Когда зеленым водорослям не хватает воздуха: для выживания в бескислородной среде одноклеточным нужен гемоглобин

Когда зеленые водоросли «не могут дышать», они избавляются от избытка энергии, производя водород. Биологи из Рурского университета в Бохуме выяснили, как клетки замечают отсутствие кислорода. Для этого им нужны сигнальная молекула оксид азота и белок гемоглобин, известный по эритроцитам человека. Об этом команда из Бохума совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщила в журнале PNAS.

У зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii есть так называемый «усеченный» гемоглобин, функция которого ранее была неизвестна. Команда профессора Томаса Хэппе из рабочей группы «Фотобиотехнология» расшифровала его роль в выживании в бескислородной среде.

Когда у Chlamydomonas нет доступа к кислороду, водоросли передают избыточные электроны протонам, создавая водород (H₂). «Для этого зеленая водоросль активирует определенную генную программу и создает множество новых белков», — объясняет Хэппе. «Но как именно клетки вообще замечают, что кислорода нет, мы не знали».

Исследователи искали гены, особенно активные, когда зеленые водоросли вынуждены жить без кислорода, — и нашли ген, который формирует шаблон для гемоглобина. В богатой кислородом среде этот ген был полностью неактивен.

Роль гемоглобина и оксида азота

Ученые изучили белок гемоглобина и его генетический шаблон с помощью молекулярно-биологических и биохимических анализов. «Одна вещь стала ясной очень быстро», — говорит д-р Ання Хемшеймер. «Водоросли, у которых мы выключили этот ген, почти не могли расти без кислорода».

Известно, что во многих организмах гемоглобин обезвреживает оксид азота, поскольку передозировка этого газа отравляет клетки. Исследователи проверили, умирают ли генетически модифицированные водоросли, неспособные образовывать гемоглобин, от отравления оксидом азота. Ожидалось, что водорослям будет лучше, если газ удалить с помощью химического поглотителя. «К удивлению, тогда водоросли вообще не могли расти», — отмечает Хемшеймер. Был сделан вывод, что в бескислородных условиях гемоглобин и оксид азота действуют заодно.

Оксид азота как сигнальная молекула

Оксид азота действует во многих живых организмах как сигнальная молекула — по-видимому, и в зеленых водорослях. Эксперименты in vitro показали, что гемоглобин зеленых водорослей взаимодействует с оксидом азота. Когда исследователи искусственно вводили газ одноклеточным организмам, активировались определенные гены, которые в противном случае «включаются» только в отсутствие кислорода.

«Из всех этих данных мы можем заключить, что Chlamydomonas использует оксид азота для передачи сигнала "нет кислорода!" внутри клетки, и что наш гемоглобин участвует в этом процессе», — подводит итог Хэппе.

Дальнейшие исследования

Его команда хочет продолжить изучение роли этого белка у зеленых водорослей, так как биологи обнаружили в организме еще одиннадцать генов гемоглобина. «Теперь работа действительно набирает обороты», — говорит ученый из Бохума. «На карте исследований гемоглобина много белых пятен, которые мы хотим заполнить. Тот факт, что одной клетке требуется двенадцать белков гемоглобина, указывает на то, что они выполняют тонко настроенные функции в клетке».