Сохранённые области и молекулярное клонирование кислой и щелочной фосфатаз у Streptomyces sp. MMA-NRC

Почему фосфор в почве важен для нашего питания

Современное сельское хозяйство во многом опирается на фосфор — ключевой компонент удобрений, который помогает растениям синтезировать ДНК, накапливать энергию и формировать мощную корневую систему. Однако большая часть внесённого фосфора быстро связывается в нерастворимые минералы, недоступные для растений, а мировые запасы разрабатываемого фосфоритного сырья конечны и распределены неравномерно. В этом исследовании рассматривают биологическую альтернативу: использование почвенных микробов, а также сконструированных бактерий, для высвобождения фосфора из фосфорита, что потенциально может снизить зависимость от химических удобрений и уменьшить вред для окружающей среды.

Маленькие помощники, освобождающие «застрявшие» питательные вещества

Во многих почвах общий запас фосфора велик, но лишь малая его часть находится в форме, доступной корням растений. Избыточное внесение удобрений не только неэффективно с экономической точки зрения, но и вымывается в реки и озёра, вызывая цветение водорослей и зоны с пониженным содержанием кислорода. Авторы сосредоточили внимание на группе почвенных бактерий Streptomyces, известных производством антибиотиков и мощных ферментов. Один штамм, обозначенный как Streptomyces sp. MMA-NRC, способен растворять фосфорит — дешёвое, но плохо растворимое удобрение. Исследователи поставили цель понять и использовать две его ключевые ферменты — кислую фосфатазу и щелочную фосфатазу — молекулярные «ножницы», отрезающие фосфорсодержащие группы от иначе непригодных соединений.

Чтение и моделирование чертежей ферментов

Сначала исследователи выделили гены, кодирующие эти две фосфатазы в штамме MMA-NRC. Они амплифицировали и секвенировали гены, которые оказались кодирующими белки из 488 и 560 аминокислотных остатков, и внесли последовательности в публичные базы данных. С помощью биоинформатических инструментов они сравнили эти белки с родственными фосфатазами других бактерий и показали, что версии из MMA-NRC тесно связаны — примерно на 99% схожи — с ферментами другого штамма Streptomyces. Затем были построены детальные трёхмерные компьютерные модели ферментов, качество которых проверили общепринятыми методами, оценивающими реалистичность положения каждой аминокислоты. Модели успешно прошли эти проверки с высокими показателями, что указывает на близкое соответствие виртуальных структур реальным.

Проверка способности ферментов связывать фосфорит

Имея 3D-модели, учёные провели «докинг»-симуляции, чтобы оценить, насколько прочно ферменты могут связываться с фосфоритом, их целевым субстратом. В этих симуляциях фермент и минерал сводятся вместе в различных ориентациях, а компьютер оценивает, какие из них наиболее устойчивы. И кислая, и щелочная фосфатазы из MMA-NRC показали высокие предсказанные энергии связывания с фосфоритом, что означает их сильное взаимодействие с поверхностью минерала. Определённые аминокислоты в ферментах образовывали водородные связи и гидрофобные контакты с моделью фосфорита, обозначая вероятные активные сайты, где могут происходить реакции по высвобождению фосфора.

Преобразование лабораторной бактерии в источнк освобождения фосфора

Чтобы экспериментально проверить эти идеи и создать практический инструмент, команда переместила гены фосфатаз из Streptomyces в хорошо изученную лабораторную бактерию Escherichia coli DH5α. Они вставили каждый ген в стандартный клонирующий вектор и трансформировали плазмиды в E. coli, отбирая колонии, успешно принявшие новую ДНК. Полученные трансформанты выращивали в среде, где единственным источником фосфора был фосфорит. В то время как немодифицированная E. coli не высвобождала измеримого количества фосфора, рекомбинантные штаммы, экспрессирующие либо кислую, либо щелочную фосфатазу, выделили примерно 53 и 57 миллиграммов растворимого фосфора на литр через семь дней — значительно больше, чем исходный штамм Streptomyces, который при тех же условиях выделял около 35 миллиграммов на литр.

Что это может означать для более экологичного земледелия

Для неспециалистов вывод прозрачен: изучая и используя природные ферменты, учёные могут превращать дешёвый, плохо растворимый фосфорит в более доступный для растений источник питательных веществ. Высокая активность смоделированных и клонированных фосфатаз указывает на то, что штаммы вроде Streptomyces sp. MMA-NRC или инженерные бактерии с их генами могут стать компонентами биодобрив, снижающих зависимость от традиционных фосфорных удобрений. Такие биологические решения помогут фермерам поддерживать урожайность, уменьшая загрязнение и снижая давление на ограниченные мировые запасы фосфатов, способствуя более устойчивому и стойкому производству продуктов питания.

Цитирование: Abd El-Aziz, N.M. Conserved regions and molecular cloning of Acid and Alkaline phosphatases in Streptomyces sp. MMA-NRC. Sci Rep 16, 7493 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33881-z

Ключевые слова: бактерии, растворяющие фосфаты, биодобриво, Streptomyces, фермент фосфатаза, фосфорит