vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestib-327Research ArticleСтатьиВЛИЯНИЕ КАТИОНОВ НА АКТИВНОСТЬ НАДФ+-ЗАВИСИМОЙ ГЛУТАМАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ У БАКТЕРИЙ РОДОВ ACINETOBACTER, RHODOCOCCUS И NOCARDIA – ПРОДУЦЕНТОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВINFLUENCE OF CATIONS ON NADP+-DEPENDENT GLUTAMATE DEHYDROGENASE ACTIVITY IN BACTERIA OF GENERA ACINETOBACTER, RHODOCOCCUS AND NOCARDIA −PRODUCERS OF SURFACTANTSПирогТ. П.PirogT. P.

д-р биол. наук, профессор, заведующий кафедрой

ул. Владимирская, 68, 01601

D. Sc. (Biol.), Leading researcher, Professor, Head of the Department

68, Vladimirskaya Str., 01601

tapirog@nuft.edu.uaШевчукТ. А.ShevchukT. A.

вед. инженер

ул. Академика Заболотного, 154, 03143

Leading Engineer

154, Academician Zabolotny Str., 03143

СавенкоИ. В.SavenkoI. V.

аспирант

ул. Владимир- ская, 68, 01601

Postgraduate student

68, Vladimirskaya Str., 01601

inga92@ukr.netЛуцайД. А.LutsaiD. A.

студент

ул. Владимирская, 68, 01601

Student

68, Vladimirskaya Str., 01601

lutayda0@ukr.netНациональный университет пищевых технологий, Киев; Институт микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного НАН Украины, КиевNational University of Food Technologies, Kyiv; Zabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine, KyivИнститут микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного НАН Украины, КиевZabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine, KyivНациональный университет пищевых технологий, КиевNational University of Food Technologies, Kyiv201716122017046774Copyright © Пирог Т.П., Шевчук Т.А., Савенко И.В., Луцай Д.А., 20172017Пирог Т.П., Шевчук Т.А., Савенко И.В., Луцай Д.А.Pirog T.P., Shevchuk T.A., Savenko I.V., Lutsai D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/327

Биологические свойства микробных поверхностно-активных веществ (ПАВ) обуславливают их возможное практическое использование в качестве антимикробных агентов. По химической природе ПАВ Acinetobacter calcoaceticus IМВ В-7241, Rhodococcus erythropolis IМВ Ас-5017 и Nocardia vaccinii ІМВ В-7405 являются комплексом нейтральных, глико-, фосфо- и аминолипидов. Согласно данным литературы, аминолипиды характеризуются наиболее высокой антимикробной активностью. Ключевым ферментом биосинтеза аминолипидов у штаммов IМВ В-7241, ІМВ В-7405 и ІМВ Ас-5017 является НАДФ+-зависимая глутаматдегидрогеназа. Предполагается, что выявление возможных активаторов и/или ингибиторов этого фермента с последующей соответствующей модификацией состава питательной среды позволит регулировать состав комплекса ПАВ и его свойства.

Целью работы было исследование влияния одно- и двухвалентных катионов на активность НАДФ+-зависимой глутаматдегидрогеназы у A. calcoaceticus IМВ В-7241, R. erythropolis IМВ Ас-5017 и N. vaccinii ІМВ В-7405.

Культивирование штаммов IМВ В-7241, ІМВ Ас-5017 и ІМВ В-7405 осуществляли в жидкой минеральной среде, содержащей этанол и глицерин в качестве источника углерода. Активность НАДФ+-зависимой глутаматдегидрогеназы (КФ 1.4.1.4) в бесклеточном экстракте анализировали по образованию глутамата в процессе окислении НАДФН при 340 нм.

Установлено, что активаторами НАДФ+-зависимой глутаматдегидрогеназы у A. calcoaceticus ІМВ В-7241 являются катионы кальция (5 мМ), магния (10 мМ) и цинка (0,001–0,01 мМ), у R. erythropolis ІМВ Ас-5017 − катионы кальция (5 мМ), у N. vacсinii IМВ В-7405 − катионы кальция (5 и 10 мМ), натрия (25–100 мМ) и калия (50 и 100 мМ). Дополнительное внесение активаторов фермента или увеличение их содержания в среде культивирования исследуемых штаммов сопровождалось повышением активности НАДФ+-зависимой глутаматдегидрогеназы в 1,5–3 раза по сравнению с таковой на базовой среде.

Полученные данные предполагают возможность регуляции свойств микробных ПАВ в процессе культивирования продуцента, что в перспективе позволит получать препараты со стабильными заданными свойствами в зависимости от сферы их практического применения. 

Surfactants of microbial origin are widely used in different industries. The application of microbial surfactants is promising in biology and medicine as an alternative to synthetic disinfectants or drugs due to their antimicrobial and antiadhesive properties. The key enzyme biosynthesis of surface active aminolipids (effective antimicrobials preperations) in Acinetobacter calcoaceticus IMV B-7241, Rhodococcus erythropolis IMV Ac-5017 and Nocardia vaccinii IMV B-7405 is NADP+-dependent glutamate dehydrogenase.

Aim – to study the effect of mono- and divalent cations on the activity of NADP+-dependent glutamate dehydrogenase in Acinetobacter calcoaceticus IMV B-7241, Rhodococcus erythropolis IMV Ac-5017and Nocardia vaccinii IMV B-7405.

The activity of NADP+ -dependent glutamate dehydrogenase (EC 1.4.1.4) in the cell-free extract was analyzed for the formation of glutamate in the oxidation of NADPH at 340 nm.

It was found that activators of this enzyme in A. calcoaceticus ІMV B-7241 were calcium cations (5 mM), magnesium (10 mM) and zinc (0.001–0.01mM), R. erythropolis ІMV Ac-5017 − calcium (5 mM), N. vaccinii IMV B-7405 − calcium (5 and 10 mM), sodium (25−100 mM), potassium (50 and 100 mM). Additional introduction or increase the content of enzyme activators in cultivation medium of studied strains was accompanied by increasing activity of NADP+-dependent glutamate dehydrogenase in 1.5-3 times compared with that in the base medium.

The possibility of regulating biological properties of final product during cultivation of surfactants producer are discussed. The obtained results suppose modification of microbial surfactants characteristics with the change in cultivation medium of cations content − activators and/or inhibitors of key enzymes biosynthesis of component surfactants responsible for specific biological properties. 

Acinetobacter calcoaceticus ІМВ В-7241Rhodococcus erythropolis ІМВ Ас-5017Nocardia vacсinii IМВ В-7405поверхностно-активные веществаактиваторы НАДФ+-зависимой глутаматдегидрогеназыAcinetobacter calcoaceticus IMV B-7241Rhodococcus erythropolis IMV Ac-5017Nocardia vaccinii IMV B-7405surfactantsactivators of NADP+-dependent glutamate dehydrogenaseReferencesBiosurfactants: multifunctional biomolecules of the 21st century / D. K. Santos [et al.] // Int. J. Mol. Sci. – 2016. – Vol. 17.Santos D. K., Rufino R. D., Luna J. M., Santos V. A., Sarubbo L. A. Biosurfactants: multifunctional biomolecules of the 21st century. International Journal of Molecular Sciences, 2016, vol. 17, no. 3. DOI: 10.3390/ijms17030401Fair, R. J. Antibiotics and bacterial resistance in the 21st century / R. J. Fair, Y. Tor // Perspect. Med. Chem. – 2014. − Vol. 6. – P. 25−64.Fair R. J., Tor Y. Antibiotics and bacterial resistance in the 21st century. Perspectives in Medicinal Chemistry, 2014, vol. 6, pp. 25−64. DOI: 10.4137/PMC.S14459Demain, A. L. Importance of microbial natural products and the need to revitalize their discovery / A. L. Demain // J. Ind. Microbiol. Biotech. – 2014. – Vol. 41, N 2. – P. 185–201.Demain A. L. Importance of microbial natural products and the need to revitalize their discovery. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2014, vol. 41, no. 2, pp. 185–201. DOI: 10.1007/s10295-013-1325-zPotential therapeutic applications of microbial surface-active compounds / L. Fracchi [et al.] // Bioengineering. – 2015. – Vol. 2, N 3. – P. 144–162.Fracchia L., Banat J. J., Cavallo M., Ceresa C., Banat I. M. Potential therapeutic applications of microbial surfaceactive compounds. AIMS Bioengineering, 2015, vol. 2, no. 3, pp. 144–162. DOI: 10.3934/bioeng.2015.3.144Robbel, L. Daptomycin, a bacterial lipopeptide synthesized by a nonribosomal machinery / L. Robbel, M. A. Marahiel // J. Biol. Chem. – 2010. – Vol. 285, N 36. – P. 27501−27508.Robbel L., Marahiel M. A. Daptomycin, a bacterial lipopeptide synthesized by a nonribosomal machinery. Journal of Biological Chemistry, 2010, vol. 285, no. 36, pp. 27501–27508. DOI: 10.1074/jbc.R110.128181. Epub. 2010Пирог, Т. П. Использование микробных поверхностно-активных веществ в биологии и медицине / Т. П. Пирог, А. Д. Конон, А. Б. Скочко // Биотехнология. – 2011. – Т. 4, № 2. – С. 24−38.Pirog T. P., Konon A. D, Skochko A. B. Microbial surface active substances use in biology and medicine. Biotekhnolohiya [Biotechnology], 2011, vol. 4, no. 2, pp. 24−38 (in Russian).Influence of cultivation conditions on antimicrobial properties of Nocardia vaccinii ІMV B-7405 surfactants / Т. P. Pirog [et al.] // Biotechnologia acta. − 2016. − Vol. 9, N 1. − P. 38−47.Pirog Т. P., Panasyuk E. V., Nikityuk L. V., Iutinska G. O. Influence of cultivation conditions on antimicrobial properties of Nocardia vaccinii ІMV B-7405 surfactants. Biotechnologia acta, 2016, vol. 9, no. 1, pp. 38−47. DOI: 10.15407/biotech9.01.038Антимикробные свойства поверхностно-активных веществ, синтезированных в различных условиях культиви- рования Acinetobacter calcoaceticus ІМВ В-7241 / Т. П. Пирог [и др.] // Микробиол. журн. – 2016. − Т. 78, № 3. − С. 2−12.Pirog T. P., Savenko I. V., Shevchuk T. A., Krutous N. V., Iutynska G. O. Antimicrobial properties surfactants synthesized under different cultivation conditions of Acinetobacter calcoaceticus ІMV B-7241. Microbiologichny Zhurnal [Microbiology Journal], 2016, vol. 78, no. 3, pp. 2−12 (in Russian).Intensification of surfactants’ synthesis by Rhodococcus erythropolis IMV Ac-5017, Acinetobacter calcoaceticus IMV В-7241 and Nocardia vaccinii K-8 on fried oil and glycerol containing medium / T. Pirog [et al.] // Food Bioprod. Proces. – 2013. – Vol. 91, N 2. – P. 149−157.Pirog T., Sofilkanych A., Konon A., Shevchuk T., Ivanov S. Intensification of surfactants’ synthesis by Rhodococcus erythropolis IMV Ac-5017, Acinetobacter calcoaceticus IMV B-7241 and Nocardia vaccinii K-8 on fried oil and glycerol containing medium. Food and Bioproducts Processing, 2013, vol. 91, no. 2, pp. 149−157. http://dx.doi.org/10.1016/j.fbp.2013.01.001.Gageostatins A–C, antimicrobial linear lipopeptides from a marine Bacillus subtilis / F. S. Tareq [et al.] // Mar. Drugs. – 2014. – Vol. 12, N 2. – Р. 871–885.Tareq F. S., Lee M. A., Lee H. S., Lee J. S., Lee Y. J., Shin H. J. Gageostatins A–C, antimicrobial linear lipopeptides from a marine Bacillus subtilis. Marine Drugs, 2014, vol. 12, no. 2, pp. 871–885. DOI: 10.3390/md12020871Physicochemical and antimicrobial properties of new rhamnolipids produced by Pseudomonas aeruginosa AT10 from soybean oil refinery wastes / A. Abalos [et al.] // Langmuir. – 2001. – Vol. 17, N 5. – P. 1367−1371.Abalos A., Pinazo A., Infante M. R., Casals M., García F., Manresa A. Physicochemical and antimicrobial properties of new rhamnolipids produced by Pseudomonas aeruginosa AT10 from soybean oil refinery wastes. Langmuir, 2001, vol. 17, no. 5, pp. 1367−1371.Mandal, S. M. Lipopeptides in microbial infection control: scope and reality for industry / S. M. Mandal, A. E. Barbosa, O. L. Franco // Biotechnol. Adv. – 2013. – Vol. 31, N 5. – P. 338−345.Mandal S. M., Barbosa A. E., Franco O. L. Lipopeptides in microbial infection control: scope and reality for industry. Biotechnology Advances, 2013, vol. 31, no. 5, pp. 338−345. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2013.01.004Подгорский, В. С. Интенсификация технологий микробного синтеза / В. С. Подгорский, Г. О. Иутинская, Т. П. Пирог. – Киев : Наук. думка, 2010. – 327 с.Podgorskiy V. S., Iutinskaya G. О., Pirog Т. P. Intensification of microbial synthesis technologies. Kyiv, Naykova Dumka [Scientific Thought], 2010. 327 p. (in Russian).Влияние факторов роста и некоторых микроэлементов на синтез поверхностно-активных веществ Аcinetobacter calcoaceticus ІМВ В-7241 / Т. П. Пирог [и др.] // Микробиол. журн. − 2013. − Т. 75, № 5. − С. 19−27.Pirog T. P., Shevchuk T. A., Mashchenko O. Yu., Parfenyuk S. A., Iutinskaya G. A. Effect of growth factors and some microelements on biosurfactant synthesis of Acinetobacter calcoaceticus IMV B-7241. Microbiologichny Zhurnal [Microbiology Journal], 2013, vol. 75, no. 5, pp. 19−27 (in Russian).Особенности метаболизма глюкозы и глицерола у Nocardia vaccinii ІМВ В-7405 − продуцента поверхностно- активных веществ / Т. П. Пирог [и др.] // Ukr. Biochem. J. – 2015. − Vol. 87, N 2. − P. 66−75.Pirog T. P., Shevchuk T. A., Beregova K. A., Kudrya N. V. Peculiarities of glucose and glycerol metabolism in Nocardia vaccinii IMB B-7405. Ukrainian Biochemical Journal, 2015, vol. 87, no. 2, pp. 66−75 (in Russian).Sakamoto, N. Glutamate dehydrogenase from Escherichia coli: purification and properties / N. Sakamoto, A. M. Kotre, M. A. Savageau // J. Bacteriol. − 1975. – Vol. 124, N 2. – P. 775−783.Sakamoto N., Kotre A. M., Savageau M. A. Glutamate dehydrogenase from Escherichia coli: purification and properties. Journal of Bacteriology, 1975, vol. 124 , no. 2, pp. 775−783.Hudson, R. C. Glutamate dehydrogenase from the extremely thermophilic archaebacterial isolate AN1 / R. C. Hudson, L. D. Ruttersmith, R. M. Daniel // Biochim. Biophys. Acta. – 1993. – Vol. 1202, N 2. – P. 244–250.Hudson R. C., Ruttersmith L. D., Daniel R. M. Glutamate dehydrogenase from the extremely thermophilic archaebacterial isolate AN1. Biochimica et Biophysica Acta, 1993, vol. 1202, no. 2, pp. 244–250.Lee, M. K. Extremely thermostable glutamate dehydrogenase (GDH) from the freshwater archaeon Thermococcus waiotapuensis: cloning and comparison with two marine hyperthermophilic GDHs / M. K. Lee, J. M. González, F. T. Robb // Extremophiles. − 2002. – Vol. 6, N 2. – P. 151–159.Lee M. K., González J. M., Robb F. T. Extremely thermostable glutamate dehydrogenase (GDH) from the freshwater archaeon Thermococcus waiotapuensis: cloning and comparison with two marine hyperthermophilic GDHs. Extremophiles, 2002, vol. 6, no. 2, pp. 151–159.Glutamate dehydrogenase from the aerobic hyperthermophilic archaeon Aeropyrum pernix K1: enzymatic characterization, identification of the encoding gene, and phylogenetic implications / M. W. Bhuiya [et al.] // Extremophiles. – 2000. – Vol. 4, N 6. – P. 333–341.Bhuiya M. W., Sakuraba H., Kujo C., Nunoura-Kominato N., Kawarabayasi Y., Kikuchi H., Ohshima T. Glutamate dehydrogenase from the aerobic hyperthermophilic archaeon Aeropyrum pernix K1: enzymatic characterization, identification of the encoding gene, and phylogenetic implications. Extremophiles, 2000, vol. 4, no. 6, pp. 333–341.Sarada, K. V. Isolation and characterisation of glutamate dehydrogenase from Mycobacterium smegmatis CDC 46 / K. V. Sarada, N. A. Rao, T. A. Venkitasubramanian // Biochim. Biophys. Acta. – 1980. – Vol. 615, N 2. – P. 299–308.Sarada K. V., Rao N. A., Venkitasubramanian T. A. Isolation and characterisation of glutamate dehydrogenase from Mycobacterium smegmatis CDC 46. Biochimica et Biophysica Acta, 1980, vol. 615, no. 2, pp. 299–308.Lin, H. P. P. Purification and characterization of NADP+-specific glutamate dehydrogenase from Escherichia coli / H. P. P. Lin, H. C. Reeves // Curr. Microbiol. − 1991. – Vol. 22, N 6. – P. 371–376.Lin H. P. P., Reeves H. C. Purification and characterization of NADP+-specific glutamate dehydrogenase from Escherichia coli. Current Microbiology, 1991, vol. 22, no. 6, pp. 371–376.Choudhury, R. Aspergillus terreus NADP-glutamate dehydrogenase is kinetically distinct from the allosteric enzyme of other Aspergilli / R. Choudhury, N. S. Punekar // Mycol. Res. – 2009. – Vol. 113, N 10. – P. 1121–1126.Choudhury R., Punekar N. S. Aspergillus terreus NADP-glutamate dehydrogenase is kinetically distinct from the allosteric enzyme of other Aspergilli. Mycological Research, 2009, vol. 113, no. 10, pp. 1121–1126. DOI: 10.1016/j.mycres.2009.07.009

The authors declare that there are no conflicts of interest present.