Представители рода Sphingomonas обладают гибким метаболизмом и, таким образом, могут перерабатывать большое разнообразие как природных органических соединений, так и синтетических, к примеру, загрязнителей окружающей среды. Это вызвало обширный научный интерес к метаболическим путям этих организмов, свойствам ферментов, вовлеченных в эти пути, и генетике их катаболических процессов (Balkwill, 2006). Благодаря уникальным биоразлагающим и биосинтетическим способностям, сфингомонады имеют ряд биотехнологических применений, таких как, например, переработка веществ, загрязняющих окружающую среду (Cheng, 2021), увеличения продуктивности сельскохозяйственных растений (Saeed, 2021), как бактерии увеличивающие усваиваемость цинка растениями (Kamran, 2017; Saxena, 2015). Некоторые сфингомонады (особенно Sphingomonas paucimobilis, в геноме которого был выявлен ген интересующего нас родопсина (Okhrimenko, 2016, 2017, 2018)) также могут быть причиной заболеваний человека (Woo, 2014; Hardjo, 2016).

Максимум поглощения ретиналя основания Шиффа (RSB) родопсина S. paucimobilis (SpaR), солюбилизированного в n-додецил-β-D-мальтопиранозиде, соответствует 540 нм при рН 7,5 и не зависит от рН в диапазоне от 2,5 до 11. При значениях рН ниже 2,5 максимум спектров поглощения смещается в область 570 нм за счёт титрования протоноакцепторной группы Asp 73 (соответствует Asp 85 в бактериородопсине H. salinarum). Значение pK протоноакцепторной группы SpaR составило ~ 1,03. Это значение намного ниже, чем у известных протеородопсинов (Friedrich, 2002; Mowery, 1979), например, pK бактериородопсина H. salinarum составляет ~ 2,7. SpaR имеет три аминокислотных остатка гистидина и хелатирует ионы цинка, но изменения спектра поглощения RSB при титровании при низких значениях pH и pK(D73) в присутствии 10 или 5 мМ Zn2+ почти такие же, как и без Zn2+, а именно в присутствии цинка pK(D73) ~ 0,98. Спектральные изменения при снижении pH обратимы, но при инкубации белка наблюдается незначительная денатурация SpaR при совсем низких значениях pH. Максимальные изменения OD в ответ на изменение рН наблюдались при 515 нм и 615 нм. Было проведена глобальное фитирование изменений OD на этих длинах волн, полученные числа были нормализованы и представлены в виде доли протонированного состояния. Фитирование зависимостью описывающую бимолекулярную реакцию (протон+D73) дало указанные выше значения pK в точке перегиба сигмоидной кривой. Эти значения отражают pK(D73) акцепторной группы протонов Asp 73, которая пространственно близка к RSB. pK протоноакцепторной группы D73 родопсина SpaR имеет рекордно низкое значение и практически не зависит от концентрации Zn2+. Исследование выполнено при поддержке проекта РНФ 23-14-00160.



Использованная литература:



Balkwill, D. L., Fredrickson, J. K. & Romine, M. F. Sphingomonas and Related Genera. in The Prokaryotes 605–629 (Springer New York, 2006). doi:10.1007/0-387-30747-8_23.

Cheng, C., Wang, R., Sun, L., He, L. & Sheng, X. Cadmium-resistant and arginine decarboxylase-producing endophytic Sphingomonas sp. C40 decreases cadmium accumulation in host rice (Oryzasativa Cliangyou 513). Chemosphere 275, 130109 (2021).

Friedrich, T. et al. Proteorhodopsin is a Light-driven Proton Pump with Variable Vectoriality. J. Mol. Biol. 321, 821–838 (2002).

Hardjo Lugito, N. P., Cucunawangsih & Kurniawan, A. A Lethal Case of Sphingomonas paucimobilis Bacteremia in an Immunocompromised Patient. Case Rep. Infect. Dis. 2016, 1–4 (2016)

Mowery, P. et al. Effect of acid pH on the absorption spectra and photoreactions of bacteriorhodopsin. Biochemistry. 18.19, 4100-4107. (1979)

Kamran, S. et al. Contribution of Zinc Solubilizing Bacteria in Growth Promotion and Zinc Content of Wheat. Front. Microbiol. 8, (2017)

Okhrimenko, I., Popov, P., Pakhomova, S., Zyulina, V., Legkun, G., Malyar, N., ... & Gordeliy, V. (2016, September). Search of new optogenetics tools by means of structural and functional characterization of novel microbial rhodopsins which reproduce mutations of already known ones. In FEBS JOURNAL (Vol. 283, pp. 219-219). 111 RIVER ST, HOBOKEN 07030-5774, NJ USA: WILEY-BLACKWELL.

Охрименко И.С., Маляр Н.Л., Алексеев А.А., Петровская Л.Е., Попов П.А., Чижов И.В., Долгих Д.А., Кирпичников М.П., Бюльдт Г.Д., Горделий В.И. Микробный родопсин S. Paucimobilis: физико­химические свойства и функции. Спецвыпуск Acta Naturae, 2017. ISBN 978-5-906988-33-1, p. 73

Okhrimenko, I., Popov, P., Malyar, N., Petrovskaya, L., Lyubaikina, N., Soloviov, D., ... & Gordeliy, V. (2018). Properties of new unexplored microbial rhodopsins. VI International Conference “Chemistry, structure and function of biomolecules”, Minsk, 22-25 May. p. 52.

Saeed, Q. et al. Rhizosphere bacteria in plant growth promotion, biocontrol, and bioremediation of contaminated sites: A comprehensive review of effects and mechanisms. International Journal of Molecular Sciences vol. 22 (2021)

Saxena, S. Applied Microbiology. (Springer India, 2015). doi:10.1007/978-81-322-2259-0.

Woo, K.-S. et al. Outbreak of Pseudomonas Oryzihabitans Pseudobacteremia Related to Contaminated Equipment in an Emergency Room of a Tertiary Hospital in Korea. Infect. Chemother. 46, 42 (2014)

Members of the genus Sphingomonas have a flexible metabolism and thus can process a wide variety of both natural organic compounds and synthetic ones, such as environmental pollutants. This has generated extensive scientific interest in the metabolic pathways of these organisms, the properties of the enzymes involved in these pathways, and the genetics of their catabolic processes (Balkwill, 2006). Due to their unique biodegradable and biosynthetic abilities, Sphingomonas have a number of biotechnological applications, such as bioremediation or the processing of environmental pollutants (Cheng, 2021), and plant growth promotion (Saeed, 2021) as zinc solubilizing bacteria (Kamran, 2017; Saxena, 2015). Some sphingomonas (especially Sphingomonas paucimobilis, in whose genome the rhodopsin SpaR was found (Okhrimenko, 2016, 2017, 2018)) can also be the cause of human diseases (Woo, 2014; Hardjo, 2016).

The maximum of absorption of retinal Schiff base (RSB) of S. paucimobilis rhodopsin (SpaR) solubilized in n-dodecyl-β-D-maltopyranoside corresponds to 540 nm at pH 7.5, and does not depend on pH in a range from 2,5 to 11. At pH values lower than 2.5 maximum of the absorption spectra is shifted to 570 nm due to the titration of proton acceptor group Asp 73 (corresponds to Asp 85 in H. salinarum bacteriorhodopsin). The pK of proton-acceptor group of SpaR was estimated as ~ 1,03. This value is much lower than in known proteorhodopsins (Friedrich, 2002; Mowery, 1979), for instance the pK of H. salinarum bacteriorhodopsin is ~ 2.7. SpaR has three histidine residues and chelates zinc ions but the changes of the absorption spectrum of RSB during titration at low pH and pKD73 in the presence of 10 or 5 mM Zn2+ is almost the same as in the absence of Zn2+, namely, in the presence of zinc pK(D73) ~ 0.98. The spectral changes with decreasing pH are reversible, but slight denaturation of SpaR at low pH is observed upon incubation of the SpaR at the lowest pH values. The maximum changes of OD in response of change of pH were observed at 515 nm and 615 nm, global fitting of OD changes at these wavelengths was done, then the results were normalized and plotted as fractions of protonated states. Fitting the dependence describing the bimolecular reaction (proton+D73) gave the above pK values at the inflection point of the sigmoidal curve. These values reflects the pK of proton acceptor group Asp 73 which is spatially close to RSB. The pKD73 of SpaR is notably low and do negligible depends on Zn2+ concentration. The study was supported by the RSF project 23-14-00160.



Links:



Balkwill, D. L., Fredrickson, J. K. & Romine, M. F. Sphingomonas and Related Genera. in The Prokaryotes 605–629 (Springer New York, 2006). doi:10.1007/0-387-30747-8_23.

Cheng, C., Wang, R., Sun, L., He, L. & Sheng, X. Cadmium-resistant and arginine decarboxylase-producing endophytic Sphingomonas sp. C40 decreases cadmium accumulation in host rice (Oryzasativa Cliangyou 513). Chemosphere 275, 130109 (2021).

Friedrich, T. et al. Proteorhodopsin is a Light-driven Proton Pump with Variable Vectoriality. J. Mol. Biol. 321, 821–838 (2002).

Hardjo Lugito, N. P., Cucunawangsih & Kurniawan, A. A Lethal Case of Sphingomonas paucimobilis Bacteremia in an Immunocompromised Patient. Case Rep. Infect. Dis. 2016, 1–4 (2016)

Mowery, P. et al. Effect of acid pH on the absorption spectra and photoreactions of bacteriorhodopsin. Biochemistry. 18.19, 4100-4107. (1979)

Kamran, S. et al. Contribution of Zinc Solubilizing Bacteria in Growth Promotion and Zinc Content of Wheat. Front. Microbiol. 8, (2017)

Okhrimenko, I., Popov, P., Pakhomova, S., Zyulina, V., Legkun, G., Malyar, N., ... & Gordeliy, V. (2016, September). Search of new optogenetics tools by means of structural and functional characterization of novel microbial rhodopsins which reproduce mutations of already known ones. In FEBS JOURNAL (Vol. 283, pp. 219-219). 111 RIVER ST, HOBOKEN 07030-5774, NJ USA: WILEY-BLACKWELL.

Okhrimenko I.S., Malyar N.L., Alexeev A.A., Petrovskaya L.E., Popov P.A., Chizhov I.V., Dolgikh D.A., Kirpichnikov MP, Buldt G.D., Gordelius V.I. Microbial rhodopsin S. Paucimobilis: physicochemical properties and functions. Special issue of Acta Naturae, 2017. ISBN 978-5-906988-33-1, p. 73

Okhrimenko, I., Popov, P., Malyar, N., Petrovskaya, L., Lyubaikina, N., Soloviov, D., ... & Gordeliy, V. (2018). Properties of new unexplored microbial rhodopsins. VI International Conference “Chemistry, structure and function of biomolecules”, Minsk, 22-25 May. p. 52.

Saeed, Q. et al. Rhizosphere bacteria in plant growth promotion, biocontrol, and bioremediation of contaminated sites: A comprehensive review of effects and mechanisms. International Journal of Molecular Sciences vol. 22 (2021)

Saxena, S. Applied Microbiology. (Springer India, 2015). doi:10.1007/978-81-322-2259-0.

Woo, K.-S. et al. Outbreak of Pseudomonas Oryzihabitans Pseudobacteremia Related to Contaminated Equipment in an Emergency Room of a Tertiary Hospital in Korea. Infect. Chemother. 46, 42 (2014)