Метаногенный микроб заново собирает метаболический путь для роста на сульфате

Jan 27, 2024

Марион Йесперсен работает над ферментером, в котором M. thermolithotropicus растет исключительно на сульфате в качестве источника серы. [Тристан Вагнер / Институт морской микробиологии Макса Планка]

Процесс, посредством которого растения и водоросли приобретают серу — преобразование сульфата в сульфид — требует много энергии и производит вредные промежуточные и побочные продукты, которые необходимо немедленно преобразовать. Из-за этого была выдвинута гипотеза, что метаногены, которым обычно не хватает энергии, не способны превращать сульфат в сульфид и должны полагаться на другие формы серы. Однако сделанное несколько десятилетий назад открытие того, что метаноген Methanothermococcus thermolithotropicus растет на сульфате как единственном источнике серы, поставило это под сомнение.

Теперь новые исследования показывают, как M. thermolithotropicus делает это, учитывая энергетические затраты и токсичные промежуточные продукты, и почему это единственный известный метаноген, обладающий такой способностью.

Это исследование опубликовано в журнале Nature Microbiology в статье «Ассимиляционная сульфатредукция в морском метаногене Methanothermococcus thermolithotropicus».

«Когда я начал писать докторскую диссертацию, мне действительно пришлось убедить M. thermolithotropicus есть сульфат вместо сульфида», — сказала Марион Йесперсен, аспирантка Института морской микробиологии Макса Планка. «Но после оптимизации среды Methanothermococcus стал профессионалом в выращивании на сульфате, с плотностью клеток, сравнимой с плотностью клеток при выращивании на сульфиде».

Чтобы понять молекулярные механизмы ассимиляции сульфатов, ученые определили в геноме бактерии пять генов, которые потенциально могут кодировать ферменты, связанные с восстановлением сульфатов.

Охарактеризовав ферменты, ученые выявили первый путь ассимиляции сульфатов из метаногена. Хотя первые два фермента этого пути хорошо известны и встречаются у многих микробов и растений, последующие ферменты были новыми.

«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», — сказал 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», — объяснил Йесперсен.

Последние два фермента этого пути призваны справляться с двумя ядами, образующимися во время ассимиляции сульфата. Первый, подобно диссимиляционному ферменту, генерирует сульфид из сульфита. Второй представляет собой новый тип фосфатазы с высокой эффективностью гидролиза другого яда.

«Похоже, что M. thermolithotropicus собрал генетическую информацию из своей микробной среды, что позволило ему расти на сульфате. Смешивая и сопоставляя ассимиляционные и диссимиляционные ферменты, он создал свой собственный функциональный механизм восстановления сульфатов», — сказал Тристан Вагнер, доктор философии, руководитель исследования. Исследовательская группа Макса Планка «Микробный метаболизм».

Гидрогенотрофные метаногены, такие как M. thermolithotropicus, обладают способностью превращать диводород и углекислый газ в метан. Другими словами, они могут конвертировать парниковый газ CO2 в биотопливо CH4, которое можно использовать, например, для отопления домов.

Для этого метаногены выращивают в крупных биореакторах. В настоящее время узким местом в выращивании метаногенов является потребность в очень опасном и взрывоопасном сероводороде в качестве источника серы. С открытием пути ассимиляции сульфатов у M. thermolithotropicus появилась возможность генетически сконструировать метаногены, которые уже используются в биотехнологии, чтобы вместо этого использовать этот путь, что приведет к более безопасному и экономически эффективному производству биогаза.