Витамин К₂ является медиатором транспорта электронов от НАДН-дегидрогеназы 2 к хинолоксидазе bd-типа у Lacticaseibacillus rhamnosus КМ МГУ 529

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 Y_P/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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.