Previously, it was observed that secondary metabolites production was greatly enhanced by an artificial acidic pH shock in S. coelicolor A3(2) culture. The objective of this study was to examine the variation of intracellular protein expression in S. coelicolor A3(2) in response to an acidic pH shock. S. coelicolor A3(2) was cultivated on a solid medium (SMMS) under three different pH control conditions: positive control with no pH buffer (spontaneous pH drop and recovery); negative control with TES buffer; and culture with pH shock. Bacterial proteome was analyzed by two-dimensional gel electrophoresis. It was observed that 49 proteins were expressed at significantly different levels according to the culture conditions. These proteins were identified by peptide mass fingerprinting with matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry. Induced by the pH shock were proteins involved in energy metabolism (glycolysis, pentose phosphate pathway and TCA cycle), polyketide biosynthesis, degradation of macromolecules (polysaccharides, fatty acids, misfolded proteins) and histidine biosynthesis, ribosomal proteins, and proteins related to osmotic and oxidative stresses. Some of them were also expressed in the positive control: glycolytic proteins; ribosomal proteins; osmotic stress proteins; and oxidative stress proteins. Repressed by pH shock were proteins involved in glutamate transport, molybdenum cofactor biosynthesis, methionine metabolism, lysine metabolism, fatty acid biosynthesid, nucleotide biosynthesis, and MarR-family regulation. These results provided evidence, although indirect, that the artificial pH shock in the culture of S. coelicolor enhanced the productivity of secondary metabolites as a result of activation of several metabolic pathways such as pentose phosphate pathway and polyketides biosynthesis.
Streptomyces coelicolor A3(2)의 배양 중 이차대사산물인 actinorhodin 생산의 직전 단계에서 자발적인 pH 강하와 회복 현상이 관찰되었다. 또한 본 연구진의 선행실험 결과는 인위적인 pH 강하, 즉 pH 충격을 가했을 때 actinorhodin의 생산이 증대됨을 보여주었다.
본 연구에서는 S. coelicolor의 고체배양 중 가해진 pH 충격이 단백질 발현에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 자발적인 pH 변화가 일어나도록 한 경우를 + 대조구, TES 버퍼를 배지에 첨가하여 중성영역으로 pH가 유지되도록 한 경우를 - 대조구로 두고 인위적인 pH 충격을 가한 것과 비교 분석을 수행하였다. + 대조구의 pH가 5.1까지 강하하고, pH 충격을 가한 샘플의 경우 인위적으로 강하된 4.0에서 5.1까지 회복되었으며 - 대조구의 경우 계속하여 중성영역의 pH를 유지하고 있는 시기를 중점적으로 관찰하였다.
대략적인 단백질의 발현을 살펴보기 위해 1차원 전기영동을 수행한 후 차이가 두드러지게 나타난 밴드를 선별하여 전기분무이온화질량분석을 이용하여 단백질을 동정하였다. 열충격 단백질의 하나인 chaperonin 2와 산화적 스트레스에 방어 작용을 하는 superoxide dismutase가 pH 충격을 가한 샘플에서 동정되었다. 탄소에너지대사, 폴리케타이드 생합성에 관여하는 단백질과 리보좀 단백질들은 + 대조구와 pH 충격이 가해진 경우에서 나타났으며, 포자형성과 관련한 단백질들은 두 대조구에서만 발견되었다.
pH 변화에 의한 S. coelicolor 내의 단백질 발현 패턴을 고찰하기 위해 이차원 전기영동에 의해 단백체를 비교 분석하였다. pH 충격에 의해 발현이 유도되거나 증가한 단백질들은 탄소에너지대사, 폴리케타이드 생합성, 다당체·지방산 분해, 히스티딘 합성, 리보좀 등에 관련된 것들이며, 변형된 단백질을 분해하여 샤페론과 유사한 기능을 하는 효소와 삼투ㆍ산화적 스트레스에 의해 유도되는 단백질 중 일부도 발견되었다. 특히 pentose phosphate pathway (PPP) 내의 효소 발현은 이차대사 증진과 밀접한 관련이 있다고 생각된다. 위에 언급한 단백질 중의 일부는 자발적인 pH 강하에 의해서도 발현이 증가하는 양상을 보였다. pH 충격을 가한 샘플에서 발현이 저해된 것으로 보이는 단백질들은 glutamate 수송, 메티오닌과 라이신 합성, 뉴클레오타이드 합성, 지방산 합성등에 관련되어 있다. 포자형성에 관계하는 것으로 알려진 MarR-family 조절 단백질도 두 대조구에서만 발현되었다.
본 연구에서 밝혀진 결과들은 S. coelicolor의 고체 배양 중 pH 강하 효과에 의해 PPP 및 그에 연결된 몇몇 대사가 활성화되고 폴리케타이드 생합성에 관여하는 효소의 발현이 촉진되는 것을 보여주며, 이차대사산물 생산의 향상은 그 결과임을 시사한다. 또한 pH 충격이 다른 스트레스 단백질의 발현과도 밀접한 관련이 있음을 보여주었다.
