Углеродный метаболизм пурпурных бактерий

Научная группа направления

Пурпурные несерные бактерии – это филогенетически разнородная группа бактерий, способных к аноксигенному фотосинтезу. Показано, что эти бактерии способны к светозависимому выделению водорода за счет нитрогеназы. Многолетние исследования лаборатории показали, что в оптимальных условиях они обладают высокими скоростями, т.е. могут рассматриваться как преобразователи солнечной энергии в энергоноситель –водород. К сожалению, наряду со светом пурпурные бактерии нуждаются для фотосинтеза и в восстановленных соединениях, в частности органических кислотах. Очевидно, использование чистых органических кислот не только нерентабельно, но и энергетически невыгодно. Однако если процесс выделения водорода совместить с очисткой сточных вод (например после обработки отходов консорциумами, способными к брожению с образованием органических кислот, то такой интегрированный процесс двойного назначения может оказаться рентабельным. Разработаны методы иммобилизации пурпурных бактерий на прозрачных носителях с высоким отношением поверхности к объему (пористое стекло, стеклоткань, прозрачный поролон). В иммобилизованном состоянии скорости выделения водорода достигали 3,8 л/час/л матрицы, т.е. всего вдвое ниже минимальной скорости, необходимой для начала опытно-конструкторских работ. К сожалению, в сточных водах, обработанных микробным консорциумом, находится в основном ацетат, который пурпурные бактерии используют с пониженной скоростью. Поэтому изучение анаплеротических путей, ускоряющих работу цикла Кребса, с последующей их модификацией может привести к получению штаммов, выделяющих водород из ацетата с более высокими скоростями. Их изучение может привести и к удешевлению процессов получения ценных соединений, синтезируемых пурпурными бактериями (см. Биотехнология пурпурных бактерий)

Ключевые задачи:

1. Анализ геномов пурпурных бактерий – потенциальных продуцентов водорода и других ценных соединений и выяснение наличия имеющихся у них генов, необходимых для тех или иных анаплеротических путей.
2. Анализ транскриптомов пурпурных бактерий – потенциальных продуцентов водорода и других ценных соединений и выяснение наличия реализуемых ими анаплеротических путей
3. Анализ метаболомов пурпурных бактерий – потенциальных продуцентов водорода и других ценных соединений и выявление у них основных лимитирующих стадий метаболизма углерода.
4. Разработка и создание модификаций пурпурных бактерий с ускоренным метаболизмом углерода при росте с использованием ацетата.
5. Проверка полученных мутантов на реальные скорости роста в присутствии ацетата и сравнение экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями.

Ключевые слова: пурпурные несерные бактерии, геномика, транскриптомика, метаболомика, метаболизм ацетата, анаплеротические пути восполнения цикла Кребса.

Методические разработки

1. Получение геномов различных пурпурных бактерий и их анализ
2. Получение транскриптомов различных пурпурных бактерий и их анализ
3. Получение метаболомов различных пурпурных бактерий при разных типах питания и их анализ
4. Разработка генетической трансформации различных пурпурных бактерий и создание целевых мутантов
5. Хроматомасс-спектрометрия

Ключевые результаты и вклад

1. Впервые создана интегральная схема метаболических путей, восполняющих пул метаболитов цикла Кребса.
   Значимость: Интегральная схема позволяет не только изучать реализуемые различными пурпурными бактериями анаплеротические пути, но и выявлять ранее неизвестные участки метаболизма

Публикации по направлению

1. Петушкова Е. П., Цыганков А. А. Основные факторы, влияющие на изоцитратлазную активность Rhodobacter capsulatus B10 в фототрофных условиях // Микробиология. 2011. Т. 80, № 5. С. 606–611.
2. Петушкова Е. П., Цыганков А. А. Метаболизм ацетата пурпурной несерной бактерии Rhodobacter capsulatus // Биохимия. 2017. Т. 82, вып. 5. С. 786–807.
3. 135.     Petushkova E., Iuzhakov S., Tsygankov A. Differences in possible TCA cycle replenishing pathways in purple non-sulfur bacteria possessing glyoxylate pathway // Photosynthesis Research. 2018. Vol. 139, No 1-3. P. 523–537. doi.org/10.1007/s11120-018-0581-1.
4. Petushkova E., Mayorova E., Tsygankov A. TCA Cycle Replenishing Pathways in Photosynthetic Purple Non-Sulfur Bacteria Growing with Acetate // Life (Basel). 2021. Vol. 19, № 11(7). P. 711. doi.org/ 10.3390/life11070711.
5. Mayorova E. V., Romanova A. I., Petushkova E. P., Tsygankov A. A. Overcoming the Protective Barriers of Cells in the Transformation of Bacteria with Exogenous DNA Using the Example of Rhodobacter capsulatus // Nanobiotechnology Reports. 2023. Vol. 18, № 3. P. 496–505. doi.org/10.1134/s2635167623700362.
6. Petushkova E., Khasimov M., Mayorova E., Delegan Y., Frantsuzova E. , Bogun A., Galkina E. and Tsygankov A. The Complete Genome of a Novel Typical Species Thiocapsa bogorovii and Analysis of Its Central Metabolic Pathways // Microorganisms. 2024. Vol. 12. P. 391. doi.org/10.3390/microorganisms12020391.