Влияние белого фосфора на клеточную морфологию и белковый профиль штаммов гриба Aspergillus niger

Известна способность микроорганизмов легко приспосабливаться к любым условиям окружающего пространства, формируя специфические экосистемы, существующие в самых экстремальных средах. Белый фосфор является одним из самых опасных загрязнителей окружающей среды. Однако его широкое использование в различных отраслях промышленности и в военных целях создает возможность попадания данного токсиканта в окружающую среду. Ранее было показано, что некоторые микробные культуры адаптировались к присутствию в среде белого фосфора, окисляя его до фосфата и используя в качестве источника биогенного макроэлемента. В предыдущих исследованиях нами впервые была продемонстрирована биодеградация белого фосфора штаммами плесневого гриба Aspergillus niger. Тем не менее, важной задачей является изучение механизмов устойчивости гриба к столь токсичному веществу. Таких механизмов может быть несколько, в том числе наиболее вероятны: клеточная стенка гриба является барьером на пути проникновения белого фосфора в клетку, в таком случае в ответ на воздействие токсиканта должен наблюдаться рост толщины клеточной стенки; механизм, связанный с экспрессией генов стресса и выработкой грибом белков, участвующих в обезвреживании токсикантов, в том числе белого фосфора. Помимо этого белый фосфор вызывает общую активацию метаболизма, сопровождающуюся ростом числа и размеров митохондрий в клетках. Возможно, продуцируемые митохондриями активные формы кислорода участвуют в детоксикации белого фосфора и продуктов его превращений. Проведенные микроскопические и протеомные исследования подтвердили наличие рассмотренных механизмов устойчивости.

1. Wackett L.P. The metabolic pathways of biodegradation // The Prokaryotes. 2013. Vol. 2. P. 383–393.

2. Meckenstock R.U., Elsner M., Griebler C., Lueders T., Stumpp C., Aamand J., et al. Biodegradation: updating the concepts of control for microbial cleanup in contaminated aquifers // Environmental Science & Technology. 2015. Vol. 49. Issue 12. P. 7073–7081. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b00715

3. Cummins C.C. Phosphorus: from the stars to land & sea // Daedalus. 2014. Vol. 143. Issue 4. P. 9–20. https://doi.org/10.1162/DAED_a_00301

4. Cohen Y. Phosphorus dissolution from ash of incinerated sewage sludge and animal carcasses using sulphuric acid // Environmental Technology. 2009. Vol. 30. Issue 11. P. 1215–1226. https://doi.org/10.1080/09593330903213879

5. Кулаев И.С. Неорганические полифосфаты и их роль на разных этапах клеточной эволюции // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 2. С. 28–35.

6. Smith S.E., Jakobsen I., Grønlund M., Smith F.A. Roles of arbuscular mycorrhizas in plant phosphorus nutrition: interactions between pathways of phosphorus uptake in arbuscular mycorrhizal roots have important implications for understanding and manipulating plant phosphorus acquisition // Plant Physiology. 2011. Vol. 156. Issue 3. P. 1050–1057. https://doi.org/10.1104/pp.111.174581

7. Amalraj E.L.D., Maiyappan S., Peter A.J. In vivo and in vitro studies of Bacillus megaterium var. phosphaticum on nutrient mobilization, antagonism and plant growth promoting traits // Journal of Ecobiotechnology. 2012. Vol. 4. Issue 1. P. 35–42.

8. Pedersen B.P., Kumar H., Waight A.B., Risenmay A.J., Roe-Zurz Z., Chau B.H., et al. Crystal structure of a eukaryotic phosphate transporter // Nature. 2013. Vol. 496. Issue 7446. P. 533–536. https://doi.org/10.1038/nature12042

9. Relyea H.A., van der Donk W.A. Mechanism and applications of phosphite dehydrogenase // Bioorganic Chemistry. 2005. Vol. 33. Issue 3. P. 171–189. https://doi.org/10.1016/j.bioorg.2005.01.003

10. Kononova S.V., Nesmeyanova M.A. Phosphonates and their degradation by microorganisms // Biochemistry (Moscow). 2002. Vol. 67. Issue 2. P. 184–195. https://doi.org/10.1023/a:1014409929875

11. Ternan N.G., Mc Grath J.W., Mc Mullan G., Quinn J.P. Review: Organophosphonates: occurrence, synthesis and biodegradation by microorganisms // World Journal of Microbiology & Biotechnology. 1998. Vol. 14. Issue 5. P. 635–647. https://doi.org/10.1023/A:1008848401799

12. Миндубаев А.З., Бадеева Е.К., Минзанова С.Т., Бабынин Э.В., Миронова Л.Г., Низамов И.С. [и др.]. Метаболизм соединений фосфора и таксономическое положение гриба Aspergillus niger АМ1 // Бутлеровские сообщения. 2020. Т. 62. N 6. С. 98–124. https://doi.org/10.37952/ROI-jbc-01/20-62-6-98

13. Миндубаев А.З. От яда к удобрению // Наука и жизнь. 2019. N 3. С. 46–47.

14. Миндубаев А.З., Бабынин Э.В., Бадеева Е.К., Пискунов Д.Б., Махиянов А.Н., Минзанова С.Т. [и др.]. Генотоксичность и цитогенетическое действие белого фосфора // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 1. С. 81– 94. https://doi.org/.org/10.21285/2227-2925-2019-9-181-94

15. Mindubaev A.Z., Babynin E.V., Voloshina A.D., Saparmyradov K.A., Akosah Y.A., Badeeva E.K., et al. The possibility of neutralizing white phosphorus using microbial cultures // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия химии и технологии. 2019. Т. 5. P. 122–128. https://doi.org/10.32014/2019.2518-1491.63

16. Mindubaev A.Z., Kuznetsova S.V., Evtyugin V.G., Daminova A.G., Grigoryeva T.V., Romanova Y.D., et al. Effect of White Phosphorus on the Survival, Cellular Morphology, and Proteome of Aspergillus niger // Applied Biochemistry and Microbiology. 2020. Vol. 56. Issue 2. P. 194–201. https://doi.org/10.1134/S0003683820020118

17. Kang X., Kirui A., Muszyński A., Widanage M.C.D., Chen A., Azadi P., et al. Molecular architecture of fungal cell walls revealed by solid-state NMR// Nature Communications. 2018. Vol. 9. Article number 2747. 12 p. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05199-0

18. Willger S.D., Puttikamonkul S., Kim K.-H., Burritt J.B., Grahl N., Metzler L.J., et al. A sterol-regulatory element binding protein is required for cell polarity, hypoxia adaptation, azole drug resistance, and virulence in Aspergillus fumigatus // PLoS Pathogens. 2008. Vol. 4. Issue 11. P. e1000200. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1000200

19. Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Бадеева Е.К., Стробыкина А.С., Бабаев В.М., Минзанова С.Т., [и др.]. Динамика превращений белого фосфора культурой черного аспергилла // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 51. N 8. С. 1–26.

20. Haussmann C., Rohdich F., Lottspeich F., Eberhardt S., Scheuring J., Mackamul S., et al. Dihydroneopterin triphosphate epimerase of Escherichia coli: purification, genetic cloning, and expression // Journal of Bacteriology. 1997. Vol. 179. Issue 3. P. 949–951. https://doi.org/10.1128/jb.179.3.949-951.1997

21. Sankaran B., Bonnett S.A., Shah K., Gabriel S., Reddy R., Schimmel P., et al. Zinc-independent folate biosynthesis: genetic, biochemical, and structural investigations reveal new metal dependence for GTP cyclohydrolase IB // Journal of Bacteriology. 2009. Vol. 191. Issue 22. P. 6936–6949. https://doi.org/10.1128/JB.00287-09

22. Auerbach G., Herrmann A., Bracher A., Bader G., Gütlich M., Fischer M., et al. Zinc plays a key role in human and bacterial GTP cyclohydrolase I // PNAS. 2000. Vol. 97. Issue 25. P. 13567–13572. https://doi.org/10.1073/pnas.240463497

23. Nar H., Huber R., Meining W., Schmid C., Weinkauf S., Bacher A. Atomic structure of GTP cyclohydrolase I // Structure. 1995. Vol. 3. Issue 5. P. 459–466. https://doi.org/10.1016/s0969-2126(01)00179-4

24. Harriff M.J., Danelishvili L., Wu M., Wilder C., McNamara M., Kent M.L., et al. Mycobacterium avium genes MAV-5138 and MAV-3679 are tran-scriptional regulators That play a role in invasion of epithelial cells, in part by their regulation of CipA, a putative surface protein interacting with host cell signaling pathways // Journal of Bacteriology. 2009. Vol. 191. Issue 4. P. 1132–1142. https://doi.org/10.1128/JB.01359-07

25. Миндубаев А.З., Бадеева Е.К., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Бабынин Э.В., Акосах Й.А. [и др.]. Устойчивость штаммов Aspergillus niger и бактерий к белому фосфору. Влияние двухвалентной меди на биодеградацию // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 56. N 11. С. 1–24.

26. Starkov A.A. The role of mitochondria in reactive oxygen species metabolism and signaling // Annals of the New York Academy of Sciences. 2008. Vol. 1147. Issue 1. P. 37–52. https://doi.org/10.1196/annals.1427.015

27. Sciuto A.M., Wong B.J., Martens M.E., Hoard-Fruchey H., Perkins M.W. Phosphine toxicity: a story of disrupted mitochondrial metabolism // Annals of the New York Academy of Sciences. 2016. Vol. 1374. Issue 1. P. 41–51. https://doi.org/10.1111/nyas.13081