Загадка фосфита: научный детектив привел к открытию нового типа бактериального метаболизма

Биологи из Констанца открыли новый и одновременно древний бактериальный метаболизм на основе фосфора. В истории его открытия фигурируют расчет 1980-х годов, очистные сооружения, новый бактериальный организм и реликт возрастом около 2,5 миллиардов лет.

Начало: расчет на листе бумаги

В конце 1980-х годов ученый рассчитал, что окисление химического соединения фосфита до фосфата высвобождает достаточно энергии для синтеза энергетической "валюты" клетки — молекулы АТФ. Это означало, что микроорганизм теоретически может обеспечивать себя энергией, не завися от света или разложения органики.

Ученому, Бернхарду Шинку из Лимнологического института Университета Констанца, удалось выделить такой микроорганизм. Однако ключевой фермент, стоящий за этим процессом, оставался неизвестным, и загадка не была разгадана три десятилетия.

Неожиданная находка на очистных сооружениях

Спустя 30 лет, в образце ила с очистных сооружений Констанца, аспирантка Чжуцин Мао обнаружила второй микроорганизм, получающий энергию из фосфита. Бактерия росла в среде, где фосфит был единственным источником пищи.

"Этот бактериальный организм существует за счет окисления фосфита и, насколько мы знаем, исключительно за счет этой реакции. Таким образом он покрывает свой энергетический метаболизм и одновременно может строить свое клеточное вещество из CO₂", — объясняет Бернхард Шинк. — "Это автотрофный организм, как растение. Однако, в отличие от растения, ему не нужен свет, поскольку он получает энергию от окисления фосфита".

Оказалось, что эта бактерия не только новый вид, но и представляет собой совершенно новый род.

Разгадка молекулярного механизма

Исследовательская группа из Констанца (Б. Шинк, Н. Мюллер, Д. Шлехек, Дж. Флеминг, О. Маянс) получила чистую культуру нового штамма и идентифицировала ключевой фермент, запускающий окисление фосфита до фосфата.

Прорыв совершил Николай Мюллер, наглядно продемонстрировав активность фермента. Ольга Маянс и Дженнифер Флеминг создали трехмерную модель его структуры и активного центра.

"Очень удивительно, что во время окисления фосфит, по-видимому, напрямую связывается с предшественником энергоносителя АМФ, в результате чего образуется энергоноситель АДФ. В последующей реакции два образовавшихся АДФ преобразуются в один АТФ, за счет которого организм в конечном итоге и живет", — описывает путь реакции Николай Мюллер.

Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Реликт возрастом 2,5 миллиарда лет

Исследователи полагают, что этот тип метаболизма не новый, а очень древний — ему около 2,5 миллиардов лет.

"Предполагается, что на ранних этапах эволюции, когда Земля остывала, фосфор в значительной степени еще присутствовал в частично восстановленной форме и лишь позже постепенно окислялся. Открытый нами сейчас метаболизм очень хорошо вписывается в раннюю фазу эволюции микроорганизмов", — поясняет Бернхард Шинк.

Биохимический механизм, вероятно, сохранился с первобытных времен нашей планеты, когда первые микроорганизмы должны были питаться неорганическими соединениями, такими как фосфит. Новые данные дают ключ к пониманию ранней биохимической эволюции и механизмов, позволяющих жизни существовать в крайне враждебных условиях, возможно, даже на других планетах.