Гидролиз целлюлозы ферментным комплексом Trichoderma viride в присутствии фторида натрия: влияние структуры субстрата и сорбционной активности целлюлаз
https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-2-261-273
Аннотация
Исследована зависимость активности целлюлаз Trichoderma viride от трех факторов – вида субстрата, сорбционных свойств ферментов и концентрации фторида натрия (NaF). Изучено влияние четырех водонерастворимых субстратов: два нативных (древесина березы и пшеничная солома) и два модельных (микрокристаллическая целлюлоза и фильтровальная бумага). Дополнительно исследован водорастворимый субстрат – Na-карбоксиметил-целлюлоза, специфичный к эндоглюканазной активности. Целлюлазный комплекс T. viride из препарата «Целловиридин Г3х» был разделен методом аффинной хроматографии на фракции, различающиеся сорбционными свойствами. Измерена целлюлазная активность исходного комплекса и полученных фракций по отношению ко всем субстратам при разной концентрации NaF – от 0 до 1000 мг/л. Качественные различия в белковом составе препарата и фракций исследованы методом SDS- дискэлектрофореза. При внесении NaF (100–500 мг/л) активность исходного целлюлазного комплекса возрастала по отношению ко всем субстратам, особенно повысилась скорость гидролиза модельных образцов (до 100 %). Сравнение активности хроматографических фракций относительно модельных субстратов показало, что NaF оказывает противоположное действие на каталитические и сорбционные свойства целлюлаз: активность высокоаффинных фракций, содержащих целлобиогидролазы и низкомолекулярные эндоглюканазы, в присутствии фторида снижалась по отношению ко всем субстратам на 35–90 %. Слабосорбирующиеся фракции (эндоглюканазы I, II + целлобиаза) в этих же условиях ингибировались на 15–20 % по отношению к целлюлозе с высокой степенью кристалличности (МКЦ), но активировались в 1,3–3 раза относительно водорастворимого субстрата (Na-КМЦ) и субстрата с меньшей кристалличностью (фильтровальная бумага). Таким образом, суммарное действие фторидов на ферментативный гидролиз растительного субстрата определяется степенью кристалличности целлюлозы, а также соотношением сильнои слабосорбирующихся компонентов в целлюлазном комплексе. Рассмотрены возможные молекулярные механизмы этих эффектов.
Ключевые слова
Trichoderma viride,
целлюлазный комплекс,
эндоглюканазы,
целлобиогидролазы,
фториды,
цветная металлургия
Об авторах
Е. Р. Чашина
Иркутский государственный университет
Россия
студент магистратуры
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Россия
студент магистратуры
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
З. А. Ефременко
Иркутский государственный университет
Россия
аспирант
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Россия
аспирант
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
В. П. Саловарова
Иркутский государственный университет
Россия
д.б.н., профессор, заведующая кафедрой физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Россия
д.б.н., профессор, заведующая кафедрой физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Д. Е. Гавриков
Иркутский государственный университет
Россия
к.б.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин, Педагогический институт
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Россия
к.б.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин, Педагогический институт
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
А. А. Приставка
Иркутский государственный университет
Россия
к.б.н., доцент кафедры физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Россия
к.б.н., доцент кафедры физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Российская Федерация
Список литературы
1. Каницкая Л.В., Колмогоров А.В. Влияние газовых выбросов при производстве алюминия на состояние окружающей среды // Успехи современного естествознания. 2009. 8. С. 17–18.
2. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Оценка загрязнения почв и растений в зоне воздействия газовоздушных выбросов алюминиевого завода // Теоретическая и прикладная экология. 2015. N 4. С. 64–68. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2015-4-064-068
3. Берсенева О.А., Саловарова В.П., Приставка А.А., Мелентьев В.А. Видовая структура почвенных микроценозов в серых лесных почвах Прибайкалья, подверженных воздействию аэропромвыбросов алюминиевого производства // Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2010. N 1. С. 24–29.
4. Евдокимова Г.А., Корнейкова М.В., Лебедева Е.В. Сообщества микромицетов в почвах в зоне воздействия алюминиевого завода // Микология и фитопатология. 2007. Т. 41. N 1. С. 20–28.
5. Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М.: Изд-во ООО «Товарищество научных изданий КМК», 2016. 243 с.
6. Katiyar P., Pandey N., Sahu K.K. Biological approaches of fluoride remediation: potential for environmental clean-up // Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. P. 13044–13055. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08224-2
7. Евдокимова Г.А., Зенкова И.В., Мозгова Н.П., Переверзев В.Н. Почва и почвенная микробиота в условиях загрязнения фтором. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2005. 135 с.
8. Макарова А.П., Буковская Н.Е., Напрасникова Е.В. Воздействие аэротехногенных выбросов алюминиевых производств в Иркутской области на почвенную микробиоту // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Биология. Экология. 2017. Т. 19. С. 57–62.
9. Горностаева Е.А., Фукс С.Л. Влияние фторсодержащих соединений на живые организмы (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2017. N 1. С. 14–24. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2017-1-014-024
10. Приставка А.А., Попова И.В. Влияние фторида натрия на ферментативную активность грибных целлюлаз // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 1 (12). С. 36–46.
11. Клесов А.А., Рабинович М.Л., Синицын А.П., Чурилова И.В., Григораш С.Ю. Ферментативный гидролиз целлюлозы. I. Активность и компонентный состав целлюлазных комплексов из различных источников // Биоорганическая химия. 1980. Т. 6. N 8. С. 1225–1242.
12. Sinitsyn A.P., Osipov D.O., Rozhkova A.M., Bushina E.V., Dotsenko G.S., Sinitsyna O.A., et al. The production of highly effective enzyme complexes of cellulases and hemicellulases based on the Penicillium verruculosum strain for the hydrolysis of plant raw materials // Applied Biochemistry and Microbiology. 2014. Vol. 50. Issue 8. P. 761–772. https://doi.org/10.1134/S0003683814080055
13. Beheraa B.C., Sethib B.K., Mishra R.R., Dutta S.K., Thatoi H.N. Microbial cellulases – Diversity & biotechnology with reference to mangrove environment: A review // Journal of Genetic Engineering and Biotechnology. 2017. Vol. 15. Issue 1. P. 197–210. https://doi.org/10.1016/j.jgeb.2016.12.001
14. Thygesen A., Oddershede J., Lilholt H., Thomsen A.B., Stahl K. On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibres // Cellulose. 2005. Vol. 12. Issue 6. P. 563–576. https://doi.org/10.1007/s10570-005-9001-8
15. Kaschuk J.J., Frollini E. Effects of average molar weight, crystallinity, and hemicelluloses content on the enzymatic hydrolysis of sisal pulp, filter paper, and microcrystalline cellulose // Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 15. P. 280–
16. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.02.011
17. Ahvenainen P., Kontro I., Svedström K. Comparison of sample crystallinity determination methods by X-ray diffraction for challenging cellulose I materials // Cellulose. 2016. Vol. 23. Issue 2. P. 1073–1086. https://doi.org/10.1007/s10570-
18. -0881-6
19. Иоелович М.Я. Модели надмолекулярной структуры и свойства целлюлозы // Высокомолекулярные соединения, Серия A. 2016. Т. 58. N 6. С. 604–624. https://doi.org/10.7868/S2308112016060109
20. Ghose T.K. Measurement of cellulase activity // Pure and Applied Chemistry. 1987. Vol. 59. P. 257–268. https://doi.org/10.1351/pac198759020257
21. Рабинович М.Л., Клесов А.А., Березин И.В. Кинетика действия целлюлолитических ферментов из Geotrihum candidum. Вискозиметрический анализ кинетики гидролиза карбоксиметилцеллюлозы // Биоорганическая химия. 1977. Т. 3. N 3. С. 405–414.
22. Klyosov A.A., Mitkevich O.V, Sinitsyn A.P. Role of the activity and adsorption of cellulases in the efficiency of the enzymic hydrolysis of amorphous and crystalline cellulose // Biochemistry. 1986. Vol. 25. Issue 3. P 540–542. https://doi.org/10.1021/bi00351a003
23. Saloheimo M., Nakari-Setälä T., Tenkanen M., Penttilä M. cDNA cloning of a Trichoderma reesei cellulase and demonstration of endoglucanase activity by expression in yeast // European Journal of Biochemistry. 1997. Vol. 249. Issue 2. P. 584–591. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1997.00584.x
24. Pristavka A.A., Salovarova V.P., Zacchi G., Berezint I.V., Rabinovich M.L. Enzyme Recovery in High-Solids Enzymatic Hydrolysis of Steam-Pretreated Willow: Requirements for the Enzyme Composition // Applied Biochemistry and Microbiology. 2000. Vol. 36. Issue 3. P. 237–244. https://doi.org/10.1007/BF02742572
25. Aghajari N., Feller G., Gerday C., Haser R. Structural basis of α-amylase activation by chloride // Protein Science. 2002. Vol. 11. Issue 6. P. 1435–1441. https://doi.org/10.1110/ps.0202602
26. Linder M., Mattinen M.L., Kontteli M., Lindeberg G., Stihlberg J., Drakenberg T., et al. Identification of functionally important amino acids in the cellulose-binding domain of Trichoderma reesei cellobiohydrolase I // Protein Science. 1995. Vol. 4. Issue 6. P. 1056–1064. https://doi.org/10.1002/pro.5560040604
27. Evdokimova G.A., Mozgova N.P., Pereverzev V.N. Transformation of plant residues in the soil of a zone exposed to emissions from an aluminum smelter // Eurasian Soil Science. 2013. Vol. 46. Issue 8. P. 908–917. https://doi.org/10.1134/S1064229313060033
Рецензия
Для цитирования:
Чашина Е.Р., Ефременко З.А., Саловарова В.П., Гавриков Д.Е., Приставка А.А. Гидролиз целлюлозы ферментным комплексом Trichoderma viride в присутствии фторида натрия: влияние структуры субстрата и сорбционной активности целлюлаз. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020;10(2):261-273. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-2-261-273
For citation:
Chashina E.R., Efremenko Z.A., Salovarova V.P., Gavrikov D.E., Pristavka A.A. Cellulose hydrolysis by Trichoderma viride enzyme complex in the presence of sodium fluoride: effect of substrate structure and cellulase sorption activity. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2020;10(2):261-273. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-2-261-273
Просмотров:
678
Послать статью по эл. почте 