III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Аэробные метилотрофные бактерии составляют особую физиологическую группу микроорганизмов, обладающих уникальной способностью строить все клеточные компоненты из С₁-соединений (метан, метанол, метилированные амины, дихлорметан и др.), которые являются токсичными природными и антропогенными загрязнителями. Контроль за загрязнением окружающей среды С₁-соединениями может быть осуществлен с помощью биосенсоров на основе таких организмов, поскольку они содержат в плазматической мембране дегидрогеназы метанола, формальдегида и формиата, которые связаны с дыхательной цепью бактерий. Эффективная работа биосенсора зависит от окислительной активности бактерий по отношению к данному субстрату, поэтому в качестве основы рецепторного элемента биосенсора используют клетки микроорганизмов с заданными метаболическими и физиологическими характеристиками.

Целью данной работы является изучение физиологии роста и окислительной способности бактерий штаммов Methylovorus mays KYK и Methylobacterium mesophilicum JCM 2829 в зависимости от фазы роста, и определение активности основных ферментов С₁-метаболизма.

Для изучения физиологии роста получили кривые роста микроорганизмов, используя спектрофотометрический и метод прямого подсчета колониеобразующих единиц (КОЕ). В результате сравнения физиологических параметров роста двух штаммов (максимальная удельная скорость роста, время удвоения, максимальная численность микроорганизмов, выход биомассы), выявили, что штамм M. mesophilicum уступает штамму M. mays по всем параметрам. Так максимальная удельная скорость роста для M. mays составила 0,33±0,02 ч^-1, время удвоения 2,10±0,01 ч, а для M. mesophilicum - 0,054±0,002 ч^-1 и 12,8±0,5 ч соответственно.

Для количественной оценки окислительной активности микроорганизмов изучали интенсивность биоэлектрокаталитического окисления метанола электрохимическим методом. Измерения проводили с помощью амперометрической биосенсорной системы «IPC-Micro» на основе графитовопастового электрода с иммобилизованными на поверхности клетками метилобактерий в присутствии медиатора электронного транспорта ферроцена. При определении биоэлектрокаталитического окисления метанола бактериями на разных стадиях роста показано, что для штамма M. mays наибольшая активность наблюдается в фазе замедления роста (ответ сенсора ΔI = 5,9±0,4 нА), в то время как, в линейной (1,3±0,2 нА) и стационарной (2,7±0,1 нА) фазах роста окислительная активность низкая. В свою очередь, для штамма M. mesophilicum активность максимальна в конце фазы линейного роста (0,29±0,06 нА), а при переходе от линейной к стационарной фазе наблюдается значительное снижение окислительной активности (до 0,04±0,01 нА). Из полученных данных установили, что штамм M. mays характеризуется более высокими значениями окислительной активности по отношению к метанолу практически на всех стадиях роста и лучшими физиологическими параметрами роста и соответственно является более перспективным для использования в качестве основы рецепторного элемента биосенсора.

Используемые в работе штаммы микроорганизмов обладают разными путями внутреннего С₁-метаболизма (сериновый - M. mesophilicum, РМФ-путь - M. mays), и разной активностью ферментов биодеградации С₁-соединений, что влияет на биокаталитические свойства бактерий. Поэтому на следующем этапе работы представлялось важным определить активности основных ферментов биодеградации С₁-соединений - метанолдегидрогеназы, формальдегиддегидрогеназы и формиатдегидрогеназы. Для проведения эксперимента биомассу бактерий отбирали в период фазы замедления роста, когда окислительная активность бактерий при биоэлектрокаталитическом окислении метанола максимальна, и разрушали ультразвуком, полученные препараты использовали для определения активности.

При определении удельных активностей ферментов для штамма M. mays было показано, что наибольшей удельной активностью обладает фермент метанолдегидрогеназа (1604 Е/мг белка), локализованный в мембранах метилотрофных бактерий. Полученные в ходе эксперимента значения удельных активностей остальных ферментов значительно ниже, чем метанолдегидрогеназы, что согласуется с литературными данными.

Полученные в ходе работы результаты могут в дальнейшем использоваться при разработке биосенсорных систем на основе метилотрофных бактерий или выделенных из них ферментов для мониторинга содержания токсичных С₁-соединений в водных средах.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 г) (ГК № 02.740.11.0296, ГК № П551)