Характеристика основного компонента экстремального галофильного сообщества из кристаллов соли озера Аликес - перспективного продуцента каротиноидов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 579.64

К. А. Кошкарева*, С. В. Калёнов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, 9 *e-mail: kirakoshkareva@gmail.com

ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНОГО КОМПОНЕНТА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ГАЛОФИЛЬНОГО СООБЩЕСТВА ИЗ КРИСТАЛЛОВ СОЛИ ОЗЕРА АЛИКЕС -ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРОДУЦЕНТА КАРОТИНОИДОВ

Из соли озера Аликес (остров Кос, Греция) выделено экстремальное галофильное микробное сообщество. Доминирующий компонент сообщества, наиболее устойчивый к внешним воздействиям, был выделен и идентифицирован как представитель архейного рода На1огиЬгит; исследовано влияние различных факторов среды на содержание С50 - каротиноидов.

Ключевые слова: каротиноиды, галофильные археи, галофильные сообщества.

Экосистемы с высоким содержанием хлорида натрия в среде считаются одними из самых экстремальных сред на планете. Несмотря на это, они являются местом обитания для разнообразных микроорганизмов, адаптировавшихся к жизни в гиперосмотических условиях. Представители всех трех царств - археи, бактерии и эукариоты, -составляют многочисленные галофильные сообщества, живущие в насыщенных соляных растворах. В водоемах с концентрацией соли 200250 г/л преобладают архейные микроорганизмы, относящиеся к экстремальным галофилам по классификации Кашнера, представляющие особый интерес для исследователей. Галофильные археи обладают уникальными механизмами,

позволяющими им пережить экстремальные условия, связанные не только с высокой концентрацией хлорида натрия, но и опасным уровнем солнечной радиации, значительными температурными скачками, недостатком кислорода, азота и источников углерода в среде. Это обусловлено особыми ферментативными системами, адаптированными к подобным условиям, а также компонентами клеточной мембраны, такими, например, как ретиналь-содержащий белок бактериородопсин и С50-каротиноиды.

Каротиноиды - это жирорастворимые пигменты, обуславливающие окраску объектов живой природы от желтого до оранжево-красного цвета, обнаруженные у многих представителей среди бактерий, водорослей, грибов и растений. Каротиноиды обладают высокой антиоксидантной активностью, которая проявляется в торможении процессов окисления липидов и предотвращении предраковых и возрастных повреждений клеточных мембран, радиационных поражений и сердечнососудистых заболеваний.

Большинство галофильных архей семейства НаЪЪа^епаееае ярко-красного цвета за счет красных мембран, которые состоят из каротиноидных пигментов. Основные их каротиноиды представлены С- 50 соединениями, преимущественно бактериоруберином и его

производными, включая

моноангидробактериоруберин и

бисангидробактериоруберин [1], [2]. Производные бактериоруберина защищают галофильных архей от деструктивного воздействия света видимого и УФ спектров и укрепляют клеточную мембрану. Бактериоруберин (содержащий 13 сопряженных двойных связей) устраняет гидроксильные радикалы гораздо эффективнее, чем ß-каротин (содержащий 11 сопряженных двойных связей). Благодаря этому высокое содержание сопряженных двойных связей в бактериоруберине наделяет его очень эффективными антиоксидантными свойствами. В дополнение к этому, бактериоруберин продуктивно взаимодействует in vivo с агентами, разрушающими ДНК, такими, как ионизирующее излучение и пероксид водорода [3], [4].

Объектом данного исследования является экстремальное галофильное сообщество, выделенное из кристаллов соли озера Аликес (о. Кос, Греция) методом накопительных культур. В качестве селективной использовалась среда для галофилов: 200 г/л NaCl, 20 г/л MgSO^^O, 3 г/л цитрата натрия, 2 г/л KCl, 2 г/л дрожжевого экстракта, 5 г/л триптона микробиологического, 3 мл/л глицерина. Культивирование осуществлялось при температуре 37-39 °С и интенсивном освещении. Последующий 16S рРНК-анализ выявил, что в сообществе присутствуют две культуры, Pseudomonas halophila, бактерия, и представитель р. Halorubrum, галофильный архей. После длительного хранения сообщества на агаризованной среде и значительной потери влаги выжил только один из компонентов, Halorubrum, который был определен как основной и изучался впоследствии. Представители данного вида зарекомендовали себя как перспективные источники C-50 каротиноидов. Исследуемый штамм также интересен с этой точки зрения; на это указывает первичный признак - окраска суспензии клеток.

Было проведено исследование факторов, влияющих на продуцирование каротиноидов. Наибольший вклад в содержание каротиноидов в биомассе вносит концентрация NaCl в среде и

наличие освещения; было установлено, что оптимум по хлориду натрия составляет 250 г/л, а освещения -500 лк. Это связано с тем, что каротиноиды являются защитным механизмом, а, следовательно, их концентрация в клеточных мембранах будет расти с появлением факторов стресса, таких, как избыточное УФ-излучение и повышенные концентрации соли.

Также проведена первичная оптимизация питательной среды с целью выявления степени влияния ее компонентов на содержание каротиноидов. За основу была взята среда для галофилов, состав которой указан выше. Оптимизация проводилась с использованием метода Плаккета-Бермана, который относится к статистическим методам планирования

экспериментов. В качестве выходной переменной (отклика) использовали оптическую плотность ацетонового экстракта биомассы при 495 нм, прямо пропорциональную концентрации

бактериоруберина. Культивирование проводилось в течение 10 суток на качалке 180 об/мин в термостате при температуре 38°С, освещении 500 Лк. Варьировались все компоненты среды, кроме №С1 (250 г/л). В результате опытов было установлено,

что при минимальном содержании органических компонентов в среде (триптон - 1 г/л, дрожжевой экстракт - 1 г/л) штамм продуцирует большее количество каротиноидов. Также большое влияние оказывает хлорид кальция. Для дальнейшего изучения и получения окончательного уравнения регрессии необходимо использовать центральное композиционное планирование.

На продуцирование каротиноидов у исследуемого галофильного архейного

микроорганизма р. Halorubrum значительное влияние оказывает освещенность, внеклеточная концентрация №С1, а также недостаток органических веществ в среде. Это обусловлено тем, что выработка каротиноидов у экстремофилов в природе есть защитная реакция на стрессовые внешние воздействия, каковыми являются опасный уровень солнечной радиации, недостаток влаги (а, следовательно, гиперосмотические условия), снижение концентрации питательных веществ. Управление этими факторами позволит достичь у изучаемой культуры высоких показателей по каротиноидам, чего можно достичь при дальнейшей оптимизации с использованием центральных композиционных планов.

Кошкарева Кира Александровна, студент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Калёнов Сергей Владимирович, к. т. н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Kelly M., Norgard S., Liaaen-Jensen S. Bacterial carotenoids. 31. C50-carotenoids 5. Carotenoids of Halobacterium salinarium, especially bacterioruberin. // Acta Chemica Scandinavica. 1970.Vol. 24. P. 2169-2182.

2. Kushwaha S., Kramer J., Kates M. Isolation and characterization of C50-carotenoid pigments and other polar isoprenoids from Halobacterium cutirubrum //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)/Lipids and Lipid Metabolism.1975. Vol. 398. P.303-314.

3. Lazrak T., Wolff G., Albrecht A. Bacterioruberins reinforce reconstituted Halobacterium lipid membranes // BBA/Biomembranes.1988.Vol. 939. P. 160-162.

4. Fang C. Influence of nutritive factors on C 50 carotenoids production by Haloferax mediterranei ATCC 33500 with two-stage cultivation // Bioresource technology. 2010. Vol. 101.P. 6487-6493.

Koshkareva Kira Alexandrovna*, Kalenov Sergei Vladimirovich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

*e-mail: kirakoshkareva@gmail.com

CHARACTERIZATION OF THE MAIN COMPONENT OF EXTREME HALOPHILIC COMMUNITY OF SALT CRYSTALS PROCESSED FROM ALYKES LAKE, A PROSPECTIVE CAROTINOIDS PRODUCER

Abstract

Extreme halophilic microbial community was isolated from salt crystals of Alykes lake, Kos island, Greece. Dominant component identified as a representative of Halorubrum spp.; the influence of different factors on C50-carotinoids producing was investigated.

Keywords: extreme halophilic archaea, carotenoids, extreme halophiles.