Как разнообразие дыхательных хинонов влияет на физиологию микробов

Новое исследование даёт фундаментальное понимание диверсификации малых молекул, называемых дыхательными хинонами, и её адаптивных последствий для бактериальных видов. Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего изучили, как на дыхание влияют разные типы хинонов, присутствующих у бактерий, растущих в аэробных средах.

Команда под руководством Бернхарда Палссона, профессора биоинженерии, и Амитеша Ананда, постдока в его лаборатории, опубликовала результаты 25 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Процесс дыхания зависит от разных типов локализованных в мембране редокс-активных малых молекул — дыхательных хинонов. Один тип, убихинон, используется современными формами жизни для аэробного дыхания. Исторически его появление совпадает с возникновением кислорода на Земле. Другой тип, нафтохинон, в основном использовался древними организмами (существовавшими около 2,5 млрд лет назад, когда на Земле было мало или не было кислорода) для анаэробного дыхания.

Эта диверсификация хинонов совпадает с оксигенацией земной среды, и поэтому считается адаптивным ответом на рост уровня кислорода. Однако большое количество бактериальных видов до сих пор дышит аэробно, используя древний дыхательный хинон — нафтохинон.

E. coli и несколько других бактериальных видов приобрели способность производить убихинон, сохранив при этом пути синтеза нафтохинона. Интересно, что эти виды используют убихинон для аэробного дыхания, а нафтохинон — для анаэробного. Бактериальные виды, лишённые убихинона, такие как Staphylococcus aureus и Mycobacterium tuberculosis, могут эффективно дышать аэробно, используя нафтохинон.

Чтобы изучить метаболические ограничения аэробного использования нафтохинона у видов, способных производить оба типа хинонов, исследователи создали штамм E. coli, дефицитный по убихинону, чтобы заставить его дышать аэробно с помощью древнего хинона. Затем они провели адаптивную лабораторную эволюцию этого штамма, чтобы понять метаболические проблемы, с которыми сталкиваются бактерии при использовании древнего хинона в аэробных условиях. Целью было воссоздать условия во время быстрого роста кислорода в атмосфере Земли — события, известного как Великая кислородная катастрофа.

У штаммов E. coli, эволюционировавших для аэробного дыхания с нафтохиноном, наблюдалась активация подмножества клеточных систем защиты, которые в основном отвечают за смягчение окислительного стресса в периплазматическом пространстве. Относительно более низкий редокс-потенциал нафтохинона делает его более склонным к непродуктивной утечке электронов во время работы цепи переноса электронов при дыхании. Это может приводить к генерации реактивных радикалов и повреждению клетки.

Активируя механизм защиты, бактерии обеспечивали более безопасную работу цепи переноса электронов и демонстрировали улучшение потребления кислорода. Однако активация этой защиты требовала от бактерий перераспределения ограниченных клеточных ресурсов. Это ограничивало способность к росту у эволюционировавших штаммов. Исследователи предполагают, что именно этот компромисс между «страхом и жадностью» (fear-greed tradeoff) направлял появление хинона с более высоким редокс-потенциалом.

Понимание этого компромисса не только углубляет базовое понимание эволюции микробной биоэнергетики, но и может облегчить модуляцию роста и выживания бактерий, особенно широкого спектра патогенных бактерий, которые дышат аэробно, используя нафтохинон.