Синхротронный инфракрасный свет раскрывает тайны микробного сообщества

В 2010 году международная команда исследователей, изучавшая загадочное микробное сообщество в холодных серных источниках на юге Германии, обратилась за помощью к Хой-Инг Холман из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab).

Холман, руководившая исследованиями бактерий, питавшихся нефтью после разлива Deepwater Horizon в Мексиканском заливе (опубликовано в Science), использовала инфракрасную спектромикроскопию на объекте Berkeley Synchrotron Infrared Structural Biology (BSISB) в Advanced Light Source (ALS).

Не экстремалы, но уникальные

Речь шла об архее SM1 Euryarchaeon, обнаруженной менее 10 лет назад в источнике Sippenauer Moor. Она образует симбиотические «ожерелья»: археи заполняют «жемчужины», а нитчатые бактерии покрывают их поверхность, образуя связующие нити. Предполагался синтрофный метаболизм (взаимозависимость в питании), но биохимические детали были неизвестны.

Кристин Моиссль-Эйхингер из Университета Регенсбурга, одна из первооткрывателей SM1, также обнаружила её биоплёнки в другом источнике — Muehlbacher Schwefelquelle. Пробы биоплёнки, изначально казавшейся чистой культурой SM1, были собраны с помощью сетчатых ловушек.

Для анализа команда использовала ДНК-микрочип PhyloChip, изобретённый в Berkeley Lab. Он показал, что SM1 была доминирующим видом в подповерхностном сообществе, но также присутствовали другие археи и около 5% бактерий.

Роль синхротрона

К исследованию подключилась команда BSISB. Метод синхротронная инфракрасная спектромикроскопия с преобразованием Фурье (SR-FTIR) позволил совместить изображения и спектры, чтобы картировать химические взаимоотношения в образце.

• Ключевое различие: Мембранные липиды бактерий состоят из жирных кислот с длинными алкильными цепями (одна-две концевые метильные группы). Липиды архей состоят из разветвлённых насыщенных изопреноидов, имеют относительно меньше алкильных групп, но больше метильных.
• Результат: SR-FTIR выявил яркие спектральные сигналы алкильных и метильных групп, а также серосодержащих функциональных групп. Это однозначно идентифицировало сульфатредуцирующую метаболическую активность бактерий в образцах. Клетки архей такой активности не проявляли.

Это подтвердило гипотезу о взаимном метаболизме. На поверхности каждой клетки SM1 были обнаружены шипы из трёх белковых нитей с концевыми крючками — «хами» (от лат. hamus — крюк). Эти «нано-багоры», чей основной белок не похож на известные архейные или бактериальные филаменты, предположительно удерживают микробных партнёров вместе.

Взаимодействие SM1 с бактериями может быть моделью для понимания других синтрофных отношений, важных для углеродного и серного циклов. Пока вид найден только в двух местах в Германии, но родственные виды обнаружены в серных источниках Турции.

SR-FTIR в биологии: широта применения

Технология SR-FTIR, основная для BSISB, становится незаменимым инструментом в микробиологии, так как не требует интрузивного мечения клеток, позволяет различать архей и бактерий и отслеживать химические изменения в сообществе в реальном времени.

• Биоремедиация: Изучение биохимических изменений у микроорганизмов при окислении/восстановлении урановых и хромовых отходов (проекты в Earth Sciences Division Беркли).
• Экология и климат: Исследование изменений в сообществах почвенных микробов и разложения древесины в кишечнике жуков.
• Ризосфера: Изучение в реальном времени взаимодействия корневых волосков растений с симбиотическими микроорганизмами в микрофлюидной камере BSISB.
• Медицина: Проект по заживлению ран — наблюдение за молекулярными изменениями в живых человеческих клетках в ответ на электрические поля.

Уникальная инфракрасная beamline 5.4 BSISB расположена на крыше ALS, что предоставляет пространство для подготовки живых образцов и их изучения с помощью массива методов визуализации и спектроскопии.