«Принцип фортепиано» помог понять, как грибы синтезируют ценные для биотехнологии соединения

Неожиданную модель предложил ученый ФИЦ Биотехнологии РАН. Автор научного обзора сравнил извлечение звуков музыкальным инструментом с процессом синтеза грибами биологически активных соединений. Модель регуляции вторичного метаболизма по принципу фортепиано просто и наглядно объясняет механизм активации биосинтетических кластеров генов, приводящий к биосинтезу соответствующих вторичных метаболитов, а также указывает на способы повышения продуктивности высокоактивных штаммов. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.

Мицелиальные грибы, тело которых (мицелий) напоминает скопление тонких переплетающихся нитей, широко используются в биотехнологии для производства лекарственных препаратов, например антибиотиков, статинов, иммунодепрессантов. Отдельные виды этих грибов способны синтезировать более ста подобных биологически активных соединений, называемых вторичными метаболитами. Однако в конкретный период жизнедеятельности синтезируются лишь некоторые из этих веществ. Это зависит как от этапа развития микроорганизма, так и от условий внешней среды. Синтез различных вторичных метаболитов контролируется «включением» и «выключением» соответствующих генов в ответ на внутренние или внешние сигналы.

У мицелиальных грибов были обнаружены целые кластеры генов, контролирующие синтез вторичных метаболитов. Зная принципы, по которым эти гены активируются и подавляются, ученые предпринимают попытки управлять способностью грибов синтезировать важные для биотехнологии и медицины соединения и тем самым улучшать штаммы-продуценты. За последние десятилетия исследователи со всего мира накопили колоссальный объем информации о синтезе вторичных метаболитов у грибов. В связи с этим существует необходимость в обобщении всех данных и создании модели, способной наиболее просто и полно их описать. Александр Жгун, к.б.н., руководитель группы генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН, на основе классификации вторичных метаболитов грибов, их генных кластеров и иерархической системы регуляции предложил модель, обобщающую множество сложных процессов, происходящих в клетках мицелиальных грибов при синтезе вторичных метаболитов. Поскольку синтез любого из этих соединений «запускается» в ответ на некий сигнал, ученый сравнил его с принципом работы фортепиано, которое издает определенный звук в ответ на нажатие той или иной клавиши.

«Внутри каждой грибной клетки как бы спрятан музыкальный инструмент, своеобразное фортепиано, которое позволяет при нажатии на определенную клавишу — активации генного кластера - издавать конкретный звук — продуцировать целевой вторичный метаболит», — рассказывает Александр Жгун.

Так, согласно предложенной модели, когда из внешней среды не поступает никаких сигналов, гены, отвечающие за синтез вторичных метаболитов, неактивны и находятся в состоянии так называемого гетерохроматина — плотно упакованных участков ДНК. Ферменты, начинающие синтез, не могут приблизиться к таким участкам, и это можно сравнить с тем случаем, когда крышка клавиатуры фортепиано закрыта, а пюпитр для нот опущен. Подобно тому, как музыкант не может извлечь звуки из закрытого инструмента, грибная клетка не будет способна синтезировать вторичные метаболиты.

Для того чтобы запустить синтез, гены переводятся в состояние, доступное для регуляторных белков и белков аппарата транскрипции. В этом случае участок ДНК с необходимом кластером генов перестает быть плотно упакованной и переходит в состояние эухроматина. По аналогии, когда фортепиано подготовлено к работе, музыкант может нажимать на клавиши, что приводит к возникновению звуков. При этом в представленной модели каждая клавиша соответствует отдельному биосинтетическому кластеру генов, активация которого приводит к синтезу определенного низкомолекулярного соединения. Интересно, что автор научного обзора с помощью своей модели объясняет и тот факт, что внешние сигналы, на которые реагируют мицелиальные грибы, могут различаться по интенсивности.

«Подобно тому, как, нажимая по-разному на одну и ту же клавишу фортепиано, музыкант может получить разный по продолжительности, громкости и характеру затухания звук, микроорганизмы могут регулировать количество синтезируемого ими соединения. Естественно, в живых клетках эта зависимость более сложная и далеко не всегда линейная, что объясняется комплексной и иерархической системой регуляции, координирующей реакции метаболизма», — поясняет автор статьи.

Чтобы сделать модель еще нагляднее и точнее, ученый предложил сравнивать регуляцию синтеза вторичных метаболитов с более сложным музыкальным инструментом — органом, который имеет несколько рядов клавиш — клавиатур. Эта аналогия представилась исследователю более корректной, потому что мицелиальные грибы имеют обычно не одну (как один ряд клавиш у фортепиано), а несколько (от двух до нескольких десятков) хромосом. Соответственно, активацию генов, отвечающих за синтез вторичных метаболитов и расположенных на разных хромосомах, можно сравнить с нажатием клавиш на разных клавиатурах органа.

«Для того чтобы проиллюстрировать работу модели на примере органа, я использовал знания о расположении биосинтетических кластеров генов у модельного организма Penicillium chrysogenum. Этот организм, используемый в биотехнологии для продукции важнейшего для человечества антибиотика — пенициллина G. У P. Chrysogenum, 4 хромосомы, следовательно, его «орган» содержит 4 клавиатуры. На этих клавиатурах для многих кластеров не обозначены соответствующие им соединения, потому что даже для модельных грибных организмов продукты многих кластеров до сих пор не известны. Поэтому чтобы заставить «музыкальный инструмент» грибной клетки издать некоторые звуки, требуются значительные усилия со стороны ученых», — рассказывает Александр Александрович.

Модель фортепиано также позволяет объяснить, каким образом можно «заставить» гриб производить нужное человеку соединение в очень больших количествах. В норме у микроорганизмов есть особые «молекулярные ограничители», которые не позволяют им синтезировать избыточное количество продукта. Так же и у исправного фортепиано существует ограничение по силе и продолжительности звука, который возникает при нажатии той или иной клавиши. Однако если повредить инструмент, можно добиться того, чтобы осталась только одна интересующая клавиша и она звучала постоянно и очень громко.

«В случае мицелиальных грибов такие нарушения можно осуществить с помощью изменений в системе регуляции вторичного метаболизма и биосинтетических кластерах, ответственных за продукцию альтернативных (примесных) вторичных метаболитов. В биотехнологии такие нарушения обнаружили в штаммах-продуцентах, полученных на протяжении последних 70-ти лет в результате случайного мутагенеза. Они позволяют в больших количествах получать антибиотики и другие вторичные метаболиты, используемые в медицине и промышленности», — рассказывает Александр Жгун.

Предложенная ученым модель предлагает новый взгляд на принципы регуляции вторичного метаболизма у мицелиальных грибов. Она позволяет лучше понять, как человек может искусственно управлять активностью генов и продуктивностью микроорганизмов. Благодаря этому изложенные в работе принципы представляют практический интерес для биотехнологии.