Как метаноген создает собственное оборудование для восстановления сульфатов

Jun 11, 2023

Сера является фундаментальным элементом жизни, и она необходима всем организмам для синтеза клеточных материалов. Автотрофы, такие как растения и водоросли, приобретают серу путем преобразования сульфата в сульфид, который может включаться в биомассу.

Однако этот процесс требует много энергии и производит вредные промежуточные и побочные продукты, которые необходимо немедленно преобразовать. В результате ранее считалось, что микробы, известные как метаногены, которым обычно не хватает энергии, не смогут превращать сульфат в сульфид. Поэтому предполагалось, что эти микробы, производящие половину мирового метана, полагаются на другие формы серы, например сульфид.

Сульфат, ассимилирующий метаноген?

Эта догма была сломана в 1986 году с открытием метаногена Methanothermococcus thermolithotropicus, растущего на сульфате как единственном источнике серы. Как это возможно, учитывая энергетические затраты и токсичные промежуточные продукты? Почему это единственный метаноген, который, по-видимому, способен расти на этом виде серы? Использует ли этот организм химические уловки или еще неизвестную стратегию, чтобы обеспечить ассимиляцию сульфатов? Марион Йесперсен и Тристан Вагнер из Института морской микробиологии Макса Планка нашли ответы на эти вопросы и опубликовали их в журнале Nature Microbiology.

Первой задачей, с которой столкнулись исследователи, было заставить микроб расти на новом источнике серы. «Когда я начал писать докторскую диссертацию, мне действительно пришлось убедить M. thermolithotropicus есть сульфат вместо сульфида», — говорит Марион Джесперсен. «Но после оптимизации среды Methanothermococcus стал профессионалом в выращивании на сульфате, с плотностью клеток, сравнимой с плотностью клеток при выращивании на сульфиде».

«Все стало по-настоящему захватывающе, когда мы измерили исчезновение сульфата по мере роста организма. Именно тогда мы смогли действительно доказать, что метаноген преобразует этот субстрат». Это позволило исследователям безопасно культивировать M. thermolithotropicus в биореакторах в больших масштабах, поскольку их рост больше не зависел от токсичного и взрывоопасного газа сероводорода. «Это дало нам достаточно биомассы для изучения этого удивительного организма», — объясняет Йесперсен. Теперь исследователи были готовы углубиться в детали лежащих в основе процессов.

Каскад химической реакции, начиная от сульфата (SO42-) до сульфида (H2S). КРЕДИТ Марион Йесперсен / Институт морской микробиологии Макса Планка

Первое молекулярное исследование пути ассимиляции сульфатов.

Чтобы понять молекулярные механизмы ассимиляции сульфатов, ученые проанализировали геном M. thermolithotropicus. Они обнаружили пять генов, которые потенциально могут кодировать ферменты, связанные с восстановлением сульфатов. «Нам удалось охарактеризовать каждый из этих ферментов и, следовательно, изучить весь путь. Настоящая демонстрация силы, если подумать о его сложности», — говорит Тристан Вагнер, глава исследовательской группы Макса Планка по микробному метаболизму.

Охарактеризовав ферменты один за другим, ученые выявили первый путь ассимиляции сульфатов из метаногена. Хотя первые два фермента этого пути хорошо известны и встречаются у многих микробов и растений, следующие ферменты относятся к новому типу. «Мы были ошеломлены, увидев, что похоже, что M. thermolithotropicus похитил один фермент из диссимиляционного сульфатредуцирующего организма и слегка модифицировал его для удовлетворения своих собственных нужд», — говорит Йесперсен. В то время как некоторые микробы усваивают сульфат как строительный блок клеток, другие используют его для получения энергии в процессе диссимиляции – как это делают люди при дыхании кислорода. Микробы, осуществляющие диссимиляционное восстановление сульфатов, используют для этого другой набор ферментов. Исследованный метаноген превращал один из этих диссимиляционных ферментов в ассимиляционный. «Простая, но очень эффективная стратегия и, скорее всего, причина того, почему этот метаноген способен расти на сульфате. До сих пор этот конкретный фермент был обнаружен только у M. thermolithotropicus и ни в каких других метаногенах», — объясняет Йесперсен.