Учёные раскрыли новые детали работы цикла лимонной кислоты

Исследователи под руководством профессоров Ивана Берга (Мюнстерский университет) и Вольфганга Айзенрайха (ТУМ) сообщают о новых данных по циклу лимонной кислоты: некоторые бактерии могут использовать этот центральный метаболический путь «в обратном направлении», но для этого им необходимы очень высокие концентрации фермента цитратсинтазы и углекислого газа. Этот путь может быть реликтом ранних этапов развития жизни.

Цикл лимонной кислоты — важный метаболический путь, позволяющий живым организмам генерировать энергию, разлагая органические соединения до диоксида углерода (CO₂). Обычно первый шаг цикла выполняет фермент цитратсинтаза, которая синтезирует цитрат. Однако в отсутствие кислорода (в анаэробных условиях) некоторые бактерии могут осуществлять обратный цикл: они могут строить биомассу из CO₂.

В этом так называемом обратном цикле лимонной кислоты цитратсинтаза заменяется на АТФ-цитрат-лиазу, которая расходует универсальный энергоноситель клеток АТФ (аденозинтрифосфат) для расщепления цитрата, а не для его образования. Однако несколько лет назад та же команда обнаружила, что вместо АТФ-цитрат-лиазы для обратного цикла некоторые анаэробные бактерии могут использовать саму цитратсинтазу для катализа расщепления цитрата без потребления АТФ. Теперь учёные выяснили, что бактерии, использующие этот путь (обратный цикл лимонной кислоты через цитратсинтазу), зависят от очень высоких концентраций как фермента, так и CO₂.

Для сравнения: концентрация CO₂ в воздухе составляет около 0.04%, но бактериям, использующим этот путь, для роста требуется как минимум в 100 раз больше. Исследователи предполагают, что такие зависящие от концентрации CO₂ пути могли быть широко распространены на первобытной Земле, поскольку в то время концентрация CO₂ была высокой. Следовательно, этот метаболический путь может быть реликтом ранней жизни. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Результаты в деталях

Учёные хотели понять, какой фактор определяет, работает ли цикл лимонной кислоты у бактерий «вперёд» или «назад». Культивируя бактерии в разных условиях, они заметили, что рост этих организмов сильно зависит от концентрации CO₂ в газовой фазе. Высокая концентрация CO₂ была необходима для работы другого важного фермента — пируватсинтазы. Этот фермент отвечает за сборку ацетил-кофермента А (ацетил-КоА), продукта «обратного цикла».

Высокая концентрация CO₂ направляет реакцию пируватсинтазы в сторону карбоксилирования и весь цикл — в обратном направлении, позволяя превращать CO₂ в биомассу. Изученные бактерии Hippea maritima и Desulfurella acetivorans хорошо росли при 20% и 40% CO₂ в газовой фазе, умеренно — при 5% CO₂, а при 2% или 1% CO₂ роста не наблюдалось. В качестве контроля учёные изучили другую автотрофную бактерию Desulfobacter hydrogenophilus, которая использует энергетически более затратную версию обратного цикла с АТФ-цитрат-лиазой. У этой бактерии рост не зависел от концентрации CO₂.

«Обратный цикл», использующий цитратсинтазу для расщепления цитрата, нельзя предсказать биоинформатически, так как у него нет ключевых ферментов, наличие которых могло бы служить маркером работы пути. Поэтому в качестве идентифицирующего признака для биоинформатического анализа учёные использовали обнаруженные высокие уровни цитратсинтазы в белковом составе этих бактерий. С помощью специального инструмента анализа исследователи смогли предсказать уровни продукции отдельных белков. С помощью этого приёма удалось предсказать функционирование «обратного цикла» для фиксации неорганического углерода у многих анаэробных бактерий.

Учёные также показали, что для переключения с окислительного («прямого») на восстановительное («обратное») направление не требуется регуляции генов. «Это означает, что клетки могут очень быстро реагировать на доступность источника углерода в окружающей среде», — говорит Иван Берг. «Они используют либо восстановительное направление для фиксации CO₂, если концентрация CO₂ высока, либо окислительное направление, если доступен другой источник углерода».

Значение открытия

«Вполне вероятно, что многие другие организмы используют этот цикл для связывания CO₂, — говорит Иван Берг. — Наши выводы согласуются с результатами нескольких недавних исследований, подчёркивающих потенциально широкое распространение этого обратного окислительного цикла лимонной кислоты».

Тем не менее, многие бактерии используют энергетически менее эффективную АТФ-зависимую реакцию для расщепления цитрата. «Было загадкой, почему существует эта «дорогая» версия пути, если возможна энергетически гораздо более дешёвая альтернатива через обратную реакцию цитратсинтазы. Теперь мы знаем, что это связано с низкими концентрациями CO₂ во многих средах. Дешёвая альтернатива там не работает», — говорит Вольфганг Айзенрайх.

Эти выводы также могут представлять интерес для биотехнологии. Со знанием того, что автотрофные организмы, использующие этот «обратный цикл», зависят от концентрации CO₂, учёные могут применять его для более эффективного превращения субстратов в ценные продукты.