ANAEROBIC ENZYME SYSTEM, REDUCING METHACRYLATE
Authors: Архипова О.В. 
Published: September 2024

В период расцвета биоэнергетики во второй половине XX века было показано, что многие анаэробные бактерии способны получать энергию (т.е. синтезировать «энергетическую валюту клетки» – АТФ) в результате работы электрон-транспортных цепей (ЭТЦ), компоненты которых находятся в мембране бактерий. В настоящее время представление об анаэробном дыхании бактерий можно получить даже в школьном курсе биологии. Этот процесс аналогичен функционированию ЭТЦ митохондрий в клетках аэробных эукариот. Основное отличие ЭТЦ анаэробных бактерий от ЭТЦ митохондрий состоит в использовании в качестве терминального акцептора электронов вместо O2 таких соединений, как, например, нитрат, нитрит, сера, трёхвалентное железо, углекислый газ или сульфат. Все упомянутые соединения природного происхождения. Вместе с тем, к началу XXI века появились сведения об уникальном типе анаэробного дыхания, когда в качестве терминального акцептора электронов анаэробная бактерия использует синтетическое (неприродное) соединение метакрилат. Метакрилат (2-метилпропеноат) – токсичное соединение, крупнотоннажное производство которого было налажено во второй половине XX века для изготовления лаков, красок, резин и пластмасс, присутствует в отходах таких производств. Необычная анаэробная бактерия Geobacter sulfurreduces AM-1, использующая в качестве терминального акцептора электронов метакрилат, была получена в чистую культуру сотрудниками Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г.К. Скрябина. Очевидно, что изучение метакрилатного типа дыхания у G. sulfurreduces AM-1 имеет фундаментальное (новый процесс) и практическое (трансформация токсичного соединения) значение. В настоящей публикации представлена работа по исследованию уникального ферментного комплекса, впервые обнаруженного у G. sulfurreduces AM-1. Он состоит их двух имеющих окраску белков, локализуется вблизи поверхности прокариотической клетки – в периплазме, осуществляет трансформацию токсичного синтетического соединения метакрилата. Для G. sulfurreduces AM-1 секвенирован и собран геном, в котором выявлены гены mrd и mcc, кодирующие компоненты метакрилатной редокс системы. Кроме того, обнаружены еще несколько бактерий, в геномах которых имеются гены-гомологи компонентов ферментной системы, восстанавливающей метакрилат. Для бактерий Anaeromyxobacter dehalogenans 2CP-1 и Denitrovibrio acetiphilus DSM 12809 впервые показана метакрилатвосстанавливающая активность. Обсуждаются вопросы созревания обоих периплазматических белков, катализа, перспективы дальнейших исследований. Подчеркивается значимость подобных исследований для биоремедиации окружающей среды.

During the heyday of bioenergy in the second half of the 20th century, it was shown that many anaerobic bacteria are able to receive energy (ie, synthesize the "energy currency of the cell" – ATP) as a result of the work of electron transport chains (ETC), the components of which are located in the bacterial membrane. Currently, an idea of the anaerobic respiration of bacteria can be obtained even in a school biology course. This process is similar to the functioning of mitochondrial ETC in aerobic eukaryotic cells. The main difference between the ETC of anaerobic bacteria and the ETC of mitochondria is the use of such compounds as, for example, nitrate, nitrite, sulfur, ferric iron, carbon dioxide or sulfate as a terminal electron acceptor instead of O2. All mentioned compounds are of natural origin. However,by the beginning of the 21st century, information appeared about a unique type of anaerobic respiration, when an anaerobic bacterium uses a synthetic (unnatural) compound methacrylate as a terminal electron acceptor. Methacrylate (2-methylpropenoate) is a toxic compound, large-scale production of which was established in the second half of the 20th century for the manufacture of varnishes, paints, rubbers and plastics, is present in the waste of such industries. An unusual anaerobic bacterium Geobacter sulfurreduces AM-1, using methacrylate as a terminal electron acceptor, was obtained in pure culture by the staff of the Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms. Obviously, the study of the methacrylate type of respiration in G. sulfurreduces AM-1 is of fundamental (new process) and practical (transformation of a toxic compound) significance. The work carried out by employees of the Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms on the study of a unique enzyme complex, first discovered in the anaerobic bacterium Geobacter sulfurreduces AM-1, is presented. It consists of two colored proteins, localized near the surface of a prokaryotic cell - in the periplasm, and transforms the toxic synthetic methacrylate compound. The genome of G. sulfurreduces AM-1 is sequenced and assembled, and genes mrd and mcc, encoding the components of the methacrylate redox system, are identified. In addition, several more bacteria were discovered in the genomes of which there are homologous genes of the components of the enzyme system that restores methacrylate. For bacteria Anaeromyxobacter dehalogenans 2CP-1 and Denitrovibrio acetiphilus DSM 12809, methacrylate-reducing activity was first shown. Maturation and catalysis of the both periplasmic proteins and prospects for further research are discussed. The importance of such studies for environmental bioremediation is emphasized.