Бактерии из горячих источников, разлагающие метан, нуждаются в ценных металлах для производства энергии
Редкоземельные металлы — одни из самых ценных сырьевых материалов. Они используются в мобильных телефонах, экранах дисплеев и компьютерах. И, как выяснилось, они также незаменимы для некоторых организмов. Международная команда исследователей, включая учёных из Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге, обнаружила бактерию, которой для роста необходимы редкоземельные металлы — в горячем источнике.
Methylacidiphilum fumariolicum требует лантан, церий, празеодим или неодим в качестве кофактора для фермента метанолдегидрогеназы, с помощью которого микробы производят энергию. Использование редкоземельных металлов, возможно, более распространено среди бактерий, чем считалось ранее.
Неожиданная находка в экстремальной среде
Бактерия была обнаружена в грязевом котле вулканического происхождения в кратере Сольфатара в Италии. Methylacidiphilum fumariolicum относится к группе бактерий, выбравших крайне негостеприимную среду обитания:
- Они лучше всего растут при pH от 2 до 5 и температуре 50–60 °C.
- Бактерия даже выдерживает pH ниже 1 (что соответствует концентрированной серной кислоте).
Микробы производят энергию из метана. Большинство подобных бактерий используют для этого процесса кальций. Однако исследователи из Неймегена (Нидерланды) заметили, что Methylacidiphilum растёт только с исходной водой из источника. Анализ показал, что эта вода содержит концентрации редкоземельных металлов в 100–1000 раз выше нормы.
Редкоземельные металлы как ключевой кофактор
Изучая трёхмерную структуру метанолдегидрогеназы, Томас Баре́ндс и Андреас Ди́тль из Института Макса Планка обнаружили, что в активном центре фермента находится не кальций, а атом другого металла.
"Внезапно всё встало на свои места, — объясняет Томас Баре́ндс. — Мы смогли показать, что этим загадочным атомом должен быть редкоземельный металл. Это первый случай, когда редкоземельные металлы были обнаружены в такой биологической функции".
Methylacidiphilum использует лантан, церий, празеодим и неодим в своей метанолдегидрогеназе вместо кальция. Редкоземельные элементы имеют немного больший ионный радиус, но всё же могут заменять кальций в качестве кофактора ферментов.
Широкое распространение и значение открытия
"В аминокислотной цепи метанолдегидрогеназы этой бактерии произошёл обмен отдельных аминокислот. Это создаёт больше места для металлов", — говорит Баре́ндс. Кроме того, бактерия поглощает больше редкоземельных металлов, чем нужно для выживания, возможно, запасая их в клетке.
Анализ генома и протеома предполагает, что версия метанолдегидрогеназы Methylacidiphilum широко распространена среди бактерий из прибрежных вод. Учёные также обнаружили подобные бактерии, использующие метан, на поверхности листьев растений, которые могут обогащать редкоземельными элементами.
"Эти бактерии, возможно, присутствуют везде, где есть достаточное количество песка, поскольку песок — это практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов", — заключает Баре́ндс.