Гигантские симбионты глубоководных червей используют два пути фиксации углерода для рекордного роста
В глубоководной среде Восточно-Тихоокеанского поднятия, куда не проникает солнечный свет, обитает Riftia pachyptila — гигантский гидротермальный червь. У него нет пищеварительной системы, но он процветает благодаря симбиозу с бактериями, живущими в его теле. Эти миллиарды бактерий фиксируют углекислый газ в сахара, чтобы поддерживать себя и червя.
В отличие от большинства автотрофов, использующих один путь фиксации углерода, хемоавтотрофные эндосимбионты Riftia обладают двумя функциональными путями: циклом Кальвина–Бенсона–Бэшема (CBB) и восстановительным циклом трикарбоновых кислот (rTCA). Новое исследование, опубликованное в Nature Microbiology, раскрывает, как эти пути скоординированы.
Учёные из Гарварда собрали червей с Восточно-Тихоокеанского поднятия и инкубировали их в условиях, имитирующих естественную среду (давление 3000 PSI, почти токсичные уровни серы). Это позволило измерить чистые скорости фиксации углерода и изучить транскрипционные и метаболические ответы.
«Это исследование — тур де форс, сочетающий изучение живых организмов, измерение их метаболических скоростей и прямой анализ транскриптов. Оно показывает, что пути, скорее всего, работают параллельно», — сказал старший соавтор Питер Гиргис.
Отличительные роли в метаболической функции
Транскрипционные паттерны циклов rTCA и CBB значительно различались в ответ на разные геохимические условия. Каждый путь был связан с определёнными метаболическими процессами:
- Цикл rTCA связан с гидрогеназами и диссимиляционной нитратредукцией. Эти ферменты crucial для обработки водорода и нитратов в отсутствие кислорода, что указывает на ключевую роль rTCA в условиях с меньшей энергией.
- Цикл CBB ассоциирован с окислением сульфидов и ассимиляционной нитратредукцией. Окисление сульфидов — жизненно важный процесс в богатой химическими веществами среде гидротермальных источников.
Комплементарные пути
Одно из самых интригующих открытий — комплементарная природа этих двух путей. Цикл rTCA особенно важен в условиях ограничения сульфидов и кислорода. Это было подтверждено идентификацией гидрогеназы группы 1e, которая вместе с циклом rTCA играет решающую роль в физиологическом ответе на такие ограничения.
Измеренные чистые скорости фиксации углерода были исключительно высокими, что объясняет быстрый рост и выживание Riftia pachyptila. Двойные пути фиксации углерода, каждый из которых оптимизирован для разных условий окружающей среды, могут позволять симбионтам поддерживать метаболическую стабильность при изменениях среды.
Значение и будущие исследования
Это исследование открывает новые пути для изучения биологического захвата углерода и фундаментальной биохимии. Знания могут найти применение в биотехнологии для разработки более эффективных систем фиксации углерода.
«Это исследование прокладывает путь для будущих работ и понимания того, как эти двойные пути позволяют организму фиксировать такое количество углерода», — сказала ведущий автор Джессика Митчелл.