Глик, Пастернак - Молекулярная биотехнология - 2002 (947307), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Предпринимаются попытки поощрять те предприятия, которые перерабатывают отходы производства и повторно используют содержащиеся в них полезные вещества. Употребляемый нами здесь термин «биоде- градация» относится к процессу разрушения отходов, попавших в окружающую среду, с помощью живых микроорганизмов, а термин «биомасс໠— ко всей совокупности веществ и материалов — побочных продуктов пищевой и перерабатывающей промышленности, — которые раныпе считались отходами, а теперь могут служить сырьем для производства многих экономически важных продуктов.
Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов Проблема утилизации токсичных отходов сейчас стоит очень остро. В 1985 г. мировое производство лишь одного из загрязняющих окружающую среду химических веществ, пентахлорфенола, составило более 50 000 т. Раныпе токсичные вещества разрушали, сжигая их или обрабатывая другими химикатами, однако это тоже приводило к загрязнению окружающей среды, а кроме того, обхолилось очень дорого. В серелине 1960-х гп были обнаружены почвенные микроорганизмы, способные к дегр дании ксенобиотиков (неприролных, синтетических химических веществ; от греч.
хелоь, чужой) — гербицидов, пестицидов, хладагентов, растворителей и т. д. Это открытие полтвердило правильность прелположения о том, что микроорганизмы можно использовать для экономичного и эффективного разрушения токсичных химических отходов. Основнуго группу почвенных микроорганизлюв, разрушающих ксенобиотики, составляют бактерии рода Рзеийотопак Биохимические исслепования показали, что разные пггаммы Рзеиг)отопатспособны расщеплять более 1ОО органических соепинений. Нередко один штамм использует в качестве источника углерода несколько родственных соединений. В биолеградации сложной органической молекулы обычно участвуют несколько разных ферментов. Колируюглие их гены могут иметь хромосомную локализацию, но чагце входят в состав крупных (50 — 200 т.
и. н.) плазмнд (табл. 13.1), а 27б ГЛАВА 13 ! облила lЗ. й Нлазмиды Руси»»од»саду, их размер и сослиисния, за разрушение которых»яветсупснны кодирусмыс ими Ферменты" Пдазмидаз' датрддирусмпс саедиаеиие Размер игмзмиды, т. и. и. ЬЛ!. 8Лк 8ЛЬ ЧО1 р» Р! Садипилат Салииидат Садипилат Ксилсд и тслуал 2,4-дих.юрфсисксиуксусиаа кис!!ма 2,4-пихлорфсисксиуксуспап кислота бб 72 83 113 87 р»Р2 78 РЗ РЗ 2,4-гтихдорфсиоксиуксусиаа кислота Камймра К«идол 225 15 108 102 176 бч 135 СЛМ ХУ1. РЛСМ РЛС25 р»нч о л»лн ху»;к 3.5-дпхдорбсизпат 3-хлсрбситоат Ксилод и тсдуоп Нафта.!ии Ксигмл и тодуод '1 Игр«боги Соо, Кпгатпт, Лж.
Лрр!. Д!апгбг«! Збг 1 бб, 1991, с пзмапаппами. ' п.гымми а аппп«к««им па каппам ксмгрукп фариапта пммгп и . «1 и ма кззхг»гпггп«аскпг и пупа, хсга мыуг сии, пслу«апи а разных габсразпрпах и имап, рагима размари. иногда обнаруживаются как в хромосомной, так и и плазмидной ДНК. Бактерии, разрушающие пегалогенированные ароматические соединения, как правило, превращают их в катехол (рпс. ! 3.1) или протокатехоат (рис. 13.2), а затем, в холе нескольких реакций окислительного расщепления, — в ацетил-СоЛ и сукцинат (рис. 13.3) или пируват и ацетальдегид (ри»х ! 3.4).
Эти »юслелнис соединения метаболизируютсн практически всеми микроорганизмами. Галогенированные ароматические соединения, основные компоненты большинства псстипидов и гербицидов, с помощью тех же ферментов разрушаются ло катехола, протокатехоата, гидрохннона или их галогенированных производных, причем скорость их деградации обратно пропорциональна числу атомов галогена в исходном соединении.
Де»ало»енирование (опцепление замещающего атома галогена от органической молекулы), необходимое лля 7»етоксикации соединения, часто осушествляетсн в холе неспешп)гической диокси»еназной реакции, путем замещения галогспа в бензольнол» кольце, на гидроксильную группу. Эта реакпия люжет происходить как в ходе биодеградапии исходного галогенированного соединения, так и потом.
Метаболические пути биодеградапии ксенобиотиков, созданные методами генной инженерии Некоторые микроорганизмы облвдакп природной способностью к де»радации различных ксенобиотиков, однако слелует иметь в виду, ч»о: 1) ни один из них не может разрушать все органические соединения» 2) некоторые органические соединения в высокой конпентрации подавляют функционирование или рост леградирующих их микроорганизмов; 3) большинство очагов загрязнения содержит смесь химикатов, и микроорганизм, способный разрушать олин или несколько ее компонентов, может инак-гнвироваться другими компонентами; 4) многие неполярные соединения адсорбируюзся частицами почвы и становятся менее доступными; 5) биодсградация органических соединений часто происхолит довольно медленно.
Часов этих проблем можно решить, осуществив коньюгационный перенос плазмид, которые копируют ферменты разных катаболических путей, в олин реципиентный штамм (рис. !35). Если лве плазмиды содержат. гомологичные участки, то между нилы может произойти рекомбинацня с образованием гибридной плазмиды, которая имеет большии размер и облалист свойствами исходных плазмнв. Если же лве плазмиды не сопержат гомологичных участков и относятся к разным группам несовместимости, зо опи мо».ут сосуществовать в одной бактерии. Перенос и убсзд!ид В 1970-х гг. Чакрабарти и его коллегами был созлап первый бактернальнь»й штамм, обладающий более »нирокими катаболическил»и возможностями. Он расщеплял большинство углеводородов НЕфтИ И бЬ»Л НаЗВаН «СунербацИЛЛОйам ДЛя ЕГО получения использошсли плазмилы, каждан из которых колировала фермент, расщепляющий определенный класс уулеводоролов: плазмида СЛМ детерминировала негр ьзацию камфары, ОСТ вЂ” октана, !4ЛН вЂ” нафталина, Х т'1 — ксилола (рис.
13.5). Сна »ала путем конъюгации пере- Ьиодсгралация и утилизация биомассы 277 СНОН вЂ” СООН СН Б-ианлелат уолуол СН СННН СООН Б -трио юфан ~ат Бензнлавыя спирт са СО СН7 СНЙНз СООН ННСНО ензагьлепш Формнлкянуреннн СΠ— СНз — СНННз — СООН Е-кннуреннн Бснзоат МНз ОН ОН Лнтранялат Салнцилат 0 Фецол Бензол Рис. ИЛ. Пути 4ерментативного преврагцсния ароматических соединений в катсхол бактериями, разруцгакггци- ни ксенобиотикп.
278 ГЛАВА 13 со — соон сн сно ОН СООН и-Толтщ он л-Гидроксибензальдеп1д 1Пикнмат СООН соон Бснзоат О он РН л-Гндроксибензоат 5-дсгндрошикимат СООН и-Гидрокснбензоат Ванилат ОН Протокатехоат Рис. 13.2. Пути ферментативного превращении ароматических соединений а протокатехоат бактсриими, разру- ндакпцими ксенобиотики. он л-Гидроксибензоилформат ОН л-Гидрокси-1 манделат он он Хынат ОН 4-оксоааипатеноллактон атил-Сол СоА Сукнинат Рис. 13.3. Путь орте-расщепления при ферментативном превращении катехола и протокатекоата в ацетил-СоА и сукцинат. несли плазмиду САМ в штамм, несущий плазмиду ОСТ.
Эти две плазмнды несовместимы (не могут существовать в одной клетке в виде отлельных плазмидХ но в результ.ате происходяшей между ними рекомбинации образуется одна плазмида, объединяющая их функции. Затем аналогичным путем плазмиду ХАН перенесли в штамм, несущий пдазмнду Х тЬ. Эти плазмнды совместимы и могут сосуществовать в одной Биодсградация и утилизация биомассы 279 клетке-хозяине.
И наконец, гибридную плазмиду перенесли в штамм, несущий плазмнды ХАН и Х т'Ь. В результате всех этих манипуляций получили штамм, который растет на неочищенной нефти лучше исходных ппаммов, взятых по отдельности или вместе. Хотя сам этот штамм не использовали для ликвидации нефтяных загрязнений, он сыграл важную роль в становлении биотехнологиче- 280 1 ЛАВА 13 Кат ехол Прогокатсхоат ноос он сно 2-гидроксинукоггован кнслога З-гидроксиполувльдегнд н,о Нло нсоон НСООН НООС Сф О с с' !! ! СН~ СООН нс.-с%С о !! ! н,с соон Оксопеита-4-еноат Карбоксипентеноат н,о Н,О сн, нсон с~~ ! ! СН, СООН ноос СН2 о СОН СФ ! ! сн соон Оксовалер и Оксовалсрат 1 Пнруват 11ируват Е Аисюльдегид ской промышленности. Изобретатель всуцербациллыг> получил патент США, описывающия структуру данного штамма и возможности его применения.
Это был первый патент, выданный за создание генетически модифицированного микроорганизма и подтвержденный Верховным судом США„который проиллюстрировал, что бнотехнологические компании могут зашищать Рнс. 13.4. Путь лгегпа-расгдепленив при фср- монгативноч преврашении кагсхола и прото- катехоатл в пируват и ацетальдепгд. свои изобретения точно так же, как химические и фармацевтические. Болшпинство разрушакнпих ксенобиотики бактерий, модифицированных путем переноса плазмид, являются мезофильными микроорганизмами (хорошо растут при 20 — 40 С), а температура воды в загрязненных реках, озерах и океанах обычно лежит в диапазоне от 0 до 20 'С.
Виоле! ралапия и утилизация биомассы 28! Плл шнлл ХУЕ Плазм ила ОСТ Плвзмнлв !ЧЛЛ! л Плззчнлз СЛМ Слаензн- Гхрешн- ваннс Штамм С Шзллллл! В ц!твмл~ Л Шгачч О Рекечбннллнл ллвзмил Плкзмнлв ХУЕ Плвзмлсш ЫЛ1! Плвзчнлз СЛМ!/ОСТ Скрешззввн не Штамм Е г!!тзчч Г Пллзчнлв ХУ1 Плазмнла !ЧЛП Пзмзчнлв СЛМУОСТ Шззмн О Чтобы проверить, можно ли созлать бактерию, обладающую более широкими катаболическими возможностями и в то же время способную расти и развиваться при низких температурах, плазмиду ТО! (детерминирует разрушение толуола) мезофильного штамча Рзеиг(столах риг(г(а перенесли с помощью коньюгации в психрофильный (с низким температурных! оптимумом) штамлз, утилизируюший салицилат при температуре, близкой к О 'С.
Трансформированный штамм содержал введенную в него плазмиду ТОЕ и собственную илазыиду ЯЛ), детерминирующукз разрушение сали!!плата, и был способен утилизировать как салицилат, так и толуол в качестве единственного источника упзерода при 0'С (табл. ! 3.2). Исихрофильный штамм дикого ти- па (нетрансформированный) не мог расти при любой телзпературе, если единственным источником углерода был толуол (толуат).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
