Древняя жизнь способна удивлять новыми трюками
Археи — одни из древнейших известных форм жизни, но они плохо изучены. Только в 1970-х годах эти одноклеточные микроорганизмы были выделены в отдельный домен жизни, отличный от бактерий и многоклеточных эукариот.
Профессор микробиологии Роберт Гансалус заинтересовался археями из-за их способности процветать в экстремальных условиях. Используя современное оборудование для визуализации в Калифорнийском нанотехнологическом институте (CNSI) в UCLA, он впервые показал, что архея Methanosprillum hungatei содержит невероятно эффективные структуры для хранения энергии.
Результаты опубликованы в выпуске журнала Environmental Microbiology от 5 июля.
M. hungatei имеет большое экологическое значение благодаря уникальной способности формировать симбиотические отношения с синтрофными бактериями для разложения органики и производства метана. Однако, хотя их роль в пищевой цепи изучалась, о том, как они генерируют и хранят энергию, было известно мало.
Гансалус много лет исследовал анаэробные организмы, такие как M. hungatei — микробы, живущие в бедных кислородом средах с крайне ограниченной энергией. Когда в 2006 году в UCLA пришел профессор Хонг Чжоу, эксперт в визуализации наноструктур, появилась возможность глубже изучить эти организмы.
Большую часть работы по визуализации выполнил аспирант Дэн Тосо в лаборатории Чжоу, используя оборудование Центра электронной визуализации наномашин (EICN) в CNSI. Получив самые детальные на сегодня изображения внутренней структуры M. hungatei, команда с удивлением обнаружила гранулы — структуры диаметром около 150 нанометров, запасающие энергию.
"Темный вид гранул на изображениях обусловлен их высокой плотностью. Изучив её, мы обнаружили их энергоемкость", — пояснил Чжоу.
Плотность гранул — примерно в 4 раза выше плотности воды — определили с помощью микроскопа Titan STEM, крио-электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в лаборатории EICN.
Крошечные гранулы, составляющие менее 0.5% объема клетки, настолько эффективны, что каждая запасает в 100 раз больше энергии, чем вся остальная клетка. Каждая M. hungatei производит две гранулы, по одной на каждом конце клетки. Поскольку все клетки формируют гранулы в одном месте и на одной стадии жизненного цикла, вероятно, их ДНК содержит специфические генетические инструкции для создания и позиционирования гранул.
Исследователи надеются использовать данные недавней расшифровки генома M. hungatei (Институтом совместных исследований генома Министерства энергетики США), чтобы продолжить изучение. Если в геноме удастся найти инструкции для создания гранул, их можно будет использовать как своего рода химическую батарею для синтетических клеток.
Помимо энергонакопительной функции, у M. hungatei есть и другие секреты. Они производят особую наноструктурную оболочку вокруг клеточной мембраны, которая может служить защитой или "клеточной бронёй" в суровых условиях их обитания. Хотя оболочки были открыты в 1970-х, технологий для их детального изучения тогда не существовало.
"M. hungatei развили уникальные черты для выживания в суровых низкоэнергетических средах. Передовое оборудование и эксперты в UCLA позволяют нам изучать их, раскрывая множество секретов", — сказал Гансалус.
Следующие цели исследователей — выяснить точные биологические функции гранул и оболочек M. hungatei. Для гранул предложено несколько функций: источник энергии для деления клетки, питание жгутиков для движения или даже защита от токсичности тяжелых металлов, таких как железо или медь.