vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-1163Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEВитамин К2 является медиатором транспорта электронов от НАДН-дегидрогеназы 2 к хинолоксидазе bd-типа у Lacticaseibacillus rhamnosus КМ МГУ 529Vitamin K2 mediates electron transport from NADH dehydrogenase 2 to bd-type quinol oxidase in Lacticaseibacillus rhamnosus CM MSU 529https://orcid.org/0000-0001-9081-0688ДинариеваТ. Ю.DinarievaT. Y.

Динариева Татьяна Юрьевна – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры микробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 12Тел.: 8-495-939-27-63

Department of Microbiology, Faculty of Biology

1–12 Leninskie Gory, Moscow, 119234

dinarieva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6188-6525КлимкоА. И.KlimkoA. I.

Климко Алена Игоревна – аспирантка кафедры микробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 12Тел.: 8-495-939-42-23

Department of Microbiology, Faculty of Biology

1–12 Leninskie Gory, Moscow, 119234

alenaklimko221@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8764-0200ЧердынцеваТ. А.CherdyntsevaT. A.

Чердынцева Татьяна Андреевна – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры микробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 12Тел.: 8-495-939-27-63

Department of Microbiology, Faculty of Biology

1–12 Leninskie Gory, Moscow, 119234

taniacherd@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1807-297XБрюхановА. Л.BryukhanovA. L.

Брюханов Андрей Леонидович – канд. биол. наук, доц., ст. науч. сотр. кафедры микробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 12Тел.: 8-495-939-42-23

Department of Microbiology, Faculty of Biology

1–12 Leninskie Gory, Moscow, 119234

brjuchanov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2803-3037НетрусовА. И.NetrusovA. I.

Нетрусов Александр Иванович – докт. биол. наук, проф. кафедры микробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 12101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20Тел.: 8-495-939-54-83

Department of Microbiology, Faculty of BiologyFaculty of Biology and Biotechnology

1–12 Leninskie Gory, Moscow, 119234Mjasnitskaja 20, Moscow, 101000

anetrusov@mail.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Высшая школа экономикиРоссияLomonosov Moscow State University; High School of EconomicsRussian Federation202220082022773188194Copyright © Динариева Т.Ю., Климко А.И., Чердынцева Т.А., Брюханов А.Л., Нетрусов А.И., 20222022Динариева Т.Ю., Климко А.И., Чердынцева Т.А., Брюханов А.Л., Нетрусов А.И.Dinarieva T.Y., Klimko A.I., Cherdyntseva T.A., Bryukhanov A.L., Netrusov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/1163

Lacticaseibacillus rhamnosus КМ МГУ 529 выращивали в периодической культуре при интенсивной аэрации в присутствии 38 мкМ гемина и 18 мкМ витамина К2 как источника менахинона для активации дыхательного метаболизма. Контролем служила аэробная культура, выращенная без добавления гемина и менахинона. Внесение в ростовую среду гемина или менахинона по отдельности не оказывало существенного влияния на рост культуры. В дыхательных условиях (гемин + К2) выход биомассы суточной культуры составлял 2,86 ± 0,05 г сухих клеток/л, а молярный экономический коэффициент YP/S после 18 ч культивирования – 25,6 ± 1,5 г сухих клеток/моль использованной глюкозы. Оба значения превышали аналогичные показатели для аэробных условий на 27%. Спектральный анализ выявил присутствие цитохромов b- и d-типа в мембранах L. rhamnosus КМ МГУ 529. Активность электрон-транспортной цепи бактерии исследовали полярографическим методом. Препараты мембран из клеток, выращенных аэробно на среде с гемином, активно потребляли кислород в присутствии 1 мМ НАДН. Внесение 0,2 мМ менахинона в реакционную смесь сопровождалось увеличением скорости окисления мембранами НАДН в 4,6 раза. С помощью MALDI-TOF MS/MS идентифицированы ферменты, предположительно участвующие в окислении мембранами НАДН: пиридиннуклеотид-дисульфид-оксидоредуктаза (Nox-2), НАДН-дегидрогеназа 2 (Ndh-2) и субъединица I убихинолоксидазы bd (CydA). Таким образом, при окислении НАДН 80% транспорта электронов от НАДН к кислороду шло через Ndh-2, менахинон, хинолоксидазу bd-типа и только 20% – через Nox-2. В работе приведены экспериментальные свидетельства в пользу функционирования электрон-транспортной цепи у L. rhamnosus КМ МГУ 529 при аэробном культивировании в присутствии гемина и менахинона. Впервые измерены скорости окисления НАДН препаратами мембран молочнокислой бактерии. При этом впервые продемонстрировано in vitro свойство экзогенного менахинона переносить электроны от Ndh-2 к хинолоксидазе bd-типа у молочнокислой бактерии.

Тo activate respiratory metabolism Lacticaseibacillus rhamnosus CM MSU 529 was grown in a batch culture under intensive aeration in the presence of 38 μM hemin and 18 μM vitamin K2 as a source of menaquinone. Unsupplemented aerobic culture served as a control. Supplementation of the growth medium with hemin or menaquinone separately had no significant effect on culture growth. Biomass concentration of 2,86 ± 0,05 g dw cells/l and the yield coefficient for biomass YP/S of 25,6 ± 1,5 g dw cells/mol glucose consumed were determined after 24 h and 18 h of cultivation under respiratory conditions (hemin + K2) respectively. Both values were 27% higher compared to those for aerobic conditions. Spectral analysis revealed the presence of cytochromes b- and d-type in membranes of L. rhamnosus CM MSU 529. The activity of bacterial electron transport chain was investigated by polarographic technique. Membrane preparations obtained from cells grown aerobically on hemin-containing medium intensively consumed oxygen in the presence of 1 mM NADH. Addition of 0.2 mM menaquinone to reaction mixture caused the increase of NADH oxidation rate by 4.6 fold. Enzymes presumably involved in NADH oxidation by membranes were identified using MALDI-TOF MS/MS: pyridine nucleotide-disulfide oxidoreductase (Nox-2), NADH dehydrogenase 2 (Ndh-2), and ubiquinol oxidase bd subunit I (CydA). Thus, during NADH oxidation 80% of electron transport from NADH to oxygen went via Ndh-2, menaquinone, bd-type quinol oxidase and only 20% – via Nox-2. The study presents experimental evidence for electron transport chain functioning in L. rhamnosus CM MSU 529 during aerobic cultivation with hemin and menaquinone. The NADH oxidation rates of membrane preparations of lactic acid bacteria were measured for the first time. The property of exogenous menaquinone to transfer electrons from Ndh-2 to bd-type quinol oxidase was demonstrated for the first time in vitro in lactic acid bacteria.

молочнокислые бактерииLacticaseibacillus rhamnosusдыханиеэлектрон-транспортная цепьНАДН-дегидрогеназа 2хинолоксидаза bdNox-2lactic acid bacteriaLacticaseibacillus rhamnosusrespirationelectron-transport chainNADH dehydrogenase 2quinol oxidase bdNox-2Исследование выполнено в рамках госзадания по теме кафедры микробиологии МГУ «Физиология и биохимия фототрофных и хемотрофных микроорганизмов» (№ 121032300094-7).The study was performed within the framework of the state task on the topic of the Department of Microbiology of MSU “Physiology and Biochemistry of Phototrophic and Chemotrophic Microorganisms” (project number 121032300094-7).ReferencesHill C., Guarner F., Reid G., Gibson G.R., Merenstein D.J., Pot B., Morelli L., Canani R.B., Flint H.J., Salminen S., Calder P.C., Sanders M.E. The international scientific association for probiotics and prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic // Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2014. Vol. 11. N 8. P. 506–514.Hill C., Guarner F., Reid G., Gibson G.R., Merenstein D.J., Pot B., Morelli L., Canani R.B., Flint H.J., Salminen S., Calder P.C., Sanders M.E. The international scientific association for probiotics and prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic // Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2014. Vol. 11. N 8. P. 506–514.Moslem P., Hossein N., Mahdi R., Seyed N.H., Seyed A.S. Lactobacillus rhamnosus Gorbach-Goldin (GG): a top well-researched probiotic strain // J. Med. Microbiol. 2017. Vol. 5. N 5–6. P. 46–59.Moslem P., Hossein N., Mahdi R., Seyed N.H., Seyed A.S. Lactobacillus rhamnosus Gorbach-Goldin (GG): a top well-researched probiotic strain // J. Med. Microbiol. 2017. Vol. 5. N 5–6. P. 46–59.Pedersen M.B., Gaudu P., Lechardeur D., Petit M.A., Gruss A. Aerobic respiration metabolism in lactic acid bacteria and uses in biotechnology // Annu. Rev. Food Sci. Technol. 2012. Vol. 3. P. 37–58.Pedersen M.B., Gaudu P., Lechardeur D., Petit M.A., Gruss A. Aerobic respiration metabolism in lactic acid bacteria and uses in biotechnology // Annu. Rev. Food Sci. Technol. 2012. Vol. 3. P. 37–58.Arioli S., Zambelli D., Guglielmetti S., De Noni I., Pedersen M.B., Pedersen P.D., Dal Bello F., Mora D. Increasing the heme-dependent respiratory efficiency of Lactococcus lactis by inhibition of lactate dehydrogenase // Appl. Environ. Microbiol. 2013. Vol. 79. N 1. P. 376–380.Arioli S., Zambelli D., Guglielmetti S., De Noni I., Pedersen M.B., Pedersen P.D., Dal Bello F., Mora D. Increasing the heme-dependent respiratory efficiency of Lactococcus lactis by inhibition of lactate dehydrogenase // Appl. Environ. Microbiol. 2013. Vol. 79. N 1. P. 376–380.Ianniello R.G., Zotta T., Matera A., Genovese F., Parente E., Ricciardi A. Investigation of factors affecting aerobic and respiratory growth in the oxygen-tolerant strain Lactobacillus casei N87 // PLoS One. 2016. Vol. 11. N 11: e0164065.Ianniello R.G., Zotta T., Matera A., Genovese F., Parente E., Ricciardi A. Investigation of factors affecting aerobic and respiratory growth in the oxygen-tolerant strain Lactobacillus casei N87 // PLoS One. 2016. Vol. 11. N 11: e0164065.Zotta T., Parente E., Ricciardi A. Aerobic metabolism in the genus Lactobacillus: impact on stress response and potential applications in the food industry // J. Appl. Microbiol. 2017. Vol. 122. N 4. P. 857–869.Zotta T., Parente E., Ricciardi A. Aerobic metabolism in the genus Lactobacillus: impact on stress response and potential applications in the food industry // J. Appl. Microbiol. 2017. Vol. 122. N 4. P. 857–869.Siciliano R.A. Pannella G., Lippolis R., Ricciardi A., Mazzeo M. F., Zotta T. Impact of aerobic and respirative life-style on Lactobacillus casei N87 proteome // Int. J. Food Microbiol. 2019. Vol. 298. P. 51–62.Siciliano R.A. Pannella G., Lippolis R., Ricciardi A., Mazzeo M. F., Zotta T. Impact of aerobic and respirative life-style on Lactobacillus casei N87 proteome // Int. J. Food Microbiol. 2019. Vol. 298. P. 51–62.Johanson A., Goel A., Olsson L., Franzén C.J. Respiratory physiology of Lactococcus lactis in chemostat cultures and its effect on cellular robustness in frozen and freeze-dried starter cultures // Appl. Environ. Microbiol. 2020. Vol. 86. N 6: e02785–19.Johanson A., Goel A., Olsson L., Franzén C.J. Respiratory physiology of Lactococcus lactis in chemostat cultures and its effect on cellular robustness in frozen and freeze-dried starter cultures // Appl. Environ. Microbiol. 2020. Vol. 86. N 6: e02785–19.Klimko A.I., Cherdyntseva T.A., Brioukhanov A.L., Netrusov A.I. In vitro evaluation of probiotic potential of selected lactic acid bacteria strains // Probiotics Antimicrob. Proteins. 2020. Vol. 12. N 3. P. 1139–1148.Klimko A.I., Cherdyntseva T.A., Brioukhanov A.L., Netrusov A.I. In vitro evaluation of probiotic potential of selected lactic acid bacteria strains // Probiotics Antimicrob. Proteins. 2020. Vol. 12. N 3. P. 1139–1148.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. Vol. 72. P. 248–254.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. Vol. 72. P. 248–254.Teteneva N.A., Mart’yanov S.V., Esteban-López M., Kahnt J., Glatter T., Netrusov A.I., Plakunov V.K., Sourjik V. Multiple drug-induced stress responses inhibit formation of Escherichia coli biofilms // Appl. Environ. Microbiol. 2020. Vol. 86. N 21: e01113–20.Teteneva N.A., Mart’yanov S.V., Esteban-López M., Kahnt J., Glatter T., Netrusov A.I., Plakunov V.K., Sourjik V. Multiple drug-induced stress responses inhibit formation of Escherichia coli biofilms // Appl. Environ. Microbiol. 2020. Vol. 86. N 21: e01113–20.Wagner T., Wegner C.E., Kahnt J., Ermler U., Shima S. Phylogenetic and structural comparisons of the three types of methyl coenzyme M reductase from Methanococcales and Methanobacteriales // J. Bacteriol. 2017. Vol. 199. N 16: e00197–17.Wagner T., Wegner C.E., Kahnt J., Ermler U., Shima S. Phylogenetic and structural comparisons of the three types of methyl coenzyme M reductase from Methanococcales and Methanobacteriales // J. Bacteriol. 2017. Vol. 199. N 16: e00197–17.Eng J.K., McCormack A.L., Yates J.R. An approach to correlate tandem mass spectral data of peptides with amino acid sequences in a protein database // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1994. Vol. 5. N 11. P. 976–989.Eng J.K., McCormack A.L., Yates J.R. An approach to correlate tandem mass spectral data of peptides with amino acid sequences in a protein database // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1994. Vol. 5. N 11. P. 976–989.Ianniello R.G., Zheng J., Zotta T., Ricciardi A., Gänzle M.G. Biochemical analysis of respiratory metabolism in the heterofermentative Lactobacillus spicheri and Lactobacillus reuteri // J. Appl. Microbiol. 2015. Vol. 119. N 3. P. 763–775.Ianniello R.G., Zheng J., Zotta T., Ricciardi A., Gänzle M.G. Biochemical analysis of respiratory metabolism in the heterofermentative Lactobacillus spicheri and Lactobacillus reuteri // J. Appl. Microbiol. 2015. Vol. 119. N 3. P. 763–775.Sakamoto J., Koga E., Mizuta T., Sato C., Noguchi S., Sone N. Gene structure and quinol oxidase activity of a cytochrome bd-type oxidase from Bacillus stearothermophilus // Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vol. 1411. N 1. P. 147–158.Sakamoto J., Koga E., Mizuta T., Sato C., Noguchi S., Sone N. Gene structure and quinol oxidase activity of a cytochrome bd-type oxidase from Bacillus stearothermophilus // Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vol. 1411. N 1. P. 147–158.Averina O.V., Poluektova E.U., Marsova M.V., Danilenko V.N. Biomarkers and utility of the antioxidant potential of probiotic lactobacilli and bifidobacteria as representatives of the human gut microbiota // Biomedicines 2021, Vol. 9. N 10: e1340.Averina O.V., Poluektova E.U., Marsova M.V., Danilenko V.N. Biomarkers and utility of the antioxidant potential of probiotic lactobacilli and bifidobacteria as representatives of the human gut microbiota // Biomedicines 2021, Vol. 9. N 10: e1340.Marreiros B.C., Sena F.V., Sousa F.M., Batista A.P.,Manuela M. Pereira M.M. Type II NADH: quinone oxidoreductase family: phylogenetic distribution, structural diversity and evolutionary divergences // Environ. Microbiol. 2016. Vol. 18. N 12. P. 4697–4709.Marreiros B.C., Sena F.V., Sousa F.M., Batista A.P.,Manuela M. Pereira M.M. Type II NADH: quinone oxidoreductase family: phylogenetic distribution, structural diversity and evolutionary divergences // Environ. Microbiol. 2016. Vol. 18. N 12. P. 4697–4709.

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