Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН изучили каротиноиды бактерий рода Methylomonas. Исследование демонстрирует, что эти микроорганизмы, питающиеся метаном, способны эффективно синтезировать разнообразные каротиноиды. Такая способность делает бактерий Methylomonas перспективными кандидатами для биотехнологического производства этих ценных антиоксидантов, которые в нашем организме становятся предшественниками витамина А, снижают риск некоторых нарушений зрения и защищают наши клетки от свободных радикалов. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Microorganisms. Исследование проводилось в рамках проекта ФНТП развития генетических технологий, который ФИЦ Биотехнологии РАН реализует под эгидой национального проекта «Наука и университеты».
К
аротиноиды — это природные пигменты (красители), известные своими яркими цветами — от желтого до красного. Эти соединения отвечают за оттенки множества растений и других живых организмов — от моркови и помидоров до грибов и кораллов. Кроме того, каротиноиды обладают мощными антиоксидантными свойствами: они помогают защищать мозг от повреждений свободными радикалами, могут снизить риск катаракты и деградации желтого пятна на сетчатке, а также других заболеваний. Неудивительно, что эти соединения широко используются в промышленности для создания пищевых красителей, биодобавок и кормов для животных. Исследователи из лаборатории молекулярной экологии и филогеномики бактерий ФИЦ Биотехнологии РАН изучили способность бактерий рода Methylomonas производить эти ценные вещества.
«Нам уже известно 179 бактерий, способных стать источником каротиноидов. Однако ярко окрашенных бактерий, которые потенциально могут вырабатывать эти пигменты, намного больше. Среди них есть аэробные метанотрофы — то есть, бактерии, живущие кислородной среде и при этом использующие метан как единственный источник энергии. Эта уникальная способность позволяет выращивать их в больших масштабах на природном газе или метане», — рассказывает Игорь Ошкин, первый автор научной статьи, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной экологии и филогеномики бактерий ФИЦ Биотехнологии РАН.
Ученые проанализировали геномы пяти штаммов рода Methylomonas, пигментация которых варьировала от белой и желтой до оранжевой и красной, и обнаружили каротиноиды, которые производят эти бактерии. Геномы изученных штаммов Methylomonas варьировали по размеру от 4,59 до 5,45 млн. пар оснований («букв» в генетической последовательности) и содержали от 4201 до 4735 генов, кодирующих различные белки. В прочитанных геномах биологи искали гены, кодирующие биосинтез каротиноидов. Затем то же самое проделали с 35 доступными в специальной электронной базе GenBank геномами других бактерий из того же рода. Геномы всех пигментированных штаммов содержали гены, необходимые для синтеза 4,4′-диаполикопин-4,4′-диоевой кислоты — одного из звеньев цепочки биосинтеза каротиноида C30.
У единственного непигментированного представителя этого рода — Methylomonas montana MW1T — отсутствовал ген crtN, необходимый для синтеза каротиноидов. Почти все штаммы обладали ферментами фитоендесатуразами, что объясняло их способность к синтезу ликопина — полезного для человека антиоксиданта, который содержится в том числе и в помидорах. Ученые обнаружили среди каротиноидов ярко окрашенных штаммов фракцию C30, состоящую преимущественно из 4,4′-диаполикопин-4,4′-диоевой и 4,4′-диаполикопиновой кислот, а также фракцию C40, основным компонентом которой являлся 1,1’-дигидрокси-3,4-дидегидроликопин.
«Наши результаты свидетельствуют о том, что представители рода Methylomonas могут в перспективе использоваться для промышленного производства природных каротиноидов C30 и C40. Это открывает новые возможности для устойчивого производства кормовых белка, обогащенного каротиноидами, используя метан или природный газ в качестве источника углерода и энергии. Благодаря тому, что мы прочитали и собрали в высоком качестве геномы Methylomonas, можно найти оптимальный способ синтеза каротиноидов в этих бактериях», — отмечает Игорь Ошкин.