Все слышали о питательности и высоком содержании белка в бобовых растениях. А многие знают, что это связано с фиксацией атмосферного азота. Идет этот процесс в клубеньках, находящихся на корнях растений, благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями. А вот что происходит в клубеньке, знают далеко не все.

Если разломить клубенек с корня бобового растения, то срез будет красным, а если его сдавить, то на срезе появится красная капля, похожая на каплю крови. В ней содержится красное вещество — легоглобин, или леггемоглобин (Lb), гемоглобин бобовых, то есть мы действительно можем сравнить сок клубенька с кровью растения. Для чего же растению нужна эта кровь? Для того же, для чего и животному,— для связывания и переноса кислорода, а кислород этот необходим для энергетики клубеньковых азотфиксирующих бактерий.

В центре молекулы гемоглобина находится гем — химическая структура с железом в середине, которая очень эффективно присоединяет и прочно удерживает кислород. Благодаря этой структуре гемоглобин имеет красный цвет и отвечает за транспортировку кислорода не только в человеческой крови, но и в бобовых растениях.

В последнее время интерес к легоглобину вырос еще по одной причине. Повышается спрос на растительные белки, которые могут быть использованы как сырье для так называемого растительного мяса. При этом потенциальные потребители этого продукта хотят, чтобы готовили его из веществ только растительного происхождения, но чтобы при этом по вкусу он напоминал обычный говяжий бифштекс. А этого можно достичь добавлением железосодержащего белка, похожего на гемоглобин. Легоглобин, который делает содержимое клубеньков похожим на кровь, может стать ингредиентом для таких продуктов — в том числе потому, что он содержит железо в форме, которая легко усваивается человеческим организмом, в той же, в какой оно содержится в гемоглобине животных.

Основным источником Lb в промышленных масштабах могут быть клубеньки бобовых растений, например сои. Она сравнительно легко выращивается, а клубеньки крупные и содержат нужный белок в больших количествах. Но здесь могут возникнуть затруднения из-за сезонности и климатических особенностей выращивания. Альтернативный путь — получение Lb биотехнологическими методами. Для этого гены, отвечающие за его синтез, помещают в клетки бактерий, дрожжей или других микроорганизмов. Именно в нашей совместной работе с польскими исследователями была в свое время проведена первая экспрессия легоглобина в бактериях. А начата эта работа была в далекие времена СЭВ — организации экономического сотрудничества социалистических стран. Правда, тогда о биотехнологическом применении этой работы никто и не подозревал.

Клетки Escherichia coli (кишечной палочки), содержащие ген Lb, тоже имеют розовый цвет, то есть легоглобин там синтезируется. Причем содержится он там в оксигенированной, связавшей кислород форме. Отметим еще одну вещь, общую для гемоглобинов человека и бобовых. Связать кислород может только восстановленный гемоглобин, содержащий двухвалентное железо. А поскольку гемоглобин в организме может окисляться, нужен специальный фермент, который будет его восстанавливать. Такие ферменты есть и у человека, и у бобовых. Если он плохо работает у человека, то возникает метгемоглобинемия, — болезнь, при которой кровь плохо переносит кислород, а при высокой ее степени у человека кожа даже может стать голубоватого цвета. Такая же ситуация может сложиться и в клубеньках бобовых. Легоглобин тогда не будет правильно работать, а азотфиксация будет понижена. Кстати, фермент, восстанавливающий Lb в клубеньках,— «метлегоглобинредуктаза», тоже был впервые описан в нашей лаборатории. Мы также показали, что и бактерии могут содержать подобный фермент.

Легоглобин клубеньков не только переносит кислород, он обладает и пероксидазной активностью, то есть может обеззараживать перекисные соединения при окислительном стрессе, причем делает это лучше, чем гемоглобин крови. Однако если синтезировать Lb в клетках микроорганизмов, то этот белок может работать и как антиоксидант, и как окислитель, рискуя повредить клетки из-за образования активных свободных радикалов. Сотрудники федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН решили проверить, как будет вести себя леггемоглобин в бактериях E. Coli, и узнать, будет ли культура этих клеток производить Lb безопасно для себя.

Оказалось, что наши опасения были не напрасны. Легоглобин действительно понижал жизнеспособность бактериальных клеток, которые его синтезировали. На синтез чужеродного для них белка бактерии тратили дополнительные ресурсы, и им было труднее нейтрализовать окислительные эффекты, которые еще усиливались из-за того, что сам Lb мог переходить в другую форму и становиться сильным окислителем.

Эта работа выполнялась в рамках НЦМУ «Агробиотехнологии будущего». Синтез легоглобина в бактериях оказался хорошей моделью для изучения этого белка. Полученные данные помогут лучше разобраться в механизмах работы Lb, в том числе и в клубеньках, поскольку до сих пор не все понятно с тем, как окислительный стресс влияет на процесс азотфиксации в природе. А выяснение особенностей синтеза легоглобина микроорганизмами важно для эффективного биотехнологического производства этого белка и других гемоглобинов, в том числе и в развитии работ по получению «растительного мяса».