Бактерии создают азот из оксида азота: учёные раскрыли ключевой путь в круговороте азота

Анаэробное окисление аммиака (анамокс) — важный путь в круговороте азота, открытый лишь в 1980-х годах. Сейчас учёные считают, что около 50% азота в атмосфере образуется благодаря этому процессу. Реакцию анамокса осуществляют специализированные бактерии, но до сих пор было неясно, как они превращают аммиак в азот в полном отсутствии кислорода. Теперь, спустя 25 лет после открытия, молекулярный механизм анамокса наконец расшифрован.

Бактерии анамокса необычны, так как содержат органеллу — типичный признак эукариот. Внутри этой органеллы, называемой «анамоксосомой», и происходит реакция. Её мембрана, предположительно, защищает клетку от высокореактивных промежуточных продуктов реакции, которыми, как давно предполагали микробиологи, могут быть гидразин и гидроксиламин. Это было сенсацией, поскольку превращение гидразина — мощного восстановителя и ракетного топлива — ранее не было известно в биологии. Однако ранние эксперименты были предварительными, и оставалось много вопросов.

Экспериментальное раскрытие пути было сложнейшей задачей. Марк Строус из Института Макса Планка в Бремене говорит: «Организмы анамокса трудно культивировать, так как они делятся лишь раз в две недели. Поэтому нам пришлось разрабатывать подходы для таких низких скоростей роста. Даже после 20 лет попыток мы всё ещё можем выращивать их только в биореакторах, а не в чистой культуре». В данном исследовании учёные использовали новейшую инновацию в технологии биореакторов для культивирования анамокса — мембранный биореактор. В таких реакторах организмы анамокса растут как взвешенные клетки, а не в виде биоплёнок на поверхностях, и присутствует относительно мало загрязняющих организмов. Исследование включает очистку белков, которую нельзя эффективно провести из биоплёнок из-за большого количества связанной с ними слизи.

Ещё одним ключом к метаболизму стала доступность геномной последовательности одной из наиболее изученных бактерий анамокса — Kuenenia stuttgartiensis. Зная геном, авторы могли понять, какие белки могут быть важны. На его основе они предсказали, что предшественником гидразина может быть оксид азота (NO), а не гидроксиламин. С помощью набора современных молекулярных методов учёные смогли полностью расшифровать путь анамокса и однозначно установить роль гидразина и оксида азота в качестве промежуточных продуктов.

«С этим значительным прорывом мы наконец можем понять, как создаётся азот в воздухе, которым мы дышим: из ракетного топлива и оксида азота!» — заключает Марк Строус. Установление важной роли оксида азота как в анамоксе, так и в денитрификации, также открывает новое окно в эволюцию биологического круговорота азота в далёком прошлом Земли. Марк Строус поясняет: «В ранние дни истории Земли оксид азота, накапливавшийся в атмосфере благодаря вулканической активности, предположительно был первым «глубоким электронным акцептором» на планете и, возможно, таким образом позволил эволюционировать обоим микробным метаболическим путям — анамоксу и денитрификации».