RU2817282C1 - Photocolorimetric method for assessing dehydrogenase activity of protein extracts - Google Patents

Photocolorimetric method for assessing dehydrogenase activity of protein extracts Download PDF

Info

Publication number
RU2817282C1
RU2817282C1 RU2023126501A RU2023126501A RU2817282C1 RU 2817282 C1 RU2817282 C1 RU 2817282C1 RU 2023126501 A RU2023126501 A RU 2023126501A RU 2023126501 A RU2023126501 A RU 2023126501A RU 2817282 C1 RU2817282 C1 RU 2817282C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dehydrogenase activity
potassium ferricyanide
protein extracts
assessing
ferricyanide
Prior art date
Application number
RU2023126501A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Мария Валерьевна Дмитриева
Екатерина Викторовна Золотухина
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран)
Application granted granted Critical
Publication of RU2817282C1 publication Critical patent/RU2817282C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: invention is a method for evaluating dehydrogenase activity of protein extracts obtained from microorganisms, which consists in the fact that in a measuring temperature-controlled cell, which includes a signal recording system, working solution containing a protein extract, a substrate and potassium ferricyanide are introduced, and dehydrogenase activity is determined from the rate of change in the concentration of potassium ferricyanide in the linear phase of the enzymatic reaction.
EFFECT: invention enables rapid assessment of dehydrogenase activity.
3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для оценки дегидрогеназной активности белковых экстрактов, полученных из микроорганизмов, с помощью феррицианида калия. Белковые экстракты -новый тип биоэлектрокатализатора для биотопливных элементов. В состав белкового экстракта входит каскад ферментов и связанных с ними коферментных систем, осуществляющих окислительное и восстановительное превращения. При технологическом производстве белкового экстракта требуются методы оценки дегидрогеназной активности для контроля качества продукции.The invention relates to biotechnology and can be used to evaluate the dehydrogenase activity of protein extracts obtained from microorganisms using potassium ferricyanide. Protein extracts are a new type of bioelectrocatalyst for biofuel cells. The protein extract contains a cascade of enzymes and associated coenzyme systems that carry out oxidative and reductive transformations. Technological production of protein extract requires methods for assessing dehydrogenase activity to control product quality.

В настоящее время существует ряд фотоколориметрических методов для определения дегидрогеназной активности биообъектов.Currently, there are a number of photocolorimetric methods for determining the dehydrogenase activity of biological objects.

Фотоколориметрические методы с применением тетразолиевых солей основаны на способности дегидрогеназ отщеплять водород от различных субстратов (органических кислот, спиртов, углеводов и т.п.) и восстанавливать тетразолиевые соли до окрашенного формазана (патент RU 2 491137 C1 «Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы», патент RU 2 387 996 C1 «Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности дегидрогеназы», патент RU 2 199 211 С2 «Способ определения жизнеспособности коконов земляных червей», методические указания по санитарно микробиологическому исследованию почвы (утв. главным государственным санитарным врачом ссср 19.02.81 №2293-81 «Определение дегидрогеназной активности микроорганизмов», Zhang, Xinying, et al. "Responses of Scirpus triqueter, soil enzymes and microbial community during phytoremediation of pyrene contaminated soil in simulated wetland." Journal of Hazardous Materials 193 (2011): 45-51).Photocolorimetric methods using tetrazolium salts are based on the ability of dehydrogenases to abstract hydrogen from various substrates (organic acids, alcohols, carbohydrates, etc.) and reduce tetrazolium salts to colored formazan (patent RU 2 491137 C1 “Method for monitoring the effectiveness of reclamation of disturbed tundra soils of various types granulometric composition by analyzing dehydrogenase activity", patent RU 2 387 996 C1 "Method for monitoring the purification of soils contaminated with hydrocarbons and neutralizing hydrocarbon sludge by analyzing dehydrogenase activity", patent RU 2 199 211 C2 "Method for determining the viability of earthworm cocoons", methodological instructions on sanitary microbiological study of soil (approved by the chief state sanitary doctor of the USSR 02/19/81 No. 2293-81 “Determination of dehydrogenase activity of microorganisms”, Zhang, Xinying, et al. “Responses of Scirpus triqueter, soil enzymes and microbial community during phytoremediation of pyrene contaminated soil in simulated wetland." Journal of Hazardous Materials 193 (2011): 45-51).

Данные способы на основе тетразолиевых солей характеризуются следующими недостатками:These methods based on tetrazolium salts are characterized by the following disadvantages:

1. Длительность анализа;1. Duration of analysis;

2. Необходимость работать с летучим растворителем для формазана;2. The need to work with a volatile solvent for formazan;

3. Невозможность определить дегидрогеназную активность биологического материала, содержащего медь, из-за негативного воздействие меди на абсорбцию продукта восстановления акцептора водорода тетразолиевых солей.3. The inability to determine the dehydrogenase activity of biological material containing copper due to the negative effect of copper on the absorption of the reduction product of the hydrogen acceptor tetrazolium salts.

Фотоколориметрические способы с применением метиленового синего в качестве акцептора водорода (патент RU 2 476 598 С2 «Способ количественного определения дегидрогеназной активности микроорганизмов», Чекалов В.П. Определение с помощью метиленового синего сорбционной способности и дегидрогеназной активности донных отложений // Экология моря. - 2006. - Т. 72. - С. 103-109., Варакин Е. А. и др. Определение дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила в процессе биологической очистки сточных вод //Биотехнологии в химико-лесном комплексе. - 2014. - С.99-104.) характеризуются следующим недостатком - необходимостью создания анаэробных условий для проведения измерений из-за окисления восстановленной формы окрашенного реагента кислородом воздуха.Photocolorimetric methods using methylene blue as a hydrogen acceptor (patent RU 2 476 598 C2 “Method for quantitative determination of dehydrogenase activity of microorganisms”, Chekalov V.P. Determination of sorption capacity and dehydrogenase activity of bottom sediments using methylene blue // Sea Ecology. - 2006 . - T. 72. - P. 103-109., Varakin E. A. et al. Determination of dehydrogenase activity of activated sludge microorganisms in the process of biological wastewater treatment // Biotechnology in the chemical forest complex - 2014. - P. 99. -104.) are characterized by the following disadvantage - the need to create anaerobic conditions for carrying out measurements due to the oxidation of the reduced form of the colored reagent by atmospheric oxygen.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, позволяющего оперативно оценить дегидрогеназную активность и лишенного перечисленных выше недостатков.The problem to be solved by the present invention is the development of a method that allows for rapid assessment of dehydrogenase activity and is devoid of the above-mentioned disadvantages.

Это достигается тем, что при количественном определении дегидрогеназной активности белковых экстрактов, предусматривающем их контакт с субстратом и акцептором водорода, в качестве акцептора водорода используют феррицианид калия, а активность определяют по скорости изменения концентрации феррицианида калия в линейной фазе ферментативной реакции.This is achieved by the fact that when quantitatively determining the dehydrogenase activity of protein extracts, which involves their contact with a substrate and a hydrogen acceptor, potassium ferricyanide is used as a hydrogen acceptor, and the activity is determined by the rate of change in the concentration of potassium ferricyanide in the linear phase of the enzymatic reaction.

В предлагаемом способе дегидрогеназную активность оценивают по уменьшению концентрации феррицианида калия, которую непрерывно регистрируют оптическим способом. Исследуемый образец белковых экстрактов вводят в измерительную термостатируемую ячейку, включающую систему регистрации сигнала (светодиод, фотодатчик), к экстракту добавляют субстратную смесь, которая готовится путем смешивания 15 мМ феррицианида калия в буферном растворе и 1 М глюкозы в буферном растворе в соотношении 1:1. Длительность эксперимента 10-15 минут.In the proposed method, dehydrogenase activity is assessed by reducing the concentration of potassium ferricyanide, which is continuously recorded optically. The test sample of protein extracts is introduced into a thermostated measuring cell, including a signal recording system (LED, photosensor), a substrate mixture is added to the extract, which is prepared by mixing 15 mM potassium ferricyanide in a buffer solution and 1 M glucose in a buffer solution in a 1:1 ratio. The duration of the experiment is 10-15 minutes.

Иллюстративный пример реализации заявляемого способа включает выполнение следующих действий: готовится рабочий раствор путем смешивания 100 μл определяемого белкового экстракта и 200 μл субстратной смеси, которая готовится путем смешивания 15 мМ феррицианида калия в буферном растворе и 1 М глюкозы в буферном растворе в соотношении 1:1. Затем рабочий раствор переносится в измерительный планшет и включали спектрофотометр, предварительно разогретый до 37°С. Спектрофотометр начинает фиксировать уменьшение концентрации феррицианида калия в ходе ферментативной реакции по оптической плотности рабочего раствора. В условиях избытка субстрата и акцептора водорода ход реакции линеен в течение примерно 300 секунд, по истечении которых процесс измерения останавливают. Полученные значения оптической плотности раствора переводили в концентрацию феррицианида по формуле C(FC)=OD/0,4824, гдеAn illustrative example of the implementation of the proposed method includes the following steps: a working solution is prepared by mixing 100 μl of the protein extract being determined and 200 μl of the substrate mixture, which is prepared by mixing 15 mM potassium ferricyanide in a buffer solution and 1 M glucose in a buffer solution in a 1:1 ratio. Then the working solution is transferred to the measuring tablet and the spectrophotometer is turned on, preheated to 37°C. The spectrophotometer begins to record a decrease in the concentration of potassium ferricyanide during the enzymatic reaction by the optical density of the working solution. Under conditions of excess substrate and hydrogen acceptor, the reaction progresses linearly for approximately 300 seconds, after which the measurement process is stopped. The obtained values of the optical density of the solution were converted to ferricyanide concentration using the formula C(FC)=OD/0.4824, where

C(FC) - концентрация феррицианида калия,C(FC) - potassium ferricyanide concentration,

OD - полученные значения оптической плотности.OD - obtained optical density values.

По рассчитанным значениям строится график C(FC) от t. Показания фотодатчика фиксируют один раз в 2 секунды, и аппроксимируют линейной зависимостью от времени (фиг. 1). У полученного графика определяют начальный линейный участок, для которого строят касательную, и находят тангенс угла наклона данной касательной (фиг. 1, кривая 2). Формула С=v*t позволяет найти v как угол наклона построенной касательной, таким образом находится скорость реакции v, характеризующая дегидрогеназную активность в качестве кинетического параметра. На примере фигуры 1, оцененная описанным способом дегидрогеназная активность составила 0.00159 ммоль/с.Based on the calculated values, a graph of C(FC) versus t is plotted. Photosensor readings are recorded once every 2 seconds and approximated by a linear dependence on time (Fig. 1). For the resulting graph, the initial linear section is determined, for which a tangent is constructed, and the tangent of the angle of inclination of this tangent is found (Fig. 1, curve 2). The formula C=v*t allows you to find v as the angle of inclination of the constructed tangent, thus finding the reaction rate v, which characterizes dehydrogenase activity as a kinetic parameter. Using the example of figure 1, the dehydrogenase activity estimated using the described method was 0.00159 mmol/s.

Приборы для измерения оптической плотности известны специалисту в данной области техники. В том числе, может быть использован спектрофотометр, имеющий интерфейс ЭВМ, обладающий термостатируемой ячейкой и обеспечивающий перемешивание раствора. Предварительно должна быть произведена калибровка между оптической плотностью и концентрацией феррицианида калия в растворе (что очевидно для специалиста в данной области техники).Instruments for measuring optical density are known to one skilled in the art. In particular, a spectrophotometer can be used that has a computer interface, has a thermostated cell and provides mixing of the solution. A calibration must first be made between the optical density and the concentration of potassium ferricyanide in solution (which is obvious to one skilled in the art).

В таблице 1 представлено сравнение ДГА экстрактов, полученных из E.Coli, оцененное с использованием феррицианида и ТТХTable 1 presents a comparison of DHA extracts obtained from E. Coli, evaluated using ferricyanide and TTX

Как видно, активность, измеренная обоими методами, уменьшается от образца 1 к образцу 4. Таким образом, дегидрогеназная активность экстрактов, полученных из E.Coli, оцененная фотоколориметрическим методом с использованием феррицианида коррелируют с данными, полученными при помощи фотоколориметрического метода с использованием ТТХ.As can be seen, the activity measured by both methods decreases from sample 1 to sample 4. Thus, the dehydrogenase activity of extracts obtained from E. Coli, assessed by the photocolorimetric method using ferricyanide, correlates with the data obtained using the photocolorimetric method using TTX.

Claims (3)

1. Способ оценки дегидрогеназной активности белковых экстрактов, полученных из микроорганизмов, заключающийся в том, что в измерительную термостатируемую ячейку, включающую систему регистрации сигнала, вводят рабочий раствор, содержащий белковый экстракт, субстрат и феррицианид калия, а активность дегидрогеназ определяют по скорости изменения концентрации феррицианида калия в линейной фазе ферментативной реакции.1. A method for assessing the dehydrogenase activity of protein extracts obtained from microorganisms, which consists in introducing a working solution containing a protein extract, substrate and potassium ferricyanide into a measuring thermostated cell, including a signal recording system, and the activity of dehydrogenases is determined by the rate of change in the ferricyanide concentration potassium in the linear phase of the enzymatic reaction. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в измерительную термостатируемую ячейку вводят рабочий раствор, состоящий из 100-200 мкл белкового экстракта и 200-300 мкл субстратной смеси, которая готовится путем смешивания 15 мМ феррицианида калия в буферном растворе и 1 М глюкозы в буферном растворе в соотношении 1:1.2. The method according to claim 1, characterized in that a working solution consisting of 100-200 μl of protein extract and 200-300 μl of a substrate mixture, which is prepared by mixing 15 mM potassium ferricyanide in a buffer solution and 1 M glucose in a buffer solution in a 1:1 ratio. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве системы регистрации сигнала берут светодиод или фотодатчик.3. The method according to claim 1, characterized in that an LED or photosensor is used as a signal recording system.
RU2023126501A 2023-10-16 Photocolorimetric method for assessing dehydrogenase activity of protein extracts RU2817282C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2817282C1 true RU2817282C1 (en) 2024-04-12

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2476598C2 (en) * 2011-04-27 2013-02-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет" (С(А)ФУ) Method of quantitative determination of dehydrogenase activity of microorganisms
RU2762009C1 (en) * 2020-11-19 2021-12-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской Академии наук (ФГБУН ИПХФ РАН) Method for estimating the dehydrogenase activity of protein extracts produced from microorganisms

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2476598C2 (en) * 2011-04-27 2013-02-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет" (С(А)ФУ) Method of quantitative determination of dehydrogenase activity of microorganisms
RU2762009C1 (en) * 2020-11-19 2021-12-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской Академии наук (ФГБУН ИПХФ РАН) Method for estimating the dehydrogenase activity of protein extracts produced from microorganisms

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XINYING ZHANG et.al. Responses of Scirpus triqueter, soil enzymes and microbial community during Российской академии наук (ИПХФ РАН), phytoremediation of pyrene contaminated soil in simulated wetland,J Hazard Mater 2011 Oct 15; 193:45-51. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.07.094.Epub 2011 Aug 5. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ma et al. Relationship of heme c, nitrogen loading capacity and temperature in anammox reactor
Cammann et al. Chemical sensors and biosensors—principles and applications
Xu et al. Microbial biosensors for environmental monitoring and food analysis
Timur et al. Detection of phenolic compounds by thick film sensors based on Pseudomonas putida
Tønning et al. Chemometric exploration of an amperometric biosensor array for fast determination of wastewater quality
Mak et al. Biosensor for rapid phosphate monitoring in a sequencing batch reactor (SBR) system
Zhang et al. Evaluation methods of inhibition to microorganisms in biotreatment processes: A review
Singh et al. Recent developments in monitoring technology for anaerobic digesters: A focus on bio-electrochemical systems
Chiappini et al. A new microbial biosensor for organic water pollution based on measurement of carbon dioxide production
EP2597461A2 (en) Process for directly measuring multiple biodegradabilities
Noguer et al. Biosensors based on enzyme inhibition: Detection of organophosphorus and carbamate insecticides and dithiocarbamate fungicides
Voon et al. The state-of-the-art in bioluminescent whole-cell biosensor technology for detecting various organic compounds in oil and grease content in wastewater: From the lab to the field
Li et al. Influences of carbon sources on N2O production during denitrification in freshwaters: activity, isotopes and functional microbes
RU2817282C1 (en) Photocolorimetric method for assessing dehydrogenase activity of protein extracts
Kwan et al. Amperometric determination of ammonium with bienzyme/poly (carbamoyl) sulfonate hydrogel-based biosensor
Pasco et al. Biosensors: MICREDOX-a new biosensor technique for rapid measurement of BOD and toxicity
Ebrahimi et al. A microbial biosensor for hydrogen sulfide monitoring based on potentiometry
Maximova et al. A set up of a modern analytical laboratory for wastewaters from pulp and paper industry
Blunt et al. Real-time monitoring of microbial fermentation end-products in biofuel production with titrimetric off-gas analysis (TOGA)
RU2476598C2 (en) Method of quantitative determination of dehydrogenase activity of microorganisms
US7160690B2 (en) Nitrate sensor
Vyrides et al. Next generation techniques for anaerobic bioprocess optimization
Tinikul et al. Detection of cellular metabolites by redox enzymatic cascades
RU2762009C1 (en) Method for estimating the dehydrogenase activity of protein extracts produced from microorganisms
CN105891182A (en) Method for quantifying catalase