CC BY
18
УДК 547:58.04 ГРНТИ 31.23.01
БИОДЕГРАДАЦИЯ? НЕТ, БИОСИНТЕЗ
А.З. Миндубаев
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ «Казанский научный центр РАН» Россия, 420111, Татарстан, г. Казань, ул. Лобачевского, 2/31
Биологическое расщепление сложных веществ - это целый мир. Здесь мы видим эволюцию в действии, процесс, позволяющий включать в природный круговорот новые вещества, ранее никогда в него не входившие, соответственно, появление новых ферментов с необычной активностью, кодирующих эти ферменты генов и плазмид. А в перспективе - возникновение новых форм жизни и рост уровня сложности самой биосферы. Но и это не все! Стало ясно, что между анаболизмом и катаболизмом не существует грани. Опасные для живых организмов вещества, включая даже ряд неприродных, могут служить синтона-ми, «кирпичиками» для построения классических природных молекул, включая даже самые сложные, например, белки. После этого они поглощаются биосферой без следа. Одним словом, окружающий мир в очередной раз оказывается намного сложнее представлений о нём. А нам, исследователям, следует научиться управлять процессом биодеструкции. Тогда, наконец, возникнет кардинальное решение назревшей проблемы загрязнения окружающей среды. Вот таким необычным, даже неожиданным примерам биодеградации посвящается эта статья.
Ключевые слова: биодеградация, биосфера, метаболизм, обратимость ферментативных реакций.
BIODEGRADATION? NO, BIOSYNTHESIS Mindubaev A.Z.
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
The biological fermentation of complex substances is the whole world. Here we can see evolution in action, a process that allows to include new substances, that have never been there before, to the natural cycle. Correspondingly, there appear new enzymes with unusual activity, genes encoding these enzymes, and plasmids. In the future, the emergence of new forms of life and an increase in the complexity of the biosphere itself. But that is not all! It has become clear that there is no borderline between anabolism and catabolism. Substances that are hazardous to living organisms, including even a number of non-natural ones, can serve as synthons, "building blocks" for the construction of classical natural molecules, including even the most complex ones, like proteins. Then they are absorbed by the biosphere without a trace. In short, the world around us once again turns out to be much more complex than our perceptions of it. And we, scientists, should learn how to control the process of biodegradation. Then, finally, there will be a radical solution to the overdue problem of environmental pollution. This article is devoted to such unusual, even unexpected examples of biodegradation.
Keywords: biodegradation, a biosphere, metabolism, reversibility of enzymatic reactions.
В предыдущих статьях, посвящённых биодеградации неприродных веществ, рассказано так много об этом явлении, что возникает закономерный вопрос: может, хватит? Пора остановиться? Однако тема биодеградации (как, впрочем, любая научная тема) неисчерпаема. Интересных примеров, каждый из которых достоин быть доведённым до читателя, очень много.
Вспоминаю время, когда мне казались интересными только пути биологического синтеза сложных молекул, те метаболические пути, которые принято называть анаболизмом.
© Миндубаев А.З., 2021_
Катаболизм, то есть распад сложных молекул до простых, метаболическое разложение, казалось тогда чем-то заурядным, незатейливым. «Ломать не строить» - гласит пословица. И только всерьёз занявшись проблемой биодеградации, я понял, насколько был неправ.
В то время, когда я только начинал заниматься микробным обезвреживанием белого фосфора (об этой работе я постарался как можно более увлекательно рассказать в статье [1], сразу же увлёкся проблемой биодеградации. Это знаковое для меня событие произошло более двенадцати лет назад. Данное направление
научных исследований к тому времени уже имело серьёзное развитие как вширь, так и вглубь. Биодеградация описана для большинства классов веществ, в основном органических. В том числе для многих соединений фосфора, хотя способность микробов метаболизи-ровать фосфор в виде простого вещества до начала наших исследований [2-5] описана не была. 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 [6]. С точки зрения фундаментальной науки биодеградация гармонично вписывается в ставшие классическими дисциплинами биохимию, метаболомику, энзимологию, молекулярную биологию, теорию эволюции. Её невозможно вычленить из постоянно протекающих в биосфере метаболических путей по простой причине. Я постарался обрисовать в статье [7], 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.
Многозначное и имеющее в русском языке негативный оттенок слово «деградация» в дословном переводе с латыни означает «упрощение». В профессиональном научном языке негативного оттенка у него нет. Соответственно, сложносоставное слово «биодеградация» подразумевает упрощение структуры вещества под влиянием биохимических реакций. И у специалистов, работающих в этой области, термин «биодеградация» интуитивно ассоциируется именно с упрощением структуры.
Это соответствует действительности, если речь идёт о веществах сложного строения, таких как полимеры. А если биодеградации подвергается вещество простейшей структуры? В таком случае чаще всего, наоборот, происходит усложнение строения. В статье [6] я рассказывал про синильную кислоту и её соли цианиды - одни из опаснейших ядов. Рассказывал и про то, что в процессе эволюции живые организмы «изобрели» множество
приёмов обезвреживания этих веществ. Очевидно, что расщепить молекулу, содержащую всего один атом углерода, не удастся - расщеплять попросту нечего. А одним из самых эффективных путей обезвреживания синильной кислоты является конденсация с аминокислотой цистеином при помощи фермента цианоаланинсинтазы. При этом отщепляется сероводород и образуется аминокислота Р-цианоаланин. А дальше в дело вступает фермент цианоаланингидратаза, который гид-ролизует Р-цианоаланин до аспарагина и аспа-рагиновой кислоты (рис. 1). Так молекула синильной кислоты включается в состав сразу двух аминокислот, входящих в состав белков и являющихся предшественниками множества жизненно необходимых метаболитов [8].
Этот путь обезвреживания цианидов оказался настолько удачным, что закрепился у самых разнообразных форм жизни: бактерий, зелёных растений (рис. 2), позвоночных и беспозвоночных.
Надо отметить, что цианоаланингидра-таза осуществляет ещё более интересную реакцию конденсации синильной кислоты с се-рином. При этом отщепляется не сероводород, а вода, то есть путь совсем уж экологически чистый (см. рис. 1). Но скорость этой реакции в двадцать раз ниже, чем с цистеином, и в природе она происходит значительно реже [9].
В этом смысле очень показательны примеры биодеградации анилина. Анилин (фениламин, аминобензол) - крупнотоннажный промышленный продукт - сырьё в производстве красителей и лекарств, имеющее долгую (с позапрошлого века) и славную историю. Связь с органическими красителями запечатлена даже в самом названии вещества (рис. 3): анилин впервые был получен термохимическим разложением индиго, добываемого из растения Indigofera anil. Позднее его стали производить из более доступного сырья -каменноугольной смолы. А в 1842 г. наш великий соотечественник, химик-органик Николай Николаевич Зинин разработал получение анилина восстановлением нитробензола. Этот метод, названный реакцией Зинина, не утратил значение до сих пор. В последние годы анилин начал интересовать как мономер, полимеризацией которого получают полианилин - уникальный «органический металл», полимер, проводящий электрический ток. Вещество, вне всякого сомнения, очень полезное. Но... анилин ядовит и является опасным загрязнителем окружающей среды.
он
Г^Серин
Синильная кислота
H-C=N
C=N
он
ß-Циано-Lr Ала нин
H,N
H,N
Ь-Аспатитиновал }и(слита
Рис. 1. Один из самых эффективных метаболических путей обезвреживания цианида при помощи пары ферментов цианоаланинсинтаза и цианоаланингидратаза. Рис. авт.
б
Рис. 2. Сорго (Sorghum bicolor) - замечательная зерновая и кормовая злаковая культура. Но некоторые её сорта вырабатывают цианогенный гликозид дуррин. И эти же растения способны превращать цианиды в аспарагин [8] (https://wwwrock-cafe.info/posts/sorghum-plant-736f726768756d.html) (а). Но сорго не исключение. Цианогенные глико-зиды содержатся в гемолимфе некоторых насекомых, например, бабочек пестрянок (род Zygaena) (внизу слева), контрастная окраска которых предупреждает: существо ядовито (https://en.wikipedia.org/wiki/Zygaena_lonicerae)! (б); в ядрышках косточковых культур, например, горького миндаля (Prunus dulcis var. amara), с запахом которого сравнивают запах синильной кислоты (https://gmsemena.ru/upload/iblock/72d/72df0eca2c94f6fe79ce2fi0b803d624.jpg) (в)
SÁ г
Рис. 3. Органический краситель индиго является одним из многочисленных производных анилина. Именно им красят джинсы (https://www.pinterest.ca/pin/259027416037780954/) (в). Ранее его получали из растений индигоноса красильного Indigofera tinctoria семейства бобовых (https://www.amazon.in/stores/page/A35B5495-05F1-
4946-BB9E-7A9A437E76CA) (б) и вайды красильной Isatis tinctoria семейства крестоцветных (https://treespk.ru/catalog/products/tsvety/vayda_krasilnaya_100_semyan/) (а). Позднее стали производить химическим путём. В последнее время снова возвращаются к биологическому производству, правда, уже при помощи бактерий (г). Расплодившиеся в водоёме пурпурные бактерии (правда, на снимке изображены серные)
(https://askmicrobiology.com/purple-sulfur-bacteria/)
в
Конечно, микроорганизмы, обезвреживающие анилин, нашлись. Среди них пурпурные (см. рис. 3, г) несерные бактерии родокок-ки, которые способны к фотосинтезу и содержат пигменты бактериохлорофиллы, придающие скоплениям этих бактерий броскую пурпурную окраску. Для этих микроорганизмов давно замечена способность карбокси-лировать анилин в орто-положение с образованием антраниловой кислоты - предшественника аминокислоты триптофана [10] (рис. 4). То есть, токсичное вещество превращается в ценные биологические молекулы, практически не претерпевая структурных изменений! И бензольное кольцо, и атом азота аминогруппы остаются на месте. Напомню, что триптофан для млекопитающих является незаменимой кислотой. Он входит в состав
белков и является биохимическим предшественником гормонов серотонина и мелатони-на. Предшественником упоминавшегося выше синего красителя индиго тоже является триптофан, точнее, его боковой радикал индол. Он-то и образуется из антранилата.
Другая бактерия, Desulfobacterium aniline, для которой термин «анилин» стал видовым названием, карбоксилирует анилин в пара-положение с образованием п-аминобензойной кислоты - предшественника фолиевой кислоты [11] (см. рис. 4). Фолиевая кислота, витамин В9, вырабатывается кишечной микрофлорой человека и является ценным метаболитом, нехватка которого приводит к анемии. В ряде стран законодательство обязывает обогащать фолатом продукты питания, в частности, мучные изделия.
Рис. 4. Включение анилина в состав биологических молекул - убедительный пример биодеградации. Рис. авт.
Следует особо подчеркнуть, что в результате указанных превращений молекула анилина не разлагается. Она входит в состав более сложных биологических молекул целиком! В связи с этим следует упомянуть выдающегося американского химика Элиаса Джеймса Кори, создателя ретросинтетического анализа структуры органических молекул и основоположника учения о синтонах.
Что же такое синтон? Если объединить определения из Википедии и замечательной монографии [12], то получится примерно так: «реальная или идеализированная структурная единица молекулы, которая может быть введена или создана в результате возможных синтетических приёмов». Проще говоря, синтоны -это простые детали, из которых можно соби-
рать сложные молекулы. Конечно, говоря о синтонах, Кори и его последователи имели в виду органический синтез. Однако с полным правом о них может говорить и биохимик. То есть синильная кислота - это синтон для биосинтеза аспарагина, а анилин, соответственно, является синтоном для триптофана и фолиевой кислоты. Подобных примеров можно привести, по меньшей мере, несколько.
На рисунке 5, например, изображён метаболизм одноуглеродных фрагментов молекул, простейшей из которых является метан. Таким образом, схему можно представить как метаболические пути превращений метана. Следует сразу оговориться, что ни один вид живых организмов не может осуществить все эти превращения, они происходят на уровне
биоценозов или всей биосферы. К тому же эта и последующие схемы упрощены, на них нет возможности показать промежуточные продукты превращений.
Метан образуется на земном шаре как биогенным путём, высокоспециализированными метаногенными архебактериями, так и абиотическим, при пиролизе угля и органических веществ. Метан всегда присутствует в атмосфере в концентрации примерно 175 миллионных долей и является парниковым газом. Является важной составляющей природного газа, болотного и свалочного газов, биогаза. Будучи простейшим насыщенным углеводородом, метан лишён функциональных групп, и это делает его химически малоактивным. Усваивать метан могут только бактерии мета-нотрофы, которые окисляют его кислородом (значительно реже, другими окислителями, например, нитратом) до метилового спирта.
А дальше различные виды микробов, растений и животных производят увлекательные превращения метильной группы, производя большое многообразие первичных и вторичных метаболитов. В своей статье [6] я уже касался биодеградации метанола. Стало быть, такие важнейшие метаболиты, как аминокислоты серин и метионин, а также производное метионина S-аденозилметионин (SAM) - главный донор метильных групп в биохимии, можно с полным основанием называть продуктами биодеградации метана, метанола и формальдегида. Кстати, не только их. Формальдегид образуется в качестве промежуточного продукта при биодеградации многих молекул, преимущественно, содержащих од-ноуглеродные фрагменты: метиламинов, метансульфоновой кислоты, метилмеркапта-нов, метилгалогенидов и метиленгалогенидов, ацетона.
Рис. 5. Включение метана, метанола и формальдегида в состав биологических молекул. Стрелки указывают на атомы углерода, происходящие из метана. Рис. авт.
Безусловно, очень показательна схема превращений бензольного кольца, представленная на рисунке 6. Простейшее из всех ароматических соединений, бензол СбН6 содержится в нефти, а в промышленности его
получают тримеризацией ацетилена по Реппе, ароматизацией бензиновых фракций нефти, коксованием угля. Неожиданно был обнаружен бензол в живой природе - в эфирных маслах, продуцируемых южноамериканскими
грибками Gliocladium roseum и Muscodor albus [13]. Бензол очень токсичен и обладает канцерогенным действием. Самые разнообразные живые организмы, от бактерий до млекопитающих, окисляют этот вредный ксенобиотик до фенола, который тоже очень ядовит [14].
Фенол образуется и в результате метаболизма пластификатора и антипирена трифе-нилфосфата [15], а также антисептиков пара-бенов [16]. Про фенол я уже писал в своей работе [17]. Там же я указал на возможность ферментативного превращения фенола в
аминокислоту тирозин, описанную в ряде статей [18].
Хотя нет указаний на то, что тирозин образуется из фенола в природе: ароматические вещества обезвреживаются, окисляясь до катехинов и муконовых кислот, о чём уже рассказывалось выше. Тем не менее, эволюционный отбор вполне может закрепить этот признак - обратную реакцию тирозинфеноллиазы, и в будущем могут появиться микроорганизмы, превращающие фенол в тирозин. Может быть, они уже существуют, просто ещё не попали в руки исследователей - кто знает?
- с Патбекы Лчшкк
- - " - I.
УВяхшюн Ейкгашк
Рис. 6. Включение бензола и фенола в состав биологических молекул. Рис. авт.
А вот дальнейшие превращения тирозина в природе уже очень разнообразны, на рисунке представлена лишь часть их. Но что характерно, при всей непохожести строения и свойств, у абсолютного большинства из них бензольное кольцо сохраняется практически в неизменном виде. Этому эмпирическому факту есть фундаментальное объяснение: шести-членный углеродный ароматический цикл не напряжён и имеет высокую термодинамическую стабильность, поэтому не склонен к химическим превращениям.
Среди представленных на схеме веществ редкие исключения - пигмент грибов мухоморов мускафлавин, в процессе биосинтеза которого бензольное кольцо превращается-таки в семичленный гетероцикл [19] и антибиотик линкомицин, подавляющий рост грамположи-тельных бактерий [20]. У предшественника линкомицина ароматический цикл трансформируется до неузнаваемости в результате глубокой перестройки углеродного скелета.
Тирозин является предшественником многих, если не большинства, природных
пигментов. Большинство цветов (как у этих анютиных глазок Viola tricolor) и плодов окрашены в синие, фиолетовые, красные и розовые тона антоцианами - производными фла-воноидов. Один из них - пеларгонидин (рис. 7). Основным предшественником анто-цианов является фенилаланин: тем не менее, биосинтез из тирозина также отмечен [21, 22]. Желтая окраска той же самой фиалки обусловлена близкими по структуре к антоцианам пигментами антохлорами, синтезируемыми из тех же ароматических аминокислот [23].
Растения из порядка Centrospermae, например целозия серебристая (Celosía argentea), не содержат антоцианы (рис. 8). Их пигментами, придающими растениям красную, фиолетовую или жёлтую окраску, являются беталаины, которые, в отличие от анто-цианов, полностью синтезируются из тирозина. Красно-фиолетовый цвет имеют бетацианины, жёлтый - бетаксантины. Их сочетание может давать оранжевый оттенок. Белые растения не способны синтезировать беталаины, биосинтез останавливается на бесцветных предшественниках пигментов. В результате цветовая палитра садовых цело-зий становится очень широкой [19].
Пигменты, близкие к беталаинам, окрашивают шляпки грибов красных мухоморов (Amanita muscaria), например, му-скафлавин [19]. Из тирозина синтезируются также пигменты животных и плесневых грибов - меланины. Они придают цвет волосам млекопитающих и перьям птиц. Меланины подразделяются на два класса: эумеланины, имеющие чёрный цвет, и феомеланины жёлтого и красноватого цветов [24] (рис. 9). Гранулы эумеланина преобладают, например, в оперении горла и грудки самца домового воробья (Passer domesticus) (рис. 10), а в остальном оперении преобладают феомела-нины.
Важным источником меланинов являются чернила головоногих моллюсков каракатиц (Sepia officinalis), имеющие особенный оттенок коричневого цвета - сепия - так полюбившийся художникам и фотографам (рис. 11).
А глубокий черный цвет оперения самца чудной райской птицы (Lophorina superba) из Новой Гвинеи, токующего перед невзрачной на вид самкой, определяется отнюдь не пигментами. Это пример оптической окраски -видимый свет на 99,95 % поглощается бахромчатой структурой поверхности бороздок перьев [25] (рис. 12).
Продуктом метаболизма тирозина (и фенилаланина) у млекопитающих является гомогентизиновая (2,5 -дигидроксифенилук-сусная) кислота. В большинстве случаев она подвергается дальнейшему распаду. Однако у гиппопотамов (Hippopotamus amphibius) она выделяется на поверхность кожи вместе с потом. Постепенно окисляясь кислородом воздуха, гомогентизиновая кислота превращается в димеры - гиппосударовую и норгиппосударо-вую кислоты, имеющие, соответственно, красный и оранжевый цвет благодаря хиноновому хромофору [26]. Они придают окраску знаменитому «кровавому поту» бегемотов, защищают их кожу от солнечных ожогов и обладают бактерицидным действием (рис. 13). Дальнейшее окисление приводит к полимеризации го-могентизиновой кислоты и образованию черного пигмента хиноновой структуры алкаптона.
Алкаптон образуется на коже гиппопотамов, а также в организме людей, страдающих генетическим заболеванием алкаптонурией -неспособностью расщеплять гомогентизиновую кислоту [27]. На рисунке 14 показана моча больных алкаптонурией, имеющая практически чёрный цвет. Для сравнения, показана светло-жёлтая моча здорового человека.
Оранжевые наросты на ветке Coursetia glandulosa из семейства бобовых - самки лаковых червецов Laccifer lacca (рис. 15). Эти насекомые продуцируют знаменитый шеллак -натуральную смолу, из которой производят лаки и изоляционные материалы. Яркую окраску шеллаку придаёт смесь пяти лаккае-вых кислот А-Е, представляющих собой продукты конденсации производного антрахинона кермесовой кислоты и тирозина (лаккаевая кислота С) или его производных [28].
Целентеразин, образующийся при конденсации двух ароматических аминокислот -тирозина и фенилаланина, представляет собой не пигмент, а люциферин, ответственный за биолюминесценцию морских ракообразных и кишечнополостных [29]. Он входит в состав знаменитого зелёного флуоресцирующего белка, добываемого из медуз. Светящаяся в темноте медуза Aequorea victoria - продуцент флуоресцирующего белка и целентеразина (рис. 16).
А вот оранжевый пигмент корнеплодов моркови посевной (Daucus carota subsp. sativus) Р-каротин не имеет отношения к ароматическим аминокислотам. Он так же, как зелёные хлорофиллы из листьев той же моркови, синтезируется из ацетилкофермента А [30, 31] (рис. 17 и 18).
Рис. 7. Анютины глазки Viola tricolor
(https://oir.mobi/661813-viola-ultramarin.html)
Рис. 8. Целозия серебристая Celosia argentea (http://ogorodnikam.com/wp-content/uploads/2016/10/1-775.jpg)
Рис. 10. И.И. Шишкин. Дорожка в лесу. 1891. Бумага, сепия, граф. карандаш 61. 4х44
(https://gallerix.ru/album/Shish Ып/рк^1гх- 77263 7939)
Рис. 11. Самец домового воробья Passer domesticus. (https://35photo.pro/photo_890581/)
-
Рис. 13. Гиппопотам Hippopotamus amphibius
(https://med-portal.az/wp-content/uploads/2018/ 12/alkaptonuriya.jpg)
Рис. 9. Красные мухоморы Amanita muscaria, например, мускафлавин [19].
(https://ru. wikipedia. org/wiki)
Рис. 12. Самец чудной райской птицы Lophorina superba
(https://www.awesomeworking.xyz/oddities-of-nature=669)
Рис. 14. Моча больных алкаптонурией, имеющая практически чёрный цвет; светло-жёлтая моча - здорового человека (https://med-portal.az/wp-content/uploads/2018/12/alkaptonuriya.jpg)
Рис. 15. На ветке Coursetia glandulosa из семейства бобовых - самки лаковых червецов Laccifer lacca
(https://upload.wikimedia.org)
Рис. 16. Медуза Aequorea victoria Рис. 17. Морковь посевная Daucus carota subsp. sativus
(https://racerocks.ca/aequorea-victoria/) (https://pr0.zoon.ru/5cG3Al6oLxw7CzbSZFNPVw/2400x1500,
q75/TBbe0Jvui6p69Omypu6R_9dcwdqKe35 UO 7b24 UTsEjE_R_0Ms5ts05XfBxv0V3PN)
Схема на рисунке 18, отнюдь не является доказательством пользы пьянства. Тем более что большинство полезных веществ на ней образуется в организме не из этилового спирта. Этанол, а в особенности его токсичный метаболит ацетальдегид при неумеренном потреблении оказывают на человеческий организм разрушительное действие.
Главным источником жирных кислот и изопреноидов в природе является двууглерод-ный синтон - радикал ацетил в составе аце-тилкофермента А. Прочие молекулы, в первую
очередь двууглеродные (для млекопитающих это уксусная кислота, для микробов пресловутые этанол и ацетальдегид, этан, хлорэтан, этилен, ацетилен, диэтиловый эфир, этилацетат, а также ацетон и угарный газ и многие другие), являются предшественниками ацетила. Ацетон, кстати, - трёхуглеродная молекула - в процессе метаболизма распадающаяся на двууглерод-ный и одноуглеродный фрагменты [32]. То есть ацетон принимает участие в обеих метаболических схемах, представленных на рисунках 6 и 18.
Рис. 18. Двууглеродные молекулы как природные синтоны. Рис. авт.
Любопытно, что некоторые вещества стоят на пересечении метаболических путей. Например, изображённый на рисунке 6 а-токоферол, важнейший природный антиокси-дант, - наиболее биологически активная форма жирорастворимого витамина Е. Токохромано-ловый цикл в его молекуле происходит из тирозина, боковой радикал фитил из ацетилкофер-мента А, метильные группы при ароматическом кольце из Б-адено-зилметионина [33]. Поэтому токоферол можно было бы с полным правом разместить на всех трёх предыдущих схемах.
Образующиеся из синильной кислоты аспарагин и аспарагиновая кислота являются предшественниками огромного количества метаболитов, в первую очередь, аминокислот и их производных (рис. 19).
Интересно, что в некоторых очень редких метаболитах, таких как продуцируемый фитопатогенной бактерией Xanthomonas albilineans ингибитор ДНК гиразы альбици-дин, остаток аспарагина претерпевает обратное превращение в остаток Р-цианоаланина, образуя необычное подобие пептида [34].
Одним из важнейших продуктов превращений аспартата является метионин, с которым мы уже встречались при рассмотрении метаболизма одноуглеродных молекул (см. рис. 5). Конечно, разнообразие производных
метионина (точнее, его активного продукта SAM) не ограничивается только метильными и метиленовыми группами [35]. Таким образом, мы становимся свидетелями ещё одного пересечения метаболических путей.
Ана^зин
Рис. 19. Синильная кислота как природный синтон. Рис. авт.
Интересно, что в некоторых очень редких метаболитах, таких как продуцируемый фитопатогенной бактерией Xanthomonas albilineans ингибитор ДНК гиразы альбици-дин, остаток аспарагина претерпевает обратное превращение в остаток Р-цианоаланина, образуя необычное подобие пептида [34]. Одним из важнейших продуктов превращений аспартата является метионин, с которым мы уже встречались при рассмотрении метаболизма одноуглеродных молекул (рис. 5). Конечно, разнообразие производных метионина (точнее, его активного продукта, SAM) не ограничивается только метильными и метиле-новыми группами [35]. Таким образом, мы становимся свидетелями ещё одного пересечения метаболических путей.
Любопытно, что аминокислота треонин присутствует и на данной схеме, и на преды-
дущей. Дело в том, что в природе в большинстве случаев предшественником треонина является аминокислота гомосерин, которая не входит в состав белков, а образуется из аспа-рагиновой кислоты. То есть, в конечном итоге, треонин является одним из продуктов превращений синильной кислоты. Однако специфический фермент треонинальдолаза катализирует обратимую реакцию синтеза треонина из глицина и ацетальдегида. Таким образом, треонин можно рассматривать и как метаболит этанола.
Рассматривая необычные пути метаболизма, я натолкнулся, в частности, на патент, который не мог оставить равнодушным [36]. Объект патентования - метаболические пути, ведущие к ароматическим соединениям, таким как бензол, толуол, стирол, и некоторым другим веществам. Согласитесь, интереснейшей
тематикой занят этот американским коллектив! На мой взгляд, их работа имеет не только важное прикладное значение - она расширяет представления о возможностях нашей биосферы. А ещё они запатентовали образование бензола из ароматической аминокислоты фенил-аланин при помощи некоего фермента фенилаланин бензол-лиазы. Фермент, судя по
всему, неизвестен - во всяком случае, упоминается исключительно в данном патенте. Возможно, что он вообще не встречается в природе, и его планируется создать методами белковой инженерии. Тем не менее, его ближайший аналог Р-тирозиназа, производящий фенол из тирозина, хорошо известен и неоднократно упоминается в моих работах.
Рис. 20. Действие гипотетического фермента фенилаланинбензоллиазы ф-фенилаланиназы), приводящее к образованию бензола. По [36], с изменениями
Конечно, представленная на рисунке 20 заменимую аминокислоту L-фенилаланин пу-реакция разложения фенилаланина с образова- тём реакции с пируватом аммония или нием бензола захватывающе интересна. Однако Ь-серином. Её, безусловно, тоже следовало пая хочу акцентировать внимание на моменте, тентовать! Авторы патента, по всей видимости, который упустили американцы: большинство просто не задумывались над этим.
ферментативных реакций, в том числе и эта,
Конечно, если данный фермент будет
обратимы. То есть, тот же самый фермент мо- создан, это откроет новые пути включения жет катализировать кратчайший путь биодегра- бензола в природные молекулы, которые я по-дации ядовитого бензола, включение его в не- пытался представить на рисунке 21.
Рис. 21. Включение бензола в состав биологических молекул при помощи фенилаланинбензоллиазы. Рис. авт.
Наконец, рискуя заполонить текст иллюстрациями, я представил-таки схему метаболических превращений анилина (рис. 22). Она получилась с сильным уклоном в токсикологию: так сложилось эволюционно, что большинство метаболитов, содержащих индольную группу и её производные, является токсичными алкалоидами. Здесь действует то же правило,
что и с тирозином и фенилаланином: ароматическое кольцо в большинстве метаболитов сохраняется. Хотя в случае никотинамида (В3), который в организме эукариот образуется из триптофана, происходят более глубокие структурные изменения. Бактерии, кстати, синтезируют его из аспарагиновой кислоты, поэтому никотинамид есть и на предыдущей схеме.
Рис. 22. Ядовитый продукт химической промышленности анилин в роли синтона природных молекул. Замечательный пример того, как ксенобиотики могут поглощаться биосферой. Рис. авт.
Недавние исследования, представленные в замечательном обзоре [37], показали, что анилин может подвергаться целому ряду необыкновенных превращений при помощи ферментов, которые не вошли в схему. Например, полианилин - тот самый электропроводящий полимер, о котором говорилось выше, - можно получать не только чисто химическим путём, но и с использованием пероксидаз из растений! Катализируемая ими реакция приводит к образованию свободных радикалов и радикальной полимеризации анилина.
Очень интересное исследование коллектива из Японии продемонстрировало, что бромпероксидаза из штамма Pseudomonas putida в присутствии бромид-ионов бромиру-ет анилин в орто- и пара-положения, а в отсутствии солей брома окисляет анилин до
красного красителя азобензола, азоксибензо-ла и даже нитробензола [39] (рис. 23). Соответственно, Salmonella typhimu-rium при помощи нитроредуктазы осуществляет обратное восстановление нитробензола до азоксибен-зола и анилина, т. е. осуществляет классическую реакцию Зинина [40]!
Рис. 24. Структурные формулы азобензола (дифенилдиазена) (слева) и нитробензола (справа).
Эти соединения, наряду с изомерными броманилинами, образуются при окислении анилина бромпероксидазой Pseudomonas putida
Возможности биотехнологии гораздо шире привычных рамок, и сегодня мы используем лишь малую их часть. Биодеградация как явление не является чем-то отдельным, каким-
то «довеском» к существующим путям метаболизма. На самом деле она гармонично вписывается в эти пути, являясь их неотъемлемой частью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
REFERENCES
1. Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Бабынин Э.В., Бадеева Е.К. [и др.]. Биодеградация белого фосфора - шаг к решению экологической проблемы // Национальные приоритеты России. 2019. № 3 (34). С. 81-85.
2. Миндубаев А.З., Федосимова С.В., Григорьева Т.В., Романова В.А. [и др.]. Влияние белого фосфора на клеточную морфологию и белковый профиль штаммов гриба Aspergillus niger // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. № 1. С. 69-79. DOI: 10.21285/2227-2925-2021-11-1-69-79.
3. Миндубаев А.З., Бабынин Э.В., Бадеева Е.К., Минзанова С.Т. [и др.]. Биологическая деградация жёлтого (белого) фосфора - вещества первого класса опасности // Журнал неорганической химии. 2021. Т. 66. № 8. С. 1137-1142. DOI: 10.31857/S0044457X21080158.
1. Mindubaev A.Z., Voloshina A.D., Babynin E.V., Badeeva E.K. [i dr.]. Biodegradaciya belogo fosfora - shag k resheniyu ekologicheskoj problemy // Nacional'nye prioritety Rossii. 2019. №3 (34). S. 81-85.
2. Mindubaev A.Z., Fedosimova S.V., Grigor'eva T.V., Romanova V.A. [i dr.]. Vliyanie belogo fosfora na kletochnuyu morfologiyu i belkovyj profil' shtammov griba Aspergillus niger // Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotekhnologiya. 2021. T. 11. № 1. S. 69-79. DOI: 10.21285/2227-2925-2021-11-1-69-79.
3. Mindubaev A.Z., Babynin E.V., Badeeva E.K., Minzanova S.T. [i dr.]. Biologicheskaya degradaciya zhy-oltogo (belogo) fosfora - veshchestva pervogo klassa opas-nosti // ZHurnal neorganicheskoj himii. 2021. T. 66. № 8. S. 1137-1142. DOI: 10.31857/S0044457X21080158.
4. Mindubaev A.Z., Babynin E.V., Bedeeva E.K., Minzanova S.T. [et al.]. Biological Degradation of Yellow (White) Phosphorus, a Compound of First Class Hazard // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. Vol. 66. No. 8. P. 1239-1244. DOI: 10.1134/S0036023621080155
5. Mindubaev A., Babynin E., Minzanova S., Badeeva E., Akosah Y. White phosphorus genotoxicity // Bio web of conference. 2021. Vol. 31. No. 00018. P. 1-3. DOI: 10.1051/bioconf/20213100018
6. Миндубаев А.З. Микробы-санитары // Наука и жизнь. 2020. № 3. С. 28-32.
7. Миндубаев А.З. Химия природная и неприродная: где грань и есть ли она? // Национальные приоритеты России. 2021. № 1 (40). С. 76-89.
6. Mindubaev A.Z. Mikroby-sanitary // Nauka i zhizn'. 2020. № 3. S. 28-32.
7. Mindubaev A.Z. Himiya prirodnaya i nepri-rodnaya: gde gran' i est' li ona? // Nacional'nye prioritety Rossii. 2021. № 1 (40). S. 76-89.
8. Jenrich R., Trompetter I., Bak S., Olsen C.E. [et al.]. Evolution of heteromeric nitrilase complexes in Poaceae with new functions in nitrile metabolism. PNAS. 2007. Vol. 104. No. 47. P. 18848-18853.
9. Rodgers P.B. Cyanide Metabolism and P-Cyanoalanine Formation by Washed, Non-proliferating Cultures of Chromobacterium violaceum: Studies with Radiolabelled Cyanide. Journal of General Microbiology. 1982. Vol. 128. No. 12. P. 2983-2989.
10. Aoki K., Uemori T., Shinke R., Ishira H.N. Further Characterization of Bacterial Production of Anthranilic Acid from Aniline. Agric. Biol. Chem. 1985. Vol. 49. No. 4. P. 1151-1158.
11. Arora P.K. Bacterial degradation of monocyclic aromatic amines. Front. Microbiol. 2015. Vol. 6. No. 820.
P. 1-14.
12. Смит В.А., Бочков А.Ф., Кейпл Р. Органиче- 12. Smit V.A., Bochkov A.F., Kejpl R. Organich-ский синтез. Наука и искусство. М.:Мир. 2001. 573 с. eskij sintez. Nauka i iskusstvo. M.: Mir. 2001. 573 s.
13. Strobel G., Knighton B., Kluck K., Ren Y. [et al.]. The production of myco-diesel hydrocarbons and their derivatives by the endophytic fungus Gliocladium roseum (NRRL 50072). Microbiology. 2008. Vol. 154. No. 11. P. 3319-3328.
14. Snyder R., Hedli C.C. An Overview of Benzene Metabolism. Environmental Health Perspectives. 1996. Vol. 104. No. 6. P. 1165-1171.
15. Choi Y., Jeon J., Choi Y., Kim S.D. Characterizing biotransformation products and pathways of the flame retardant triphenyl phosphate in Daphnia magna using non-target screening. Sci Total Environ. 2020. Vol. 708. No. 135106.
16. Valkova N., Lepine F., Valeanu L., Dupont M. [et al.]. Hydrolysis of 4-Hydroxybenzoic Acid Esters (Parabens) and Their Aerobic Transformation into Phenol by the Resistant Enterobacter cloacae Strain EM // Applied And Environmental Microbiology. 2001. Vol. 67. No. 6. P. 2404-2409.
17. Миндубаев А.З. Микроорганизмы деструкто- 17. Mindubaev A.Z. Mikroorganizmy ры и их роль в очистке природных сред (обзор) // Жи- destruktory i ih rol' v ochistke prirodnyh sred (obzor) // вые и биокосные системы. 2020. № 31. С. 1-20. Zhivye i biokosnye sistemy. 2020. № 31. S. 1-20.
18. Lee T.K., Hsiao H.-y. Synthesis of L-tyrosine by a coupled reaction of serine hydroxymethyltransferase and P-tyrosinase // Enzyme and Microbial Technology. 1986. Vol. 8. No. 9. P. 523-526.
19. Strack D., Vogt T., Schliemann W. Recent advances in betalain research // Phytochemistry. 2003. Vol. 62. No. 3. P. 247-269.
20. Novotna J., Honzatko A., Bednar P., Kopecky J. [et al.]. L-3,4-Dihydroxyphenyl alanine-extradiol cleavage is followed by intramolecular cyclization in lincomycin biosynthesis // Eur. J. Biochem. 2004. Vol. 271. No. 18. P. 3678-3683.
21. Vogt T. Phenylpropanoid Biosynthesis // Molecular Plant. 2010.Vol. 3. No. 1. P. 2-20.
22. Chouhan S., Sharma K., Zha J., Guleria S., Koffas M.A.G. Recent Advances in the Recombinant Biosynthesis of Polyphenols // Front. Microbiol. 2017. Vol. 8. No. 2259. P. 1-16.
23. OnoE., Fukuchi-Mizutani M., Nakamura N., Fukui Y. [et al.]. Yellow flowers generated by expression of the aurone biosynthetic pathway // PNAS, 2006. Vol. 103. No. 29. P. 11075-11080.
24. Liberti D., Alfieri M.L., Monti D.M., Panzella L., Napolitano A. A Melanin-Related Phenolic Polymer with Potent Photoprotective and Antioxidant Activities for Dermo-Cosmetic Applications // Antioxidants. 2020. Vol. 9. No. 270. P. 1-14.
25. McCoy D.E., Feo T., T.A. Harvey, Prum R.O. Structural absorption by barbule microstructures of super black bird of paradise feathers // Nature Communications. 2018. Vol. 9. No. 1. P. 1-8.
26. Wakimoto T., Abe I. Labile natural products // Med. Chem. Commun. 2012. Vol. 3. No. 8. P. 866-870.
27. RobertsN.B., Curtis S.A., Milan A.M., Ranganath L.R. The Pigment in Alkaptonuria Relationship to Melanin and Other Coloured Substances: A Review of Metabolism, Composition and Chemical Analysis // JIMD Reports. 2015. Vol. 24. P. 51-66.
28. Shamim G., Ranjan S.K., Pandey D.M., Ramani R. Biochemistry and biosynthesis of insect pigments // Eur. J. Entomol. 2014. Vol. 111. No. 2. P. 149-164.
29. Oba Y., Kato S., Ojika M., Inouye S. Biosynthesis of coelenterazine in the deep-sea copepod, Metridiapacifi-ca // Biochemical and Biophysical Research Communications. 2009. Vol. 390. No. 3 P. 684-688.
30. Pizarro L., Stange C. Light-dependent regulation of carotenoid biosynthesis in plants // Cien. Inv. Agr. 2009. Vol. 36. No. 2. P. 143-162.
31. Mach J. Phytol from Degradation of Chlorophyll Feeds Biosynthesis of Tocopherols // The Plant Cell. 2015. Vol. 27. No. 2676. P. 1.
32. HausingerR.P. New Insights into Acetone metabolism // J Bacteriol. 2007. Vol. 189. No. 3. P. 671-673.
33. DellaPenna D., Pogson B.J. Vitamin Synthesis in Plants: Tocopherols and Carotenoids // Annu. Rev. Plant. Biol. 2006. Vol. 57. P. 711-738.
34. Cociancich S., Pesic A., Petras D., Uhlmann S. [et al.]. The gyrase inhibitor albicidin consists of p-aminobenzoic acids and cyanoalanine // Nature chemical biology. 2015. Vol. 11. No. 3. P. 195-199.
35. Lin H. S-adenosylmethionine-dependent alkylation reactions: When are radical reactions used? // Bioorg Chem. 2011. Vol. 39. No. 5-6. P. 161-170.
36. OsterhoutR.E., Burgard A.P., Pharkya P., Burk M.J. Microorganisms and methods for the biosynthesis of ar-omatics, 2,4-pentadienoate and 1,3-butadiene // Patent US 2012/0021478 A1. 2012. 130 p.
37. Kobayashi S., Uyama H., Kimura S. Enzymatic Polymerization // Chem. Rev. 2001. Vol. 101. No. 12. P. 3793-3818.
38. Kong P., Liu P., Ge Zh., Tan H. [et al.]. Conjugated HCl-doped polyaniline for photocatalytic oxidative coupling of amines under visible light // Catal. Sci. Technol. 2019. Vol. 9. P. 753-761.
39. Itoh N., Morinaga N., Kouzai T. Oxidation of aniline to nitrobenzene by nonheme bromoperoxidase // Biochem Mol Biol Int. 1993. Vol. 29. No. 4. P. 785-791.
40. Durchschein K., Hall M., Faber K. Unusual reactions mediated by FMN-dependent ene- and nitro-reductases // Green Chem. 2013. Vol. 15. No. 7. P. 1764-1772.
Антон Зуфарович Миндубаев — кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанского научного центра РАН; mindubaev-az@yandex.ru.
Anton Zufarovich Mindubaev — Cand. Sc.{Chemistry}, S.R. at Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences; mindubaev-az@yandex.ru.
Статья поступила в редакцию 28.10.2021 г.
