Расшифрована внутренняя работа бактерии A. aromaticum
Команда исследователей из Университета Ольденбурга детально изучила метаболизм ключевого экологического микроорганизма. Это целостное понимание позволяет надежно предсказывать рост микробов. Вид специализируется на разложении долгоживущих органических веществ и поэтому играет важную роль в биологической ремедиации почв.
Группа микробиологов под руководством профессора Ральфа Рабуса и аспиранта Патрика Беккера получила глубокое представление о клеточных механизмах распространенной почвенной бактерии. Исследователи изучили всю метаболическую сеть бактериального штамма Aromatoleum aromaticum EbN1T и использовали результаты для создания метаболической модели, позволяющей прогнозировать рост этих микробов в различных условиях окружающей среды.
Как сообщают исследователи в mSystems, их анализ выявил неожиданные механизмы, которые, по-видимому, позволяют этим бактериям адаптироваться к быстро меняющимся условиям. Результаты важны для экосистемных исследований, где штамм Aromatoleum может служить модельным организмом, а также могут представлять интерес для ремедиации загрязненных участков и биотехнологических применений.
Изученный бактериальный штамм специализируется на использовании трудноразлагаемых органических веществ и обычно встречается в почве и водных отложениях. Микробы процветают в различных условиях, включая кислородные, бедные кислородом и бескислородные слои, а также чрезвычайно универсальны в отношении потребления питательных веществ.
Они метаболизируют более 40 различных органических соединений, включая высокостабильные природные вещества, такие как компоненты лигнина, а также долгоживущие загрязнители и компоненты нефти.
В частности, вещества с бензольным кольцом из шести атомов углерода, известные как ароматические соединения, могут биодеградироваться этими микробами — с помощью кислорода или без него. Благодаря этим способностям Aromatoleum играет важную роль в полном разложении органических соединений в почве и осадках до диоксида углерода — процесс, полезный и для биологической очистки почв.
Целью исследования было получить целостное понимание функционирования этого одноклеточного организма. Для этого исследователи культивировали микробы как в оксических, так и в аноксических условиях (т.е. с кислородом и без), используя пять различных питательных субстратов. Для каждого из этих десяти условий они вырастили по 25 культур, а затем изучили образцы с помощью методов молекулярной биологии (технический термин: мульти-омикс), позволяющих одновременно анализировать все транскрибируемые гены в клетке, все производимые белки и все ее метаболиты.
«С помощью этого системно-биологического подхода вы получаете глубокое понимание всей внутренней работы организма», — объясняет Рабус.
В результате кропотливой работы исследователи получили всестороннее представление о метаболических реакциях этого штамма. Они обнаружили, что в процессах деградации участвуют около 200 генов, и определили, какие ферменты расщепляют добавленные вещества и через какие промежуточные продукты разлагаются различные питательные вещества. Ученые включили свои данные о метаболической сети в модель роста и показали, что прогнозы модели в значительной степени соответствуют измеренным данным.
«Теперь мы можем описать организм с уровнем точности, который до сих пор был возможен лишь для очень немногих других бактерий», — говорит Рабус.
Комбинируя различные методы, команда смогла выявить неожиданные механизмы в метаболизме этих бактерий. К удивлению исследователей, оказалось, что микроб производит несколько ферментов, которые он не может использовать в данных условиях роста, что на первый взгляд кажется избыточной тратой энергии.
«Обычно бактериальные клетки определяют, присутствует ли в их среде кислород, и затем с помощью специфических механизмов активируют только соответствующий питательному веществу метаболический путь с соответствующими ферментами», — объясняет Рабус.
Но с некоторыми субстратами микроб производил все ферменты для аэробных и анаэробных путей деградации независимо от уровня кислорода — даже несмотря на то, что некоторые из этих ферментов были совершенно бесполезны.
Рабус предполагает, что эта кажущаяся расточительность на самом деле является стратегией выживания в нестабильной среде.
«Даже если уровень кислорода внезапно меняется — что часто бывает в естественных условиях — Aromatoleum остается гибким и может использовать это питательное вещество и производить энергию по мере необходимости», — объясняет микробиолог.
По его словам, до сих пор не известно других бактерий, использующих подобный механизм.