Как археи, потребляющие этан, находят свою любимую пищу

Гидротермальные источники на глубине моря являются домом для микробов, питающихся этаном. Их недавно обнаружили ученые из Института морской микробиологии Макса Планка. Теперь исследователям из Бремена удалось найти важный компонент в микробном преобразовании этого газа. Они смогли расшифровать структуру фермента, ответственного за фиксацию этана. Структура выявила некоторые общие черты с аналогом, фиксирующим метан, но также показала ключевые особенности специализации на этане. Результаты опубликованы в журнале Science.

Это открытие — результат тесного сотрудничества нескольких исследовательских групп Института. Команда под руководством Седерика Хана и Гюнтера Вегенера недавно обнаружила микробов, разлагающих этан, у гидротермальных источников бассейна Гуаймас на глубине 2000 метров в Калифорнийском заливе. Их назвали Ethanoperedens thermophilum, что означает «теплолюбивый пожиратель этана». Седерик Хан, аспирант исследовательской группы молекулярной экологии, культивировал этих микробов в лаборатории. Хан, Вегенер и коллеги из группы микробного метаболизма, Тристан Вагнер и Оливье Лемер, детально изучили эти микроорганизмы. Эта совместная работа раскрыла секреты фиксации этана.

«Пожиратели этана» зависят от того же фермента, что и «пожиратели метана»

В глубоководных осадках геотермальное тепло приводит к разложению органического вещества на нефть и природные газы, такие как этан. Этан потребляют различные микроорганизмы, образующие консорциум: археи, которые расщепляют газ, и бактерии, которые связывают высвобождаемые электроны с восстановлением сульфата, обильного соединения в океане.

По сравнению с микробами, потребляющими метан, которые растут очень медленно, специалисты по этану растут гораздо быстрее и удваивают свою биомассу каждую неделю. Это сокращает время производства биомассы, что позволяет проводить очистку и характеризацию ключевых ферментов.

Чтобы проверить сходство между ферментами, активирующими этан и метан, Седерик Хан добавил в свою культуру известный молекулярный ингибитор окисления метана. Это лечение также прекратило окисление этана. «Это предполагало, что археи, окисляющие этан, активируют его в сходных ферментативных реакциях, как и при деградации/генерации метана», — говорит Седерик Хан.

Структура, визуализированная с удивительной точностью

Седерик Хан и Оливье Лемер, первые авторы статьи, затем попытались очистить фермент, ответственный за фиксацию этана. «Проект был очень сложным», — говорит Оливье Лемер. В конечном итоге им удалось получить достаточное количество чистого фермента для структурного анализа.

Следующим критическим шагом было получение кристаллов фермента для определения его трехмерной структуры. «Мы проанализировали эти кристаллы с помощью рентгеновской дифракции и определили структуру фермента с беспрецедентным атомным разрешением. Мы можем определить положение отдельных атомов и получить чрезвычайно точную картину структуры», — говорит Тристан Вагнер.

Структура демонстрирует несколько беспрецедентных особенностей:

• Каталитическая камера, в которой происходит химическая реакция, вдвое больше, чем в ферментах, захватывающих метан, что логично, учитывая, что этан больше метана.
• Кофактор, катализатор реакции, содержит две дополнительные метильные группы. Эти метилирования подтвердил Йорг Кант. «Мы нашли белок, который может быть ответственным за эти метилирования, и он встречается только у потребителей этана», — говорит Седерик Хан. Поскольку камера более объемная, обычный кофактор просто не подходил бы правильно и нарушал бы реакцию. Метилирования на кофакторе фиксируют его в правильном положении.
• Фермент содержит туннель, соединяющий внешнюю среду с каталитической камерой. Этот туннель не существует ни в одном из охарактеризованных подобных ферментов. Исследователи экспериментально доказали его существование в сотрудничестве с Сильвеном Энгильберже из Института Пауля Шеррера в Швейцарии, где кристаллы белка насыщали ксеноном. Ксенон был обнаружен в каталитической камере и предсказанном газовом туннеле. Туннель поддерживается и стабилизируется модифицированными аминокислотами и дополнительными расширениями.

Теперь внимание переключается на пропан и бутан

Структура фермента иллюстрирует, как эти микробы из геотермально активных просачиваний стали специализироваться на захвате этана. «Наше открытие, что фермент, ответственный за процесс, имеет специфические черты для распознавания этана, а не других алканов, — большой шаг вперед, однако понимание всего процесса деградации еще далеко», — заключает Тристан Вагнер.

«Наши предыдущие работы показывают, что активация более длинных алканов требует сходных ферментов», — говорит Гюнтер Вегенер. «В качестве следующего шага мы хотим исследовать, какими могут быть специфические особенности ферментов, катализирующих активацию пропана и бутана».