Внутренняя работа цианобактерий снята на видео
Цианобактерии, встречающиеся почти в каждой экосистеме Земли, — одни из немногих бактерий, способных создавать собственную энергию посредством фотосинтеза и «фиксировать» углерод — из молекул CO2 — превращая его в топливо внутри крошечных компартментов, называемых карбоксисомами. Используя новаторский метод визуализации, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) создали, по сути, фильмы о сборке этого сложного и жизненно важного клеточного механизма внутри живых клеток. Они наблюдали, что бактерии строят эти внутренние компартменты способом, никогда ранее не виданным в растительных, животных и других эукариотических клетках.
«Карбоксисома, в отличие от органелл эукариот, собирается изнутри наружу», — сказала старший автор Шерил Керфельд, ранее работавшая в DOE JGI, а ныне в Университете штата Мичиган и Калифорнийском университете в Беркли. Результаты, опубликованные 21 ноября 2013 года в журнале Cell, прольют свет на физиологию бактерий и могут также повлиять на развитие нанотехнологий.
Хотя цианобактерии часто называют сине-зелёными водорослями, это название ошибочно, поскольку водоросли имеют сложные мембраносвязанные компартменты, называемые органеллами (включая хлоропласты), которые осуществляют фотосинтез, в то время как цианобактерии, как и все другие бактерии, лишены мембраносвязанных органелл. Большая часть их клеточного механизма, включая ДНК, свободно плавает в цитоплазме клетки. Однако у них есть примитивные микрокомпартменты, где происходят некоторые специализированные процессы.
Карбоксисомы, очень похожие на многогранные оболочки вирусов, имеют икосаэдрическую форму (около 20 треугольных граней). Внутри своих белковых оболочек они содержат большое количество фермента Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (обычно называемого RuBisCo) — чрезвычайно распространённого, но медленного фермента, необходимого для фиксации углерода. Микрокомпартмент также помогает концентрировать CO2 и удерживать его рядом с RuBisCo, одновременно блокируя доступ кислороду, который в противном случае имеет тенденцию ингибировать химические реакции, участвующие в фиксации углерода.
Будучи столь многочисленными, цианобактерии играют важную роль в углеродном цикле Земли — движении углерода между воздухом, морем и сушей. «Значительная часть глобальной фиксации углерода происходит в карбоксисомах», — сказала Керфельд. Цианобактерии, наряду с растениями, влияют на изменение климата, снижая количество углерода в атмосфере и откладывая его в органическом веществе в океане и на суше.
Чтобы отследить сборку карбоксисом, первый автор Джеффри Кэмерон разработал то, что Керфельд назвала «индуцибельной системой для включения биогенеза карбоксисом». Сначала он создал мутантные штаммы цианобактерии Synechococcus, у которых были намеренно «сломаны» гены, отвечающие за построение кароксисом, а затем вводил продукты каждого из нокаутированных генов, помеченные флуоресцентным маркером. Он делал покадровые цифровые изображения бактерий (метод time-lapse microscopy) по мере того, как они использовали светящиеся строительные блоки и включали их в свои новые карбоксисомы. Исследовательская группа также кропотливо сделала высококачественные статичные фотографии с помощью просвечивающего электронного микроскопа, запечатлев промежуточные стадии сборки карбоксисом. С помощью этих детальных изображений они смогли определить конкретную роль продукта каждого нокаутированного гена, а также установить временную шкалу того, как бактерия строит свои карбоксисомы. Команда также предположила, что другие бактерии могут строить различные типы микрокомпартментов тем же способом, что и карбоксисомы — изнутри наружу.
Это первый случай, когда учёные смогли наблюдать за сборкой бактериальных органелл в живых клетках. Керфельд отметила, что не только техника съёмки является серьёзным шагом вперёд по сравнению с предыдущими методами, но и что эта работа имеет далеко идущие последствия.
«Результаты дают ключи к пониманию организации ферментов, инкапсулированных в карбоксисоме, и того, как это усиливает фиксацию CO2», — сказала Керфельд. Более того, результаты не только помогают исследователям лучше понять, как работает этот ранее загадочный компартмент, но и позволяют адаптировать знания команды Керфельд об архитектуре карбоксисом для проектирования синтетических наноразмерных реакторов. Понимание фиксации углерода у цианобактерий способствует нашему пониманию того, как этот повсеместно распространённый организм влияет на глобальный углеродный цикл.