Геномный поиск ферментов для биодеградации микроцистина в сообществе цианобактерии Tychonema sp. BBK16 и бактерий-симбионтов

В работе представлен анализ геномов биопленкообразующей цианобактерии Tychonema sp.  BBK16 и ее симбионтных бактерий. Целью исследования являлся бионформатический поиск генов ферментов, предположительно участвующих в детоксикации и разрушении микроцистинов. Использованы данные восьми аннотированных геномов бактерий. Установлено, что в метагеноме культуры Tychonema sp. BBK16 содержатся гены ферментов глутатионового пути, что свидетельствует о способности симбионтных микроорганизмов образовывать коньюгаты микроцистина с глутатионом. Проведен поиск генов эндопептидаз и гидролазы ridA, которые могут быть потенциальными разрушителями циклической структуры микроцистинов. Обнаружены ферменты STE24 и pepO, имеющие ряд общих черт с микроцистиназой, а гидролаза выявлена только в геноме самой цианобактерии. Показано, что, несмотря на ассоциацию с микроцистин-продуцирующей цианобактерией, бактериальное сообщество не имеет специфичных путей деградации токсина. Окислительный стресс, вызванный различными факторами, может активировать ферменты глутатионового цикла, участвующие в антиоксидантной защите, и способствовать первым стадиям преобразования микроцистинов с последующим расщеплением пептидазами различных классов либо выведением из клетки. В микробном консорциуме этапы разрушения микроцистинов могут складываться из суммарных ферментативных активностей разных микроорганизмов, снижающих их влияние на клетку. Особо отмечены представители рода Paucibacter и Aminobacter, отличающиеся разнообразием изучаемых ферментов, что позволяет использовать их для дальнейшего изучения биотехнологического потенциала и изготовления биопрепаратов на основе их культур.

1. Massey I.Y, Yang F. A mini review on microcystins and bacterial degradation // Toxins. 2020. Vol. 12, no. 4. P. 268. DOI: 10.3390/toxins12040268. EDN: CRRNMC.

2. Su X., Steinman A.D., Tang X., Xue Q., Zhao Y., Xie L. Response of bacterial communities to cyanobacterial harmful algal blooms in Lake Taihu, China // Harmful Algae. 2017. Vol. 68. P. 168–177. DOI: 10.1016/j.hal.2017.08.007.

3. Lezcano M.Á., Velázquez D., Quesada A., El-Shehawy R. Diversity and temporal shifts of the bacterial community associated with a toxic cyanobacterial bloom: an interplay between microcystin producers and degraders // Water Research. 2017. Vol. 125. P. 52–61. DOI: 10.1016/j.watres.2017.08.025.

4. Salter Ch., Westrick Ju.A., Chaganti S.R., Birbeck J.A., Peraino N.J., Weisener Ch.G. Elucidating microbial mechanisms of microcystin-LR degradation in Lake Erie beach sand through metabolomics and metatranscriptomics // Water Research. 2023. Vol. 247. P. 120816. DOI: 10.1016/j.watres.2023.120816. EDN: IJGCSE.

5. Kumar P., Hegde K., Brar S.K., Cledon M., Kermanshahi-pour A. Potential of biological approaches for cyanotoxin removal from drinking water: a review // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. Vol. 172. P. 488–503. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2019.01.066.

6. Bourne D.G., Riddles P., Jones G.J., Smith W., Blakeley R.L. Characterization of a gene cluster involved in bacterial degradation of the cyanobacterial toxin microcystin LR // Environmental Toxicology. 2001. Vol. 16, no. 6. P. 523–534. DOI: 10.1002/tox.10013.

7. Zou Q., Teng Ju., Wang K., Huang Y., Hu Q., Chen S., Xu Q., Zhang H., Fang D., Yan H. Purification and mechanism of microcystinase MlrC for catalyzing linearized cyanobacterial hepatotoxins using Sphingopyxis sp. USTB-05 // Toxins. 2022. Vol. 14, no. 9. P. 602. DOI: 10.3390/toxins14090602. EDN: YORVMM.

8. Yang F., Huang F., Feng H., Wei J., Massey I.Ya., Liang G., Zhang F., Yin L., Kacew S., Zhang X., Pu Yu. A complete route for biodegradation of potentially carcinogenic cyanotoxin microcystin-LR in novel indigenous bacterium // Water Research. 2020. Vol. 174. P. 115638. DOI: 10.1016/j.watres.2020.115638. EDN: UMHMNW.

9. Wei J., Pengji Zh., Zhang J., Peng T., Luo J., Yang F. Biodegradation of MC-LR and its key bioactive moiety Adda by Sphingopyxis sp. YF1: comprehensive elucidation of the mechanisms and pathways // Water Research. 2023. Vol. 229. P. 119397. DOI: 10.1016/j.watres.2022.119397. EDN: DNQMZR.

10. Manage P.M., Edwards C., Singh B.K., Lawton L.A. Isolation and identification of novel microcystin-degrading bacteria // Applied and Environmental Microbiology. 2009. Vol. 75, no. 21. P. 6924–6928. DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.01928-09.

11. Рымарева Е.А., Тихонова И.В., Сороковикова Е.Г., Кан Г.В., Суслова М.Ю., Потапов С.А., Краснопеев А.Ю., Гутник Д.И., Горшкова А.С., Липко И.А., Гладких А.С., Белых О.И. Поиск бактерий, способных к биодеградации микроцистинов в озере Байкал с помощью молекулярно-биологических технологий // Limnology and Freshwater Biology. 2024. N. 4. С. 1072–1078. DOI: 10.31951/2658-3518-2024-A-4-1072. EDN: TGLKJL.

12. Рымарева Е.А., Тихонова И.В., Медведева Н.Г., Кузикова И.Л., Зайцева Т.Б., Краснопеев А.Ю., Потапов С.А., Сороковикова Е. Г., Белых О.И. Изменение состава бактериопланктона озера Байкал в эксперименте с добавлением микроцистина-LR // VIII Междунар. Верещагинская Байкальская конф.: тезисы докладов и стендовых сообщений (г. Иркутск, 8–14 сентября 2025 г.). Иркутск: Изд-во ИГУ, 2025. С. 493–494.

13. Yang F., Yang L., Wei J., Ma T., Zhou M., Liao L., Xie Ju., Zhou P. Comprehensive genomic and transcriptomic analyses of the anaerobic degradation of microcystin in Alcaligenes faecalis D04 // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2025. Vol. 290. P. 117721. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2025.117721. EDN: PSQKNV.

14. Liu X., Zeng J., Chen X., Xie W. Crystal structures of RidA, an important enzyme for the prevention of toxic side products // Scientific reports. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 30494. DOI: 10.1038/srep30494.

15. Kondo F., Ikai Y., Oka H., Okumura M., Ishikawa N., Harada K., Matsuura K., Murata H., Suzuki M. Formation, characterization, and toxicity of the glutathione and cysteine conjugates of toxic heptapeptide microcystins // Chemical Research in Toxicology. 1992. Vol. 5, no. 5. P. 591–596. DOI: 10.1021/tx00029a002.

16. Cao Q., Liu W., Jiang W., Shu X., Xie L. Glutathione biosynthesis plays an important role in microcystin-LR depuration in lettuce and spinach // Environmental Pollution. 2019. Vol. 253. P. 599–605. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.07.064.

17. Schmidt J.R., Wilhelm S.W., Boyer G.L. The fate of microcystins in the environment and challenges for monitoring // Toxins. 2014. Vol. 6, no. 12. P. 3354–3387. DOI: 10.3390/toxins6123354.

18. Ishikawa T. The ATP-dependent glutathione-S-conjugate export pump // Trends in Biochemical Sciences. 1992. Vol. 17, no. 11. P. 463–468. DOI: 10.1016/0968-0004(92)90489-v.

19. Vuilleumier S., Pagni M. The elusive roles of bacterial glutathione S-transferases: new lessons from genomes // Applied Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 58, no. 2. P. 138–146. DOI: 10.1007/s00253-001-0836-0. EDN: XOPEET.

20. Allocati N., Federici L., Masulli M., Di Ilio C. Glutathione transferases in bacteria // The FEBS Journal. 2009. Vol. 276, no. 1. P. 58–75. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2008.06743.x.

21. Mou X., Lu X., Jacob J., Sun S., Heath R. Metagenomic identification of bacterioplankton taxa and pathways involved in microcystin degradation in Lake Erie // PloS one. 2013. Vol. 8, no. 4. P. e61890. DOI: 10.1371/journal.pone.0061890.

22. Тихонова И.В., Кузьмин А.В., Сороковикова Е.Г., Краснопеев А.Ю., Фёдорова Г.А., Жученко Н.А. [и др.]. Микроцистин-продуцирующая цианобактерия Tychonema sp. из биопленок озера Байкал // Химия в интересах устойчивого развития. 2022. Т. 30. N 4. С. 427–435. DOI: 10.15372/KhUR2022399. EDN: ZJDEYP.

23. Краснопеев А.Ю., Тихонова И.В., Подлесная Г.В., Потапов С.А., Гладких А.С., Суслова М.Ю. Липко И.А., Сороковикова Е.Г., Белых О.И. Разнообразие бактерий и путей их метаболизма в неаксеничной культуре Tychonema sp. BBK16 // Limnology and Freshwater Biology. 2023. N 6. P. 229–243. DOI: 10.31951/2658-3518-2023-A-6-229. EDN: EIIBKO.

24. Kanehisa M., Sato Y., Morishima K. BlastKOALA and GhostKOALA: KEGG tools for functional characterization of genome and metagenome sequences // Journal of Molecular Biology. 2016. Vol. 428, no. 4. P. 726–731. DOI: 10.1016/j.jmb.2015.11.006.

25. Yancey C.E., Kiledal E.A., Chaganti S.R., Denef V.J., Errera R.M., Evans Ja.T., Hart L.N., Isailovic D., James W.S., Kharbush J.J., Kimbrel J.A., Li W., Mayali X., Nitschky H., Polik C.A., Powers M.A., Premathilaka S.H., Rappuhn N.A., Reitz L.A., Rivera S.R., Zwiers C.C., Dick G.J. The Western Lake Erie culture collection: a promising resource for evaluating the physiological and genetic diversity of Microcystis and its associated microbiome // Harmful Algae. 2023. Vol. 126. P. 102440. DOI: 10.1016/j.hal.2023.102440. EDN: BCZHFQ.

26. Smith D.J., Berry M.A., Cory R.M., Johengen T.H., Kling G.W., Davis T.W., Dick G.J. Heterotrophic bacteria dominate catalase expression during Microcystis blooms // Applied and Environmental Microbiology. 2022. Vol. 88, no. 14. Р. e02544-21. DOI: 10.1128/aem.02544-21. EDN: WVCBJA.

27. Goswami M., Jawali N., Subramanian M., Kumar R., Jass J. Involvement of antibiotic efflux machinery in glutathione-mediated decreased ciprofloxacin activity in Escherichia coli // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2016. Vol. 60, no. 7. P. 4369–4374. DOI: 10.1128/AAC.00414-16. EDN: WQEQQF.

28. Alves L.A., Naveed H., Franco E.M., Garcia M.T., Freitas V.A., Junqueira Ju.C., Bastos D.C., Araujo T.L.S., Chen T.S., Mattos-Graner R.O. PepO and CppA modulate Streptococcus Sanguinis susceptibility to complement immunity and virulence // Virulence. 2023. Vol. 14, no. 1. P. 2239519. DOI: 10.1080/21505594.2023.2239519. EDN: ZUSYNQ.

29. Runnebohm A.M., Richards K.A., Irelan C.B., Turk S.M., Vitali H.E., Indovina C.J., Rubenstein E.M. Overlapping function of Hrd1 and Ste24 in Translocon quality control provides robust channel surveillance // Journal of Biological Chemistry. 2020. Vol. 295, no. 47. P. 16113–16120. DOI: 10.1074/jbc.AC120.016191. EDN: BQLLTB.

30. Yang C.Y., Wang W.B., Li D.H., Liu Y.D. Growth and antioxidant system of Escherichia coli in response to microcystin-RR // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2008. Vol. 81. N. 5. P. 427–431. DOI: 10.1007/s00128-008-9436-3. EDN: YATVIH.

31. Le Ve.V., Ko So.Ra., Oh H.M., Ahn Ch.Y. Genomic insights into Paucibacter aquatile DH15, a cyanobacteri - cidal bacterium, and comparative genomics of the genus Paucibacter // Journal of Microbiology and Biotechnology. 2023. Vol. 33, no. 12. P. 1615–1624. DOI: 10.4014/jmb.2307.07008. EDN: AIIUHK.

32. Santos A.A., Soldatou S., Freitas de Magalhães V., Azevedo S.M., Camacho-Muñoz D., Lawton L.A., Edwards Ch. Degradation of multiple peptides by microcystin-degrader Paucibacter toxinivorans (2C20) // Toxins. 2021. Vol. 13, no. 4. P. 265. DOI: 10.3390/toxins13040265.