Характеристика генетических локусов, определяющих деградацию фенола, в геноме бактерий штамма Rhodococcus pyridinivorans 5Ap

  • Мария Ивановна Мандрик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Артур Эдуардович Охремчук Институт микробиологии НАН Беларуси, ул. Академика Купревича, 2, 220084, г. Минск, Беларусь
  • Леонид Николаевич Валентович Институт микробиологии НАН Беларуси, ул. Академика Купревича, 2, 220084, г. Минск, Беларусь
  • Элла Вячеславовна Трушлис Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Алина Юрьевна Ларченко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Светлана Леонидовна Василенко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Охарактеризована динамика роста бактерий штамма Rhodococcus pyridinivorans 5Ар в среде с фенолом (200 мг/л). Бактерии достигают стационарной фазы через 24 ч культивирования. К этому времени происходит полная утилизация фенола. В результате полногеномного секвенирования установлено, что геном бактерий штамма R. pyridinivorans 5Ap представлен кольцевой хромосомой размером 5 220 735 пар нуклеотидов (номер в базе данных GenBank CP063450.1) и тремя кольцевыми мегаплазмидами – pSID размером 250 428 пар нуклеотидов (CP063453.1), pRh5Ap-243 размером 243 288 пар нуклеотидов (CP063452.1) и pNAPH размером 207 815 пар нуклеотидов (CP063451.1). Сравнение организации генов β-кетоадипатного пути биодеградации фенола в геномах 78 бактерий рода Rhodococcus групп В (подгруппы В1 и В2), С и D показало, что, несмотря на высокий уровень синтении в целом, каждая группа обладает особенностями в строении исследуемых локусов. В отличие от остальных групп у бактерий группы С опероны pheA2A1 и catABC разделены тремя генами, в том числе генами fadA и fadI, которые определяют альтернативную возможность окисления фенола с образованием сукцинил-КоА (у других групп, по всей вероятности, образуется только ацетил-КоА). У родококков группы С и подгруппы В1 в геноме присутствует дополнительный локус, включающий гены pheA2, pheA1 и catA. Второй локус у бактерий подгруппы В1, групп С и D представлен оперонами pcaIJ и pcaHGBLRF, тогда как у бактерий подгруппы В2 он включает опероны pcaIJ и pcaBLRF, а оперон pcaHG, кодирующий компоненты пирокатехин-3,4-диоксигеназы, расположен в ином локусе хромосомы. Регуляторные области оперонов pheA2A1 и catABC у бактерий штамма R. pyridinivorans 5Ap сходны с известными и содержат сайты связывания как специфических регуляторных белков PheR и CatR соответственно, так и глобального регулятора катаболизма CRP. В результате анализа межгенной области pcaI – pcaB бактерий штамма R. pyridinivorans 5Ap выявлены шесть потенциальных сайтов связывания белка PcaR. Характер расположения данных сайтов может свидетельствовать о двойной роли регуляторного белка PcaR: как репрессора в не связанном с эффектором состоянии и как активатора в связанном с эффектором состоянии.

Биографии авторов

Мария Ивановна Мандрик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры микробиологии биологического факультета

 

Артур Эдуардович Охремчук, Институт микробиологии НАН Беларуси, ул. Академика Купревича, 2, 220084, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории «Центр аналитических и генно-инженерных исследований»

 

Леонид Николаевич Валентович, Институт микробиологии НАН Беларуси, ул. Академика Купревича, 2, 220084, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; заведующий лабораторией «Центр аналитических и генно-инженерных исследований»

 

Элла Вячеславовна Трушлис, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

стажер младшего научного сотрудника научно-исследовательской лаборатории биотехнологии кафедры микробиологии биологического факультета

 

Алина Юрьевна Ларченко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры микробиологии биологического факультета. Научный руководитель – М. И. Мандрик

 

Светлана Леонидовна Василенко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; заведующий кафедрой микробиологии биологического факультета

 

Литература

  1. Zhao T, Gao Y, Yu T, Zhang Y, Zhang Z, Zhang L, et al. Biodegradation of phenol by a highly tolerant strain Rhodococcus ruber C1: biochemical characterization and comparative genome analysis. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021;208:111709. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2020.111709.
  2. Gröning JAD, Eulberg D, Tischler D, Kaschabek SR, Schlömann M. Gene redundancy of two-component (chloro)phenol hydroxylases in Rhodococcus opacus 1CP. FEMS Microbiology Letters. 2014;361(1):68–75. DOI: 10.1111/1574-6968.12616.
  3. Pokryshkin SA, Kosyakov DS, Kozhevnikov AYu, Lakhmanov DE, Ul’yanovskii NV. [Highly sensitive determination of chlorophenols in sea water by gas chromatography – tandem mass spectrometry]. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2018;73(10):768–775. Russian. DOI: 10.1134/s0044450218100092.
  4. Patrauchan MA, Florizone C, Dosanjh M, Mohn WW, Davies J, Eltis LD. Catabolism of benzoate and phthalate in Rhodococcus sp. strain RHA1: redundancies and convergence. Journal of Bacteriology. 2005;187(12):4050–4063. DOI: 10.1128/jb.187.12.4050-4063.2005.
  5. Basu S, Dhar R, Bhattacharyya M, Dutta TK. Biochemical and multi-omics approaches to obtain molecular insights into the catabolism of the plasticizer benzyl butyl phthalate in Rhodococcus sp. strain PAE-6. Microbiology Spectrum. 2023;11(4):e04801-22. DOI: 10.1128/spectrum.04801-22.
  6. Yoneda A, Henson WR, Goldner NK, Park KJ, Forsberg KJ, Kim SJ, et al. Comparative transcriptomics elucidates adaptive phenol tolerance and utilization in lipid-accumulating Rhodococcus opacus PD630. Nucleic Acids Research. 2016;44(5):2240–2254. DOI: 10.1093/nar/gkw055.
  7. Bukliarevich HA, Gurinovich AS, Filonov AE, Titok MA. Molecular genetic and functional analysis of the genes encoding alkane 1-monooxygenase synthesis in members of the genus Rhodococcus. Microbiology. 2023;92(2):242–255. DOI: 10.1134/s0026261722603311.
  8. Soudi MR, Kolahchi N. Bioremediation potential of a phenol degrading bacterium, Rhodococcus erythropolis SKO-1. Progress in Biological Sciences. 2011;1(1):31–40. DOI: 10.22059/pbs.2011.22457.
  9. Margesin R, Fonteyne P-A, Redl B. Low-temperature biodegradation of high amounts of phenol by Rhodococcus spp. and basidiomycetous yeasts. Research in Microbiology. 2005;156(1):68–75. DOI: 10.1016/j.resmic.2004.08.002.
  10. Rucká L, Nešvera J, Pátek M. Biodegradation of phenol and its derivatives by engineered bacteria: current knowledge and perspectives. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2017;33(9):174. DOI: 10.1007/s11274-017-2339-x.
  11. Veselý M, Knoppová M, Nešvera J, Pátek M. Analysis of catRABC operon for catechol degradation from phenol-degrading Rhodococcus erythropolis. Applied Microbiology and Biotechnology. 2007;76(1):159–168. DOI: 10.1007/s00253-007-0997-6.
  12. Szőköl J, Rucká L, Šimčíková M, Halada P, Nešvera J, Pátek M. Induction and carbon catabolite repression of phenol degradation genes in Rhodococcus erythropolis and Rhodococcus jostii. Applied Microbiology and Biotechnology. 2014;98(19):8267–8279. DOI: 10.1007/s00253-014-5881-6.
  13. Čejková A, Masák J, Jirků V, Veselý M, Pátek M, Nešvera J. Potential of Rhodococcus erythropolis as a bioremediation organism. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2005;21(3):317–321. DOI: 10.1007/s11274-004-2152-1.
  14. Ivshina IB, Kamenskikh TN, Lyapunov YaE, compilers. Katalog shtammov Regional’noi profilirovannoi kollektsii alkanotrofnykh mikroorganizmov [Catalog of strains of the Regional Specialised Collection of Alkanotrophic Microorganisms]. Ivshina IB, editor. Moscow: Nauka; 1994. 163 p. Russian.
  15. Romanenko VI, Kuznetsov SI. Ehkologiya mikroorganizmov presnykh vodoemov [Ecology of freshwater microorganisms]. Strelkov AA, Butorin NV, Vainshtein BA, Kamshilov MM, Mordukhai-Boltovskoi FD, Poddubnyi AG, et al., editors. Leningrad: Nauka; 1974. 194 p. Russian.
  16. te Riele H, Michel B, Ehrlich SD. Single-stranded plasmid DNA in Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus. PNAS. 1986; 83(8):2541–2545. DOI: 10.1073/pnas.83.8.2541.
  17. Oberto J. SyntTax: a web server linking synteny to prokaryotic taxonomy. BMC Bioinformatics. 2013;14:4. DOI: 10.1186/1471-2105-14-4.
  18. Przybulewska K, Wieczorek A, Nowak A, Pochrząszcz M. The isolation of microorganisms capable of phenol degradation. Polish Journal of Microbiology. 2006;55(1):63–67.
  19. Jones AL, Brown JM, Mishra V, Perry JD, Steigerwalt AG, Goodfellow M. Rhodococcus gordoniae sp. nov., an actinomycete isolated from clinical material and phenol-contaminated soil. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2004;54(2):407–411. DOI: 10.1099/ijs.0.02756-0.
  20. Nogina T, Fomina M, Dumanskaya T, Zelena L, Khomenko L, Mikhalovsky S, et al. A new Rhodococcus aetherivorans strain isolated from lubricant-contaminated soil as a prospective phenol-biodegrading agent. Applied Microbiology and Biotechnology. 2020;104(8):3611–3625. DOI: 10.1007/s00253-020-10385-6.
  21. Roell GW, Carr RR, Campbell T, Shang Z, Henson WR, Czajka JJ, et al. A concerted systems biology analysis of phenol metabolism in Rhodococcus opacus PD630. Metabolic Engineering. 2019;55:120–130. DOI: 10.1016/j.ymben.2019.06.013.
  22. Shahabivand S, Mortazavi SS, Mahdavinia GR, Darvishi F. Phenol biodegradation by immobilized Rhodococcus qingshengii isolated from coking effluent on Na-alginate and magnetic chitosan-alginate nanocomposite. Journal of Environmental Management. 2022;307:114586. DOI: 10.1016/j.jenvman.2022.114586.
  23. Nikolaichik Y, Damienikan AU. SigmoID: a user-friendly tool for improving bacterial genome annotation through analysis of transcription control signals. PeerJ. 2016;4:e2056. DOI: 10.7717/peerj.2056.
  24. Charniauskaya MI, Bukliarevich AA, Delegan YaA, Akhremchuk AE, Filonov AE, Titok MA. Biodiversity of hydrocarbonoxidizing soil bacteria from various climatic zones. Microbiology. 2018;87(5):699–711. DOI: 10.1134/s0026261718050065.
  25. Wen Y, Li C, Song X, Yang Y. Biodegradation of phenol by Rhodococcus sp. strain SKC: characterization and kinetics study. Molecules. 2020;25(16):3665. DOI: 10.3390/molecules25163665.
  26. Pathak A, Chauhan A, Blom J, Indest KJ, Jung CM, Stothard P, et al. Comparative genomics and metabolic analysis reveals peculiar characteristics of Rhodococcus opacus strain M213 particularly for naphthalene degradation. PLOS One. 2016;11(8):e0161032. DOI: 10.1371/journal.pone.0161032.
  27. Lee GLY, Zakaria NN, Futamata H, Suzuki K, Zulkharnain A, Shaharuddin NA, et al. Metabolic pathway of phenol degradation of a cold-adapted Antarctic bacteria, Arthrobacter sp. Catalysts. 2022;12(11):1422. DOI: 10.3390/catal12111422.
  28. Nie Y, Chi C-Q, Fang H, Liang J-L, Lu S-L, Lai G-L, et al. Diverse alkane hydroxylase genes in microorganisms and environments. Scientific Reports. 2014;4:4968. DOI: 10.1038/srep04968.
  29. Moreno R, Rojo F. The target for the Pseudomonas putida Crc global regulator in the benzoate degradation pathway is the BenR transcriptional regulator. Journal of Bacteriology. 2008;190(5):1539–1545. DOI: 10.1128/jb.01604-07.
  30. Suvorova IA, Gelfand MS. Comparative analysis of the IclR-family of bacterial transcription factors and their DNA-binding motifs: structure, positioning, co-evolution, regulon content. Frontiers in Microbiology. 2021;12:675815. DOI:10.3389/fmicb.2021.675815.
  31. Jerg B, Gerischer U. Relevance of nucleotides of the PcaU binding site from Acinetobacter baylyi. Microbiology. 2008;154(3):756–766. DOI: 10.1099/mic.0.2007/013508-0.
  32. Guo Z, Houghton JE. PcaR‐mediated activation and repression of pca genes from Pseudomonas putida are propagated by its binding to both the –35 and the –10 promoter elements. Molecular Microbiology. 1999;32(2):253–263. DOI: 10.1046/j.1365-2958.1999.01342.x.
  33. Diao J, Carr R, Moon TS. Deciphering the transcriptional regulation of the catabolism of lignin-derived aromatics in Rhodococcus opacus PD630. Communications Biology. 2022;5:1109. DOI: 10.1038/s42003-022-04069-2.
Опубликован
2024-02-20
Ключевые слова: Rhodococcus, бактерии-деструкторы, фенол, генетические локусы, гены биодеградации, регуляция
Поддерживающие организации Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований «Биотехнологии-2» на 2021–2025 гг. (задание 3.6.2) при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования Республики Беларусь (грант № Б22МВ-029).
Как цитировать
Мандрик, М. И., Охремчук, А. Э., Валентович, Л. Н., Трушлис, Э. В., Ларченко, А. Ю., & Василенко, С. Л. (2024). Характеристика генетических локусов, определяющих деградацию фенола, в геноме бактерий штамма Rhodococcus pyridinivorans 5Ap. Экспериментальная биология и биотехнология, 1, 27-40. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/biology/article/view/5990
Выпуск
№ 1 (2024): Экспериментальная биология и биотехнология
Раздел
Генетика и молекулярная биология

Copyright (c) 2024 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).