Молекулярно-генетический и функциональный анализ генов бактерий рода Rhodococcus, кодирующих синтез алкан-1-монооксигеназ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выявлены особенности в организации и локализации генов alkB и кодируемых ими алкан-1-моноксигеназ у бактерий рода Rhodococcus. Установлено, что для всех представителей одной филогенетической группы характерен определенный тип генов alkB (тип alkB1 в составе оперонов, содержащих гены, кодирующие рубредоксины, рубредоксинредуктазу и регуляторный белок, и/или тип alkB2 в составе оперонов без гена, кодирующего рубредоксинредуктазу, и дополнительно отдельно локализованные детерминанты типа alkB3‒alkB8). Гены alkB1-типа присутствовали в хромосомах бактерий групп B1 (R. aetherivorans, R. ruber), С (R. opacus, R. jostii, R. wratislaviensis, R. koreensis), D (R. erythropolis, R. qingshengii), G (R. triatomae) и E (R. fascians). Гены alkB2-типа находились в строго определенных локусах хромосом бактерий филогенетических групп А (R. hoagii/R. equi), В2 (R. coprophilus, R. pyridinivorans, R. rhodochrous) и D (R. erythropolis, R. qingshengii). Отдельно локализованные гены alkB3‒alkB5 обнаруживались в хромосомах бактерий группы D (alkB5 только у представителей вида R. qingshengii), гены alkB6 – бактерий группы B1 и В2, гены alkB7‒alkB8 – бактерий группы Е. Белки, кодируемые генами alkB1 и alkB2, представлены тремя филогенетическими группами. Первая из них включала белки AlkB1-типа бактерий группы В1 и С, а также белки AlkB2-типа бактерий группы D и А; вторая – белки AlkB2-типа бактерий группы В2; третья ‒ белки AlkB1-типа бактерий группы G и D. Алкан-1-монооксигеназы, кодируемые отдельно локализованными генами alkB3‒alkB8, представлены тремя филогенетическими линиями: первая – AlkB3‒AlkB5, вторая – AlkB6 третья – AlkB7 и AlkB8. В геноме бактерий R. pyridinivorans 5Ар выявлены характерные для представителей группы В1 гены alkB2 и alkB6. Показано, что данные детерминанты необходимы для синтеза биоПАВ. У мутанта с нарушенным геном alkB2 эмульгирующая активность уменьшалась при 28 и 42°С, соответственно, в 16 и 3 раза, а количество содержащих трегалозу сурфактантов – в 7  и 3 раза. У мутанта с нарушенным геном alkB6 вне зависимости от температуры культивирования регистрировали снижение эмульгирующей активности в 1.2 раза и уменьшение синтеза содержащих трегалозу сурфактантов более чем в 2 раза. Полученные результаты свидетельствовали о ключевой роли гена alkB2 в синтезе биоПАВ при разных температурных режимах. В то же время роль гена alkB6 возрастала при температуре 42°С, что могло быть обусловлено его повышенной транскрипционной активностью.

Об авторах

А. А. Букляревич

Белорусский государственный университет

Email: ma_titok@bsu.by
Беларусь, 220030, Минск

А. С. Гуринович

Белорусский государственный университет

Email: ma_titok@bsu.by
Беларусь, 220030, Минск

А. Е. Филонов

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина, ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН

Email: ma_titok@bsu.by
Россия, 142290, Московская обл., Пущино

М. А. Титок

Белорусский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ma_titok@bsu.by
Беларусь, 220030, Минск

Список литературы

  1. Ратникова М.С., Титок М.А. Молекулярно-генетические маркеры для идентификации бактерий Rhodococcus erythropolis и Rhodococcus qingshengii // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 444–452.
  2. Ratnikova M.S., Titok M.A. Molecular genetic markers for identification of Rhodococcus erythropolis and Rhodococcus qingshengii // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 435‒442.
  3. Beilen J.B. van, Funhoff E.G. Alkane hydroxylases involved in microbial alkane degradation // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2007. V. 74. P. 13–21.
  4. Beilen J.B. van, Neuenschwander M., Smits T.H.M., Roth C., Balada S.B., Witholt B. Rubredoxins involved in alkane oxidation // J. Bacteriol. 2002. V. 184. P. 1722–1732.
  5. Ceniceros A., Dijkhuizen L., Petrusma M., Medema M.H. Genome-based exploration of the specialized metabolic capacities of the genus Rhodococcus // BMC Genomics. 2017. V. 18. P. 593.
  6. Chénier M.R., Beaumier D., Roy R., Driscoll B.T., Lawrence J.R., Greer C.W. Impact of seasonal variations and nutrient inputs on nitrogen cycling and degradation of hexadecane by replicated river biofilms // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V. 69. P. 5170–5177.
  7. Cooper D.G., Goldenberg B.G. Surface-Active agents from two Bacillus species // Appl. Environ. Microbiol. 1987. V. 53. P. 224–229.
  8. DuBois Michel., Gilles K.A., Hamilton J.K., Rebers P.A., Smith Fred. Colorimetric method for determination of sugars and related substances // Anal. Chem. 1956. V. 28. P. 350–356.
  9. Eras-Muñoz E., Farré A., Sánchez A., Font X., Gea T. Microbial biosurfactants: a review of recent environmental applications // Bioengineered. 2022. V. 13. P. 12365–12391.
  10. Geize R. van der, Hessels G.I., Gerwen R. van, Meijden P. van der, Dijkhuizen L. Unmarked gene deletion mutagenesis of kstD, encoding 3-ketosteroid Delta1-dehydrogenase, in Rhodococcus erythropolis SQ1 using sacB as counter-selectable marker // FEMS Microbiol. Lett. 2001. V. 205. P. 197–202.
  11. Gürtler V., Mayall B.C., Seviour R. Can whole genome analysis refine the taxonomy of the genus Rhodococcus? // FEMS Microbiol. Rev. 2004. V. 28. P. 377–403.
  12. Inaba T., Tokumoto Y., Miyazaki Y., Inoue N., Maseda H., Nakajima-Kambe T., Uchiyama H., Nomura N. Analysis of genes for succinoyl trehalose lipid production and increasing production in Rhodococcus sp. strain SD-74 // Appl. Environ. Microbiol. 2013. V. 79. P. 7082–7090.
  13. Kim D., Choi K.Y., Yoo M., Zylstra G.J., Kim E. Biotechnological potential of Rhodococcus biodegradative pathways // Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 28. P. 1037–1051.
  14. Kügler J.H., Le Roes-Hill M., Syldatk C., Hausmann R. Surfactants tailored by the class Actinobacteria // Front. Microbiol. 2015. V. 6. Art. 212.
  15. Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis Version 7.0 for Bigger Datasets // Mol. Biol. Evol. 2016. V. 33. P. 1870–1874.
  16. Kuyukina M.S., Ivshina I.B. Rhodococcus biosurfactants: biosynthesis, properties, and potential applications // Biology of Rhodococcus, Microbiology Monographs / Ed. Alvarez H.M. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. P. 291–313.
  17. Kuyukina M.S., Ivshina I.B., Baeva T.A., Kochina O.A., Gein S.V., Chereshnev V.A. Trehalolipid biosurfactants from nonpathogenic Rhodococcus actinobacteria with diverse immunomodulatory activities // Biotechnol. 2015. V. 32. P. 559–568.
  18. Kuyukina M.S., Ivshina I.B., Philp J.C., Christofi N., Dunbar S.A., Ritchkova M.I. Recovery of Rhodococcus biosurfactants using methyl tertiary-butyl ether extraction // J. Microbiol. Methods. 2001. V. 46. P. 149–156.
  19. Larkin M.J., Kulakov L.A., Allen C.C.R. Biodegradation and Rhodococcus – masters of catabolic versatility // Curr. Opin. Biotechnol. 2005. V. 16. P. 282–290.
  20. Liu H., Xu J., Liang R., Liu J. Characterization of the medium- and long-chain n-alkanes degrading Pseudomonas aeruginosa strain SJTD-1 and its alkane hydroxylase genes // PLoS One. 2014. V. 9. P. e105506.
  21. Luong T.M., Ponamoreva O.N., Nechaeva I.A., Petrikov K.V., Delegan Ya.A., Surin A.K., Linklater D., Filonov A.E. Characterization of biosurfactants produced by the oil-degrading bacterium Rhodococcus erythropolis S67 at low temperature // J. Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 34. P. 20.
  22. Majidzadeh M., Fatahi-Bafghi M. Current taxonomy of Rhodococcus species and their role in infections // Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2018. V. 37. P. 2045–2062.
  23. Martínková L., Uhnáková B., Pátek M., Nesvera J., Kren V. Biodegradation potential of the genus Rhodococcus // Environ. Int. 2009. V. 35. P. 162–177.
  24. Metcalf W.W., Jiang W., Wanner B.L. Use of the rep technique for allele replacement to construct new Escherichia coli hosts for maintenance of R6K gamma origin plasmids at different copy numbers // Gene. 1994. V. 138. P. 1–7.
  25. Mutalik S.R., Vaidya B.K., Joshi R.M., Desai K.M., Nene S.N. Use of response surface optimization for the production of biosurfactant from Rhodococcus spp. MTCC 2574 // Bioresour. Technol. 2008. V. 99. P. 7875–7880.
  26. Nie Y., Chi C.-Q., Fang H., Liang J.-L., Lu S.-L., Lai G.-L., Tang Y.-Q., Wu X.-L. Diverse alkane hydroxylase genes in microorganisms and environments // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 4968.
  27. Pfaffl M.W. A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR // Nucleic Acids Res. 2001. V. 29. P. e45.
  28. Pirog T.P., Shevchuk T.A., Klimenko I.A. Intensification of surfactant synthesis in Rhodococcus erythropolis EK-1 cultivated on hexadecane // Appl. Biochem. Microbiol. 2010. V. 46. P. 651–658.
  29. Retamal-Morales G., Heine T., Tischler J.S., Erler B., Gröning J.A.D., Kaschabek S.R., Schlömann M., Levicán G., Tischler D. Draft genome sequence of Rhodococcus erythropolis B7g, a biosurfactant producing actinobacterium // J. Biotechnol. 2018. V. 280. P. 38–41.
  30. Riele H. te, Michel B., Ehrlich S.D. Single-stranded plasmid DNA in Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1986. V. 83. P. 2541–2545.
  31. Rojo F. Degradation of alkanes by bacteria // Environ. Microbiol. 2009. V. 11. P. 2477–2490.
  32. Rosa C.F.C. da, Freire D.M.G., Ferraz H.C. Biosurfactant microfoam: application in the removal of pollutants from soil // J. Environ. Chem. Engineer. 2015. V. 3. P. 89–94.
  33. Sangal V., Goodfellow M., Jones A.L., Schwalbe E.C., Blom J., Hoskisson P.A., Sutcliffe I.C. Next-generation systematics: an innovative approach to resolve the structure of complex prokaryotic taxa // Sci. Rep. 2016. V. 6. Art. 38392.
  34. Schäfer A., Tauch A., Jäger W., Kalinowski J., Thierbach G., Pühler A. Small mobilizable multi-purpose cloning vectors derived from the Escherichia coli plasmids pK18 and pK19: selection of defined deletions in the chromosome of Corynebacterium glutamicum // Gene. 1994. V. 145. P. 69–73.
  35. Schirmer A., Rude M.A., Li X., Popova E., Cardayre S.B. del Microbial biosynthesis of alkanes // Science. 2010. V. 329. P. 559–562.
  36. Shanklin J., Whittle E., Fox B.G. Eight histidine residues are catalytically essential in a membrane-associated iron enzyme, stearoyl-CoA desaturase, and are conserved in alkane hydroxylase and xylene monooxygenase // Biochemistry. 1994. V. 33. P. 12787–12794.
  37. Smits T.H., Röthlisberger M., Witholt B., Beilen J.B. van Molecular screening for alkane hydroxylase genes in Gram-negative and Gram-positive strains // Environ. Microbiol. 1999. V. 1. P. 307–317.
  38. Táncsics A., Benedek T., Szoboszlay S., Veres P.G., Farkas M., Máthé I., Márialigeti K., Kukolya J., Lányi S., Kriszt B. The detection and phylogenetic analysis of the alkane 1-monooxygenase gene of members of the genus Rhodococcus // Syst. Appl. Microbiol. 2015. V. 38. P. 1–7.
  39. Uchida Y., Tsuchiya R., Chino M., Hirano J., Tabuchi T. Extracellular accumulation of mono- and di-succinoyl trehalose lipids by a strain of Rhodococcus erythropolis grown on n-alkanes // Agricult. Biol. Chem. 1989. V. 53. P. 757–763.
  40. Uzoigwe C., Burgess J.G., Ennis C.J., Rahman P.K.S.M. Bioemulsifiers are not biosurfactants and require different screening approaches // Front. Microbiol. 2015. V. 6. Art. 245.
  41. Whyte L.G., Smits T.H.M., Labbé D., Witholt B., Greer C.W., van Beilen J.B. Gene cloning and characterization of multiple alkane hydroxylase systems in Rhodococcus strains Q15 and NRRL B-16531 // Appl. Environ Microbiol. 2002. V. 68. P. 5933–5942.
  42. Williams S.C., Austin R.N. An overview of the electron transfer proteins that activate alkane monooxygenase (AlkB) // Front. Microbiol. 2022. V. 13. Art. 845551.
  43. Wood E.J. Molecular Cloning. A Laboratory Manual Eds. Fritsch E.F., Sambrook J. New York: Cold Spring Harbor Laboratory, 1982. 545 р. ISBN 0-87969-136-0 // Biochemical Education. 1983. V. 11. № 2. P. 82–82.

Дополнительные файлы


© А.А. Букляревич, А.С. Гуринович, А.Е. Филонов, М.А. Титок, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах