Атразин, спорный гербицид, введенный в сельское хозяйство в 1950-х годах, был запрещен в Европейском союзе, но широко используется в Соединенных Штатах и Австралии. За десятилетия накопления атразина на сельскохозяйственных полях некоторые бактерии в этих почвах развили способность использовать это богатое азотом соединение, метаболизируя его и используя для роста.
Исследователи Австралийской организации научных и промышленных исследований Содружества, или CSIRO, заинтересованы в использовании способности бактерий разлагать атразин для восстановления окружающей среды, загрязненной атразином. В новой исследовательской статье, опубликованной в Journal of Biological Chemistry, команда из CSIRO и Австралийского национального университета описывает ранее неизвестные белки, участвующие в расщеплении атразина, и информацию, которую они могут дать нам о том, как бактерии развивают новые способности в ответ на химические вещества, синтезируемые клетками. люди. «Бактерии действительно хорошо развиваются, чтобы иметь возможность использовать новые источники питательных веществ, и они делают это, адаптируя существующие клеточные механизмы для новых функций», - сказал Колин Скотт, руководитель группы биокатализа и синтетической биологии в CSIRO, который руководил работой..
Превращение атразина в пригодный для использования источник азота - это многоэтапный процесс для бактерий, включающий несколько ферментов. Каждый из этих ферментов ранее выполнял разные функции в бактериальных клетках до повсеместного загрязнения атразином. У бактерий, разлагающих атразин, гены, кодирующие эти ферменты, сгруппированы на участке ДНК, называемом плазмидой, которая может легко передаваться между бактериями, давая им готовую новую адаптацию.
«В течение 10 лет после первоначального открытия (в 1990-х годах) гены этого пути были обнаружены (у бактерий) практически на всех континентах, кроме Антарктиды», - сказал Скотт. Другими словами, по мере распространения атразина по всему миру росла и способность бактерий его метаболизировать.
Хотя ферменты, участвующие в некоторых из этих стадий, были подробно описаны, структура одного из них, называемого AztE, все еще была неизвестна. AztE имеет решающее значение для превращения циануровой кислоты - промежуточной стадии процесса разложения атразина - в аммиак.
Лиги Эскирол, аспирант лаборатории Скотта, возглавила усилия по очистке этого белка. Когда команда исследовала белок, она обнаружила нечто удивительное: еще один, очень маленький белок, существование которого не было предсказано по последовательности генома бактерии, образующий комплекс с AztE. Этот новый белок, который команда назвала AztG, оказался необходимым для стабилизации структуры AztE.
Вместе структура AztE и AztG напоминала другой бактериальный белковый комплекс - трансамидасому, которая помогает производить бактериальную транспортную РНК. Таким образом, оказалось, что белки, участвующие в основных функциях бактериальной клетки, были перенастроены для нового атразинового пути.
» (трансамидасома) абсолютно необходима для бактерий в том, как они производят свои тРНК», - сказал Скотт. «Было несколько неожиданно, что наш белок, участвующий в катаболизме пестицидов, был (похож) на этот белковый комплекс, который используется в центральном метаболизме».
Обещание синтетической биологии состоит в том, что люди могут творчески комбинировать гены, кодирующие различные функции в организме. Однако, несмотря на то, что вставить гены в новые контексты относительно просто, не всегда есть гарантия, что вновь сконструированный путь будет работать так, как задумано. Поэтому поучительно исследовать такие пути, как путь деградации атразина, в котором бактерии успешно перепрофилировали ряд неродственных генов, чтобы делать что-то новое.
«Этот (путь) пришел из других мест и был собран вместе, но должны быть некоторые основные правила и ограничения о том, как это сделать», - сказал Скотт. «В настоящее время мы не знаем, каковы правила дизайна для сложных путей с точки зрения их генетической архитектуры. Мы хотим использовать путь циануровой кислоты в качестве модели для понимания некоторых из этих принципов дизайна».
Атразин-разлагающие бактерии превращают атразин в азотистые соединения, которые потенциально могут быть использованы растениями в качестве удобрения, но это создает свои проблемы: попадание азота в воду вызывает цветение водорослей и гибель животных. Таким образом, одна из ключевых проблем, которую пытаются решить исследователи CSIRO, заключается в том, как сдержать реакцию, чтобы она происходила только там и так, где это нужно человеку. Один из подходов заключается в использовании целевого применения ферментов, очищенных от этих бактерий, а не самих бактерий.
"Что касается технологии, мы вышли в поле и доказали, что (ферменты) могут работать", - сказал Скотт. «Следующий шаг - работа с промышленностью, чтобы попытаться внедрить некоторые из этих решений».