Цианобактерии могут использовать токсичный гуанидин как источник азота

Гуанидин — органическое соединение, в основном используемое как денатурирующий реагент для разрушения структур белков и нуклеиновых кислот. Учёные из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (UFZ) вместе с партнёрскими институтами показали, что цианобактерии, играющие центральную роль в глобальных биогеохимических циклах, используют гуанидин в качестве источника азота.

Результаты недавно опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователи раскрыли лежащие в основе механизмы и потенциал для нового инструмента устойчивых биотехнологических применений.

Экологическая и биотехнологическая значимость цианобактерий

Цианобактерии — ключевые экологические игроки глобальных циклов углерода и азота. Они также становятся всё более важными для углеродно-нейтральной биотехнологии. Они могут служить зелёными клеточными фабриками для светозависимого и устойчивого производства химикатов и топлива — центральным столпом устойчивой биоэкономики.

Однако по сравнению с другими бактериями, такими как Escherichia coli, мало известно о том, как цианобактерии реагируют на внешние и внутренние сигналы, как координируется их метаболизм и как функционируют эти регуляторные механизмы.

Открытие метаболизма гуанидина у цианобактерий

Исследование, опубликованное UFZ в сотрудничестве с Университетом Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Университетом Мартина Лютера в Галле-Виттенберге, показывает, что цианобактерии могут активно поглощать и расщеплять гуанидин (CH₅N₃) и даже использовать его как единственный источник азота. Это предполагает, что свободный гуанидин доступен в естественных местообитаниях и что способность его использовать даёт преимущество для колонизации — даже несмотря на то, что гуанидин ранее рассматривался в основном как токсичное вещество.

Уже было известно, что гуанидин расщепляется в клетке цианобактерий гуанидингидролазой на аммоний и мочевину, которые через дальнейшие реакции поступают в метаболизм. Вновь исследованные аспекты включают поглощение гуанидина как питательного вещества через новооткрытую ABC-транспортную систему (ATP-binding cassette), которая распознаёт гуанидин с высоким сродством и обеспечивает его импорт в клетку даже при низких концентрациях гуанидина в окружающей среде.

Одновременно специальная транспортная система (эффлюксная система), которая также может выводить гуанидин из клеток, защищает их от чрезмерных и, следовательно, вредных концентраций. Ферменты и транспортные системы, ответственные за метаболизм гуанидина, широко распространены среди цианобактерий.

Последствия для циклов азота и биотехнологии

«Исследование показывает, что гуанидин является неотъемлемой частью азотного метаболизма и поэтому также должен играть роль в глобальных биогеохимических циклах в природе», — говорит доктор Штефан Клен, молекулярный микробиолог UFZ и координатор исследования.

Для этого исследователи объединили геномные анализы, методы молекулярной микробиологии и биохимические исследования связывания с имитационным анализом процессов и дополнительно изучили регуляцию метаболизма гуанидина. Гены транспортеров и гидролаз гуанидина регулируются на нескольких уровнях, в том числе через рибопереключатель, который реагирует непосредственно на связывание гуанидина.

Исследователи используют этот механизм для биотехнологии: рибопереключатель служит точно управляемым элементом, который можно использовать для тонкой настройки экспрессии генов в цианобактериях путём добавления гуанидина. Это даёт молекулярный инструмент для экономичного контроля биотехнологических производственных процессов, пригодный для широкого спектра применений в синтетической биологии.