Биотрансформация мышьяка - ресурсы и возможности

Мышьяк – широко распространённый токсин, который часто является причиной проблем со здоровьем у людей, в частности, онкологических и сердечнососудистых заболеваний, диабета и повреждения почек. Биотрансформация и обезвреживание этого вещества важный, но малоизученный процесс. Первые симптомы длительного воздействия неорганического мышьяка в высоких концентрациях (например, через питьевую воду или пищевые продукты) обычно проявляются на коже и включают изменения пигментации, повреждения кожи и огрубение кожи на ладонях и ступнях (гиперкератоз, см. рисунок). Эти симптомы появляются после воздействия на протяжении, как минимум, пяти лет и могут быть предвестниками рака кожи.

Люди сталкиваются с опасными неорганическими соединениями мышьяка, употребляя воду, в которую он может попадать в результате геотермальных процессов и размывания минералов. Подобная ситуация возможна в США, странах Южной Америки и Средиземноморья, Австралии, однако больше всего страдают от этого страны Юго-восточной Азии, особенно – Бангладеш. Колодцы, пробитые на большую глубину, чтобы получить воду, незагрязнённую в результате хозяйственной деятельности, стали источниками отравленной мышьяком воды. Каждая десятая смерть в Бангладеш связана с воздействием мышьяка. Антропогенная деятельность, в том числе - добыча полезных ископаемых, сжигание ископаемого топлива, и применение пестицидов также приводит к поступлению мышьяка в окружающую среду.

Большая часть мышьяка в составе неорганических соединений приходится на арсенаты и арсениты. Мышьяк в форме As(V) менее токсичен, чем мышьяк в форме (III). As(III) в десять раз более растворим, подвижен, чем As(V). Напротив, триметилазин мышьяка практически нетоксичен в умеренных концентрациях и является летучим веществом. Как у прокариот, так у эукариот найдены пути метилирования As(III), снижающие его токсичность. Гены, отвечающие за биотрансформацию мышьяка, обнаружены у бактерий, водорослей, грибов и животных. У бактерий описан консервативный реакционный центр, в то время как остальная часть белка обладает достаточно вариабельной структурой. ArsM цианобактерий ближе по структуре к белку с аналогичной функцией грибов, в то время как подобные ферменты водорослей и млекопитающих образуют другую группу.

Цианобактерии, такие как Nostoc (верхняя часть иллюстрации) могут превращать мышьяк в летучие соединения, удаляя его из почвы и воды. Они в больших количествах присутствуют в естественных водоёмах, и, вероятно, вносят значительный вклад в естественное очищение окружающей среды от мышьяка. Клетки цианобактерий после шести недель культивирования в присутствии соединений мышьяка начинают выделять летучие соединения, содержащие мышьяк. Детоксификационная функция процесса метилирования мышьяка может вызывать некоторые сомнения, в связи с тем, что часть побочных продуктов более токсична, чем неорганический мышьяк. Однако, основные продукты данного процесса, все-таки, значительно менее токсичны, а конечный продукт является нетоксичным и летучим, что позволяет выводить его из клетки.

Термофильный микроорганизм, относящийся к красным водорослям, Cyanidioschyzon sp. содержит два фермента, осуществляющих метилирование мышьяка. Его рассматривают как возможный компонент «зелёного» биореактора, работающего с использованием энергии Солнца и осуществляющего обезвреживание воды, загрязнённой мышьяком. Способность к метилированию мышьяка и накоплению его солей найдена у бурых водорослей. То, какие именно соли будут накапливаться зависти от состава ионов. Не исключено, что метилирование осуществляется не собственными ферментами, а с участием грибов на поверхности водоросли.

Высшие растения не обладают способностью метилировать мышьяк. Присутствие в их организме мышьяка в метилированной форме можно объяснить его поступлением от микроорганизмов почвы и ризосферы. Трансформация растений риса, геном, кодирующим белок, ответственный за метилирование мышьяка у Rhodopseudomonas palustris позволила получить растения, метилирующие мышьяк. Летучие соединения, содержащие мышьяк, выделялись растениями. Общая концентрация мышьяка в семенах трансгенного растения была ниже.  Разработка подобных сортов позволила бы впоследствии оздоровить заражённую мышьяком почву и  получать на ней безвредный для человека урожай.