBB5 является одной из немногих культур микроорганизмов, известных не только узким специалистам, но и (благодаря множеству заметок в Интернете) широкой общественности. Он прозван бактерией-кофеманом, и не случайно. Кофеин является для штамма единственным источником углерода и азота, и в средах, не содержащих данный алкалоид, эта высокоспециализированная бактерия не растёт. Выведен этот удивительный микроорганизм был будущим сотрудником университета Айовы Райаном Саммерсом — в то время старшекурсником, работающим над дипломным проектом [10]. Вот ради этого и была затеяна работа.
Дикая исходная культура была получена из совершенно тривиального источника — из почвы клумбы студенческого городка, на которую студенты после обеда регулярно выливали остатки кофе. Можно предполагать, что у микробиоты этой клумбы уже выработались адаптации к питанию кофеином.
Источники натурального кофеина: кофе и шоколад
[https://www.1zoom.me/ru/wallpaper/4475 30/z11064/6300x4206]
Зрелые ягоды кофе (Coffea arabica) на растении
[https://coffee-arte.ru/d/diria-coffee-tour.jpg]
Веточка чайного куста (Camellia sinensis) [http://aftertravel.joydaz.ca/wp-content/uploads/2013/05/tea12.jpg].
Веточка гуараны (Paullinia cupana) с плодами
[https://www. fitoterapija.lv/wp-content/uploads/2017/02/guarana.jpg]
Раскрытый плод какао (Theobroma cacao) с бобами, а также растертые в порошок бобы и готовый шоколад [https://catherineasquithgallery.com]
Плоды близкого родственника какао купуасу (Theobroma grandiflorum) также содержат кофеин, но конфеты на фото изготовлены, скорее всего, не из него — шоколад купуасу жидкий при комнатной температуре [https://www.windoworld.ru]
Раскрытый плод колы блестящей (Cola nitida), в котором видны орехи [https://archeryring.ru]
Веточка парагвайского падуба (Ilex paraguariensis), из листьев которого заваривают знаменитый чай матэ [https://www.chaochay.ru]
Цветущая дамиана (Turnera ulmifolia)
[https://commons.wikimedia.org]
Ветка апельсина (Citrus sinensis) с цветами и плодами, нектар этого растения и других цитрусовых содержит кофеин [https://pibig.info].
Рис. 2. Кофеин содержится в растениях: зёрнах кофе, какао и гуараны, орехах колы, почках и листьях чая, парагвайского падуба, стеблях дамианы
В результате направленной селекции (несколько последовательных пересевов в среду, содержащую кофеин в качестве един-
ственного источника азота и углерода) была получена псевдомонда, растущая только на кофеине.
ss
То, что штамм относится к виду Pseudomonas putida, не случайно. Этот организм даже по меркам бактерий обладает удивительно гибким метаболизмом и очень легко осваивает новые пищевые субстраты. Для био-деградации P. putida применяется, пожалуй, чаще других видов микробов. Ферменты этой бактерии широко используются в самых разных направлениях биотехнологии [11]. Одним словом, Саммерс защитил дипломную работу, потом написал ряд статей, оформил ряд патентов, посвящённых изучению уникального микроба, нашёл в его геноме «кофеиновый оперон», в ряд стадий разлагающий кофеин до углекислого газа и аммиака (рис. 3), и создал на его основе вместе с целым коллективом коллег множество других штаммов, способных утилизировать кофеин.
В настоящее время P. putida CBB5 и другие штаммы с её кофеиновым опероном находят коммерческое применение в биотехнологии в качестве чувствительного биосенсора на кофеин, позволяющего обнаруживать этот алкалоид в ничтожных концентрациях. Предложены они и как способ получения напитков без кофеина (декофеинизации) [9].
Продолжение следует
их>
Caffeine
Decaffeination Operon
,ЛХ>
Xanthine
Рис. 3. Кофеиновый оперон кодирует ряд ферментов, деметилирующих кофеин до ксантина — его основного метаболита. По [9]. Коллективу авторов удалось перенести его методами генной инженерии в кишечную палочку и «научить» её перерабатывать кофеин
Эта история не только захватывающе интересна. Она ещё и поучительна. Саммерс являет собой очень редкий пример человека, который начал работу из чистого любопытства, не имея перед глазами опыта предшественников и не представляя, к чему придёт. И довёл её до практического результата, продукта, востребованного на мировом рынке.
Добавлю от себя: дорогие читатели, каждый из вас на это способен. Главное — увлечённость, терпение и убеждённость в полезности своего дела.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
REFERENCES
1. Миндубаев А.З. Биодеградация? Нет, биосинтез // Национальные приоритеты России. 2021. № 4 (41). С. 89-102.
2. Миндубаев А.З. Микроорганизмы деструкторы и их роль в очистке природных сред (обзор) // Живые и биокосные системы. 2020. № 31. С. 1-20.
3. Миндубаев А.З. От яда к удобрению // Наука и жизнь. 2019. № 3. С. 46-47.
4. Миндубаев А.З. Химия природная и неприродная: где грань и есть ли она? // Национальные приоритеты России. 2021. № 1 (40). С. 76-89.
5. Миндубаев А.З. Биодеградация белого фосфора — шаг к решению экологической проблемы / А.З. Миндубаев, А.Д. Волошина, Э.В. Бабынин, Е.К. Бадеева [и др.] // Национальные приоритеты России. 2019. № 3 (34). С. 81-85.
6. Миндубаев А.З. Характеристика штаммов микроорганизмов, устойчивых к присутствию в среде белого фосфора / А.З. Миндубаев, К.А. Сапармыра-дов, Й.А. Акосах, Э.В. Бабынин [и др.] // Живые и биокосные системы. 2020. № 33. С. 1-17.
7. Миндубаев А.З. Влияние белого фосфора на жизнеспособность, клеточную морфологию и протеом штаммов гриба Aspergillus niger / А.З. Миндубаев, С.В. Федосимова, А.Г. Даминова, В.А. Романова [и др.] // Живые и биокосные системы. 2021. № 38. С. 1-12.
1. Mindubaev A.Z. Biodegradation? No, biosynthesis // Natsional'nye prioritety Rossii. 2021. No. 4 (41). P. 89-102.
2. Mindubaev A.Z. Microorganisms destructors and their role in the purification of natural environments (review) // Living and bio-inert systems. 2020. No. 31. P. 1-20. 3. Mindubaev A.Z. From a poison to a fertilizer // Nauka I Zhizn. 2019. No. 3. P. 46-47.
4. Mindubaev A.Z. Natural and non-natural chemistry: where is the line and is there any? // Natsional'nye prioritety Rossii. 2021. No. 1 (40). P. 76-89.
5. Mindubaev A.Z. White phosphorus biodegradation — a step towards environmental problem solving / A.Z. Mindubaev, A.D. Voloshina, E.V. Babynin, E.K. Badeeva [et al.] // Natsional'nye prioritety Rossii. 2019. No. 3 (34). P. 81-85.
6. Mindubaev A.Z. Characteristic of microbial strains resistant to white phosphorus / A.Z. Mindubaev, E.V. Babynin, A.D. Voloshina, Y.A. Akosah [et al.] // Living and bio-inert systems. 2020. No. 33. P. 1-17.
7. Mindubaev A.Z. The effect of white phosphorus on the vitality, cellular morphology and proteome of fungus Aspergillus niger strains / A.Z. Mindubaev, S.V. Fedosimova, a A.G. Daminov, V.A. Romanova [et al.] // Living and bio-inert systems. 2021. No. 38. P. 1-12.
8. Quandt E.M. Decaffeination and Measurement of Caffeine Content by Addicted Escherichia coli
8. Quandt E.M. Decaffeination and Measurement of Caffeine Content by Addicted Escherichia coli with a Refactored V-Demethylation Operon from Pseudomonas putida CBB5 / E.M. Quandt, M.J. Hammerling, R.M. Summers, P.B. Otoupal [et al.] // ACS Synth. Biol. 2013. Vol. 2. No. 6. P. 301-307.
9. Summers R.M. Metabolism, enzymology, and genetic characterization of caffeine degradation by Pseudomonas putida CBB5 // PhD diss. University of Iowa. 2011. 184 p.
10. Wackett L.P. Pseudomonas putida — a versatile biocatalyst // Nature biotechnology. 2003. Vol. 21. No. 2. P. 136-138.
11. Wackett L.P. The Metabolic Pathways of Biodegradation // The Prokaryotes. 2013. Vol. 2. P. 383-393.
with a Refactored V-Demethylation Operon from Pseudomonas putida CBB5 / E.M. Quandt, M.J. Hammerling, R.M. Summers, P.B. Otoupal [et al.] // ACS Synth. Biol. 2013. Vol. 2. No. 6. P. 301-307.
9. Summers R.M. Metabolism, enzymology, and genetic characterization of caffeine degradation by Pseudomonas putida CBB5 // PhD diss. University of Iowa. 2011. 184 p.
10. Wackett L.P. Pseudomonas putida — a versatile biocatalyst // Nature biotechnology. 2003. Vol. 21. No. 2. P. 136-138.
11. Wackett L.P. The Metabolic Pathways of Biodegradation // The Prokaryotes. 2013. Vol. 2. P. 383-393.
Антон Зуфарович Миндубаев — кандидат химических наук, старший научный сотруд-ник.Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанского научного центра РАН; mindubaev-az@yandex.ru.
Anton Zufarovich Mindubaev — Cand. Sc.{Chemistry}, Senior Researcher at Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences; mindubaev-az@yandex.ru.
Статья поступила в редакцию 08.08.2022 г.
^—~ Цитаты
Чем больше человек живёт в одиночестве: на реке или в сельской местности, тем больше понимает, что нет ничего прекраснее и лучше, чем выполнять повседневные обязанности просто и естественно. Всё, от травы на полях до звёзд на небе, делает именно это. В природе такой глубокий покой и такая безмерная красота именно потому, что ничто не пытается выйти за её пределы.
Индийский писатель, поэт, композитор, художник, общественный деятель Рабиндранат Тагор
