НАБОР lux-БИОСЕНСОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНОТОКСИЧНЫХ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОГО ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА В СРЕДЕ
SET OF lux-BIOSENSORS FOR DETERMINING GENOTOXIC PRODUCTS OF INCOMPLETE OXIDATION OF UNSYMMETRICAL DIMETHYL HYDRAZINE IN ENVIRONMENT

Изобретение относится к оценке степени загрязнения окружающей среды несимметричным диметилгидразином (НДМГ) и генотоксичными продуктами его окисления, а также может быть использовано в исследованиях биологических объектов.
Известен способ определения НДМГ и продуктов его окисления в окружающей среде физико-химическими средствами [1-3]. Существо этого способа заключается в проведении фотометрического анализа продуктов распада НДМГ или высокоразрешающего хроматографического (газовая хроматография) разделения химических соединений с масс-спектрометрическим детектированием [1] и идентификации НДМГ и его продуктов распада с помощью методов ЯМР и инфракрасной спектроскопии [2]. Недостатком химических методов является необходимость использования дорогостоящей аппаратуры, а также сложность проведения анализа в связи с высокой нестабильностью НДМГ [3].
recA
В настоящее время широкое распространение для определения загрязнения окружающей среды токсичными веществами получили методы биотестирования с использованием lux-биосенсоров. Известны методы, основанные на тушении биолюминесценции токсикантами, в которых используется механизм ингибирующего действия ядовитых веществ на метаболизм клетки, в основном на дыхательную цепь, что опосредованно влияет на люциферазную реакцию, вызывая ослабление интенсивности биолюминесценции клеток. В этой серии методик, используемых в качестве экспресс-контроля токсичности природных сред, наибольшее распространение в странах Европы и в США получил т.н. «Микротокс» ("Microtox 5ТМ), в котором в качестве биосенсора используются лиофилизированные морские бактерии Photobacterium phosphoreum. В России в подобных тестах используется генно-инженерный штамм Escherichia coli, с генами lux-оперона морских люминесцирующих бактерий Photobacterium leiognathi («Эколюм-08») [4]. Недостатком метода является неспецифичность реакции и невысокая чувствительность. Для идентификации химического соединения, вызвавшего уменьшение интенсивности свечения клеток, требуется дополнительный анализ. Известно также обнаружение токсикантов с использованием lux-биосенсоров на основе бактерий Е.coli, содержащих плазмиды с lux-генами под контролем индуцируемых стрессовых промоторов [5]. Эти lux-биосенсоры, как указано в приведенном патенте США, были использованы для определения нитратов, фенолов, бензина и других токсикантов, но не использовались для обнаружения в среде НДМГ или продуктов его окисления. Для определения в среде НДМГ использовался набор lux-биосенсоров в патенте [6]. При использовании данного набора вклад в общую токсичность генотоксичных производных НДМГ мог быть оценен только по активации промотора бактериального SOS ответа - P, оставляя за скобками алкилирующие соединения, не останавливающие репликационную вилку.
НДМГ, являясь сильным восстановителем, при попадании в окружающую среду взаимодействует с атмосферным кислородом с образованием стабильных продуктов окисления, некоторые из которых являются генотоксичными [7, 8, 9]. Важной составляющей генотоксичности производных окисления НДМГ составляет алкилирующее соединение N-нитрозодиметиламин.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность осуществления быстрого, не требующего дорогой и сложной аппаратуры, как в стационарных, так и в полевых условиях, контроля за содержанием генотоксичных, в том числе алкилирующих, продуктов неполного окисления НДМГ в окружающей среде.
alkA
katG
soxS
recA
grpE
Для достижения этого результата предложено использовать набор lux-биосенсоров на основе бактерий Е.coli, содержащих гибридные плазмиды с lux-генами под контролем индуцируемых стрессовых промоторов P, P, P, P и P. В предложенном изобретении для определения генотоксичных продуктов неполного окисления НДМГ использована группа биосенсоров, обладающих свойством индукции (усиления) сигнала (биолюминесценции) клеток при воздействии токсикантом, а также высокой чувствительностью и специфичностью, так как определяется особенностью взаимодействия белка-рецептора (репрессора или активатора) с химическим соединением.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми графиками, где на фиг. 1 показана зависимость люминесценции от времени действия продуктов неполного окисления НДМГ (при фиксированной концентрации в пересчете на НДМГ) на биосенсор Е.coli pAlkA-lux. На фиг. 2 приведена зависимость величины эффекта (при оптимальном времени выдерживания образца) от концентрации продуктов неполного окисления НДМГ (НДМГ 7,5 мМ окислен различными концентрациями перекиси водорода), также для биосенсора Е.coli pAlkA-lux.
На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 показана реакция биосенсоров Е.coli pKatG-lux, Е.coli pSoxS-lux и E.coli pRecA-lux соответственно на продукты неполного окисления НДМГ атмосферным кислородом (в зависимости от времени действия).
AlkA
В процессе действия продуктов неполного окисления НДМГ на клетку происходит индукция биолюминесценции у биосенсоров Е.coli pAlkA-lux, Е.coli pKatG-lux, Е.coli pSoxS-lux и E.coli pRecA-lux, но не E.coli pGrpE-lux (поэтому данные для биосенсора PgrpE::lux не приводятся). Как видно из графиков, представленных на фиг. 1-5, при выдерживании проб с НДМГ и продуктами его неполного окисления наблюдается со временем значительное усиление (примерно в 10-100 раз) интенсивности биолюминесценции клеток - биосенсоров. На фиг. 2 приведена зависимость эффективности действия продуктов неполного окисления НДМГ от степени окисления НДМГ перекисью водорода для биосенсора с промотором P. Согласно данным масс-спектрометрического анализа при обработке НДМГ перекисью водорода возникает алкилирующее соединение N-нитрозодиметиламин [8]. Как видно из приведенных на фиг. 2 данных, амплитуда ответа биосенсора Е.coli pAlkA-lux зависит от количества алкилирующих соединений, возникающих при окислении НДМГ.
grpE
recA
AlkA
recA
AlkA
katG
soxS
katG
soxS
У бактерий можно выделить регуляторные системы, специфически реагирующие на токсиканты, действующие на: 1) клеточные мембраны, 2) белки, 3) хромосому (ДНК), а также 4) индуцирующие в клетке окислительный стресс. В качестве биосенсора на токсиканты, действующие на клеточные белки, предложено использовать промотор P. Этот промотор в бактериальном геноме расположен перед генами «теплового шока» и открывается лишь при появлении в клетке модифицированных, денатурированных белков. В роли биосенсора на ДНК-тропные агенты используется SOS-промотор P и промотор, отвечающий за экспрессию гликозилазы P. Промотор P открывается лишь при индукции повреждений в геноме, т.е. в молекулах ДНК, останавливающих репликационную вилку. Для детекции алкилирования ДНК (данные повреждения зачастую не останавливают репликационную вилку и не вызывают индукцию SOS ответа) был использован промотор P. Для детекции веществ, индуцирующих в клетке окислительный стресс (образующих в клетке гидроксильный радикал, супероксид-ион-радикал, перекись водорода) были использованы промоторы P и P. Промотор P (активатор OxyR) специфически реагирует на перекись водорода, органические пероксиды. Промотор P открывается при появлении в среде супероксид-анион-радикала.
katG
soxS
Следует отметить, что появление в клетке активных форм кислорода, фиксируемых промоторами P и P, приводит к окислительным повреждениям ДНК. Таким образом, супероксид анион радикал и перекись водорода, возникающие при восстановлении атмосферного кислорода несимметричным диметилгидразином, являются существенной стороной генотоксичного воздействия на клетку продуктов окисления НДМГ [7].
В данном изобретении сконструированы, основанные на этих индуцируемых промоторах, специфические lux-биосенсоры. Все используемые промоторы с соответствующими регуляторными участками были получены из генома бактерий Escherichia coli K12 MG1655 с помощью метода ПЦР с использованием специальных, синтезированных праймеров. В качестве вектора использовали беспромоторный вектор с репликоном ColE1 и геном bla, определяющим резистентность к ампициллину (селективный маркер). Встраивание промоторной области в плазмиду проводили по сайтам EcoRI-BamHI. В качестве lux-кассеты был выбран lux-оперон Photorhabdus luminescens, состоящий из пяти генов, luxCDABE. Данная кассета имеет два преимущества: во-первых, люцифераза Ph.luminescens (гены luxAB) отличается сравнительно высокой термостабильностью, а во-вторых, к суспензии клеток не надо добавлять субстрат люциферазной реакции - алифатический альдегид, так как он синтезируется в клетке при помощи белков, кодируемых генами luxCDE [10].
Методика измерения влияния токсиканта на биолюминесценцию биосенсора была примерно одинаковой для всех lux-биосенсоров.
Определение генотоксичных продуктов неполного окисления НДМГ в среде с помощью lux-биосенсоров требует проведения следующих операций.
1. Приготовление проб, содержащих соответствующие биосенсоры;
- выращивание клеток Е.coli, являющихся биосенсорами, до экспоненциальной фазы (OD=0,2-0,4);
- отбор проб по 200 мкл в виалы (6-8 виал для каждого биосенсора).
2. Добавление к пробам НДМГ или жидкой среды с НДМГ в различных концентрациях;
- приготовление для каждого биосенсора положительного и отрицательного контролей. В качестве положительного контроля используют НДМГ (разведенный в воде) в концентрации 20 мкг/мл (отрицательный контроль - дистиллированная вода);
- добавление по 20 мкл исследуемой среды к каждой пробе каждого биосенсора.
(Все пробы следует приготовить в двойном или тройном экземплярах и затем использовать средние значения полученных экспериментальных величин.)
3. Измерение интенсивностей биолюминесценции проб в течение 1-2 часов для биосенсоров Е.coli pKatG-lux, Е.coli pSoxS-lux и Е.coli pGrpE-lux. Для биосенсора Е.coli pRecA-lux и Е.coli pAlkA-lux измерение следует проводить 2,5-3 часа.
4. Обработка полученных результатов. Полученные графики на контрольных образцах сравнивают с исследуемым образцом.
recA
alkA
Культуру клеток, содержащих гибридную плазмиду с соответствующим промотором и lux-кассетой, растили при 28°С или 37°С на качалке до ранней или средней экспоненциальной фазы (OD=0,2-0,4). Аликвоты этой культуры (по 200 мкл) переносили в стерильные виалы и добавляли в них по 10 мкл тестируемого вещества требуемой концентрации. В контрольную пробирку добавляли 10 мкл дистиллированной воды. Затем пробы инкубировали без перемешивания при 30°С и через каждые 15 мин измеряли интенсивность биолюминесценции при комнатной температуре. Усиление сигнала фиксировалось уже через 15-20 мин - время, необходимое для синтеза люциферазы. Максимальный ответ биосенсора, как правило, наблюдался через 40-60 мин (в случае промоторов P и P максимальный сигнал фиксировался через 90-120 мин) и при оптимальной концентрации токсиканта превышал начальный сигнал в 100-1000 раз.
alkA
katG
soxS
recA
grpE
В результате наших исследований было показано, что основными промоторами, открывающимися при воздействии на клетки генотоксичных продуктов неполного окисления НДМГ, являются промоторы P, P, P, P. Биосенсор с промотором P не изменял интенсивность биолюминесценции. Поэтому данные по данному промотору не приведены на фиг. 1-5.
2
В табл. 1 приведены данные о минимальных (пороговых) концентрациях стандартных, специфических для данного промотора веществ, индуцирующих заметный (в 2-3 раза) эффект усиления биолюминесценции, в конструированных lux-биосенсорах (митомицин С индуцирует повреждения в ДНК, этанол - в белках, перекись водорода и паракват как генератор супероксид-ион-радикалов индуцируют окислительный стресс, нитрозогуанидин (N-метил-N′-нитро-N-нитрозогуанидин HNC(=NH)NHNO) (МННГ) алкилирует ДНК).
НДМГ, по всей видимости, в отличие от представленных в табл. 1 соединений, не обладает высокой специфичностью к тому или другому биосенсору, так как в связи с высокой реакционной активностью (очень сильный восстановитель) способен повреждать макромолекулы. В результате появляется большой набор продуктов окисления НДМГ, а также органических соединений из водной среды и почвы, взаимодействующих с внесенным НДМГ. Поэтому оптимальным решением проблемы фиксации генотоксичных производных неполного окисления НДМГ в среде является использование всех вышеуказанных lux-биосенсоров.
katG
soxS
Так как промотор P открывается лишь при воздействии перекиси водорода на белок-регулятор OxyR (окисление активного центра [Fe-S]), а промотор P открывается лишь при воздействии супероксид-анион-радикала, то можно считать доказанным, что действие НДМГ на бактериальную клетку в основном определяется формированием активных форм кислорода, в частности, гидроперекиси и супероксид-анион-радикала (в результате восстановления кислорода воздуха до перекиси водорода).
2
3
2
2
katG
Гидроперекись, образованная в результате химических реакций НДМГ HNN(CH) в основном с кислородом O, открывает промотор P, причем столь же эффективно, как и перекись водорода, используемая в качестве стандарта:
2
2
3
2
3
2
O+HNN(CH)=(супероксид-радикал)+HNN(CH), причем супероксид-радикал быстро переходит в перекись водорода:
2
2
2
2=HO+O
Превращение супероксид-анион-радикала в перекись водорода происходит как спонтанно, так и в результате действия клеточного фермента супероксид-дисмутазы.
recA
recA
Действие НДМГ на ДНК и, соответственно, на промотор P в начальной стадии носит косвенный характер и определяется в основном формирующимися активными формами кислорода. Этот вывод следует из данных о влиянии перекиси водорода на биосенсор pRecA-lux, а также из данных по снижению активации промотора P в присутствии каталазы [7]. Дальнейшее окисление НДМГ приводит к появлению алкилирующих соединений, взаимодействующих с ДНК, фиксируемых биосенсором Е.coli pAlkA-lux. Взаимодействие НДМГ с гумусом почв приводит к появлению соединений, приводящих к повреждениям в ДНК, вызывающим SOS-ответ бактерий, не снимающийся в присутствии каталазы (неопубликованные данные).
Влияние НДМГ на биосенсор Е.coli pGrpE-lux практически отсутствует, поэтому данный биосенсор служит отрицательным контролем в данном наборе биосенсоров.
Изобретение позволяет создать высокочувствительный, дешевый и быстрый тест-метод на основе измерения интенсивности биолюминесценции.
Использованные источники информации
1. Дмитриев О.Ю., Иваненко С.И., Овсянников Д.А., Смирнова С.С., Чистова Ж.А. В Сборнике «Труды Российской инженерной академии, Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии», Выпуск 11. «Экологические проблемы разработки и эксплуатации ракетно-космической техники», Москва, СИП РИА, 2004 г., стр. 40-43.
2. Лопырев В.А., Долгушин Г.В., Ласкин Б.М. (2001) Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева, т. XLV, №5-6, стр. 149-156.
3. Кузнецова Л.В. В Сборнике «Труды Российской инженерной академии, Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии», Выпуск 12. «Экологические проблемы разработки и эксплуатации ракетно-космической техники», Москва, СИП РИА, 2004 г., стр. 24-25.
4. Патент РФ RU (11) 2366953 (13) С2 - прототип.
5. Патент США №5683868, C12Q 1/68 - прототип.
6. Патент РФ RU (11) 2297450 (13) С2 - прототип.
7. Zavilgelsky, G.В.; Kotova, V.Yu.; Manukhov, I.V. (2007) Action of 1,1-dimethylhydrazine on bacterial cells is determined by hydrogen peroxide. // Mutation research-genetic toxicology and environmental mutagenesis. Volume: 634 Issue: 1-2 P. 172-176
8. Горянин И.И., Котова В.Ю., Краснопеева Е.Д., Чубуков П.А., Балабанов В.П., Чалкин С.Ф., Шатров Т.Я., Завильгельский Г.Б., Манухов И.В. Определение генотоксического действия 1,1-диметилгидразина алкилирующими соединениями, возникающими при его окислении, и перекисью водорода. // Труды Московского физико-технического института. 2013. Т. 5. № 1-17. С. 103-111.
9. Anti Poso, Atte von Wright, Jukka Gynther (1995) Mutation Research. V. 332, РР / 63-71.
10. Завильгельский Г.Б., Зарубина А.П., Манухов И.В. (2002) Молекулярная биология. т. 36. стр. 792-804