Исследователи НИЦ «Курчатовский институт» подробно изучили механизм, с помощью которого бактерииRhodococcus rhodochrousвырабатывают уникальный фермент – кобальтсодержащую нитрил-гидратазу. Особенности этого сложного многоступенчатого процесса, впервые обнаруженные в ходе данной работы, помогают лучше понять принципы сборки металлоферментов, чрезвычайно важных для всех живых организмов.
Полученные данные значимы как для фундаментальной науки, так и для прикладных задач – от конструирования новых промышленных биокатализаторов до создания биосенсоров для детекции тяжелых металлов. Результаты этого исследования опубликованы в ведущем зарубежном специализированном журнале Metallomics. За данную работу научный коллектив был награжден премией им. И.В. Курчатова.
Ранее научная группа под руководством А.С. Яненко первой в миреобнаружила механизм, по которому ионы кобальта регулируют работу генов, кодирующих нитрил-гидратазу. Для научного сообщества это стало одним из первых исследований, в котором был продемонстрирован неизвестный прежде принцип регуляции работы генов, кодирующих металлсодержащие ферменты. В ходе последующих работ на основании этих фундаментальных данных была создана серия штаммов бактерий Rhodococcus rhodochrous - биокатализаторов мирового уровня для получения акриловых мономеров.
В новой работе ученые сосредоточились на исследовании механизмов, лежащих в основе выработки бактериями нитрил-гидратазы. Было впервые обнаружено, что процесс биосинтеза этого фермента отличается высочайшей селективностью по отношению к ионам кобальта и полностью реализуется только в их присутствии. Открытие этого феномена вносит вклад в понимание принципов сборки огромного числа металлсодержащих ферментов, происходящей в биологических системах.
Ученые планируют использовать обнаруженную селективность процесса биосинтеза фермента для создания биосенсора. Он позволит не только качественно отличить ион кобальта от ионов других металлов (цинка, кадмия, свинца и даже никеля), но и количественно оценить содержание кобальта в смеси. «Открытие феномена высокой селективности данной биологической системы к тяжёлому металлу в будущем позволит создать целую панель биосенсоров нового поколения», - пояснил начальник лаборатории молекулярной биотехнологии НИЦ «Курчатовский институт» Константин Лавров.
Однако биосенсоры – далеко не единственное практическое приложение открытого учеными механизма. Заместитель директора НИЦ «Курчатовский институт» по генетическим исследованиям Александр Яненко поделился актуальными направлениями научной деятельности коллектива:
В настоящее время мы занимаемся конструированием новых биокатализаторов, которые в будущем позволят расширить спектр получаемых в промышленности акриловых мономеров. Эти исследования направлены на создание биотехнологической «платформы» для эффективного и экологически более чистого синтеза полимеров с широчайшим спектром физико-химических характеристик».
Фермент нитрил-гидратаза очень востребован в промышленности: с его помощью осуществляется синтез акриловых мономеров – незаменимого сырья для получения полимеров, используемых в нефте- и газодобыче, очистке сточных вод, производстве бумаги и текстиля, сельском хозяйстве, горном деле. При этом использование нитрил-гидратазы позволяет принципиально изменить схему промышленного получения акриловых мономеров, в том числе повысить его эффективность и сделать его более экологически чистым.
Преимущества промышленного использования биокатализаторов для получения акриловых мономеров связаны с значительно более «мягкими» условиями реакции по сравнению с химическим синтезом. Такой подход позволяет существенно удешевить производство и сделать его более безопасным для окружающей среды.