Как микроб создает собственный механизм восстановления сульфатов

Dec 13, 2023

5 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Общество Макса Планка

Ученые из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене, Германия, раскрыли молекулярные секреты метангенерирующего микроба, который может превращать сульфат в сульфид — готовый к использованию клеточный строительный блок. Это открытие открывает захватывающие возможности в производстве биотоплива.

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.

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 убеждать 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.

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.