Жизнь под давлением: уроки из колыбели жизни

Глубоководные щелочные гидротермальные источники рассматриваются как одно из возможных мест зарождения жизни. Повышенная температура, щелочной pH и уникальная динамика источников концентрируют минералы и создают локальные энергетические градиенты, способствующие примитивным метаболическим реакциям. Часто упускаемый из виду фактор — экстремальное гидростатическое давление на таких глубинах — также может способствовать различным видам молекулярной сборки, которые не происходят спонтанно на уровне моря.

Сегодня многие сложные организмы, благодаря метаболическим и физиологическим адаптациям, существуют или вновь заселили глубины океана. Среди самых экстремальных — «пьезофильные» (любящие давление) прокариоты семейства Colwellia. Их находят в самых глубоких желобах на глубине около 11 000 метров, где давление достигает 110 мегапаскалей (атмосферное давление — 0,1 МПа). Недавняя статья в BioRxiv анализирует геномы семи штаммов Colwellia, чтобы выяснить, как именно жизнь адаптируется к высокому давлению.

Исследование показало, что у более пьезофильных штаммов Colwellia в протеоме значительно выше уровень основных и гидрофобных аминокислот. Это, вероятно, стабилизирует белки и ограничивает проникновение воды в них под давлением. У пьезофильной группы также больше генов, кодирующих белки репликации, рекомбинации и репарации, а также белки, связанные с подвижностью клеток и биогенезом клеточной стенки и мембраны. В частности, у них выше процент ненасыщенных жирных кислот и особых форм холестерина, которые критически важны для регулирования и поддержания текучести мембраны при высоком давлении.

Интересно, что многие из этих генов обнаружены исключительно в высоковариабельных участках, известных как геномные острова. Это указывает на то, что адаптации, вероятно, были приобретены посредством горизонтального переноса генов через транспозазы или другие мобильные элементы. В этих вариабельных регионах также найдено обилие быстро модифицируемых систем генов «токсин-антитоксин», которые присутствуют и у многих других бактерий. Ещё одно наблюдение: у пьезофильной группы отсутствует фермент TMAO-редуктаза, восстанавливающий TMAO до TMA. Это объясняется предпочтительной потребностью в TMAO как в «пьезолите» (осмолите, стабилизирующем белки при давлении), а не в его альтернативной функции акцептора электронов.

Рассматривая энергетику и дыхание, авторы идентифицировали у пьезофилов дополнительный кластер генов NADH-убихинон оксидоредуктазы 'nuo'. Эта уникальная NADH-дегидрогеназа транслоцирует четыре протона на два электрона и может помогать в получении энергии при высоком давлении. Любопытно, что отмечается сходство бактерии Shewanella (известной своим эклектичным спиново-зависимым переносом электронов через мультигемовые цепи) с Colwellia. Сходства включают не только упомянутые NADH-оксидоредуктазы, но и похожие гипервариабельные генетические системы «токсин-антитоксин».

Высокое давление может оказывать воздействие на живые системы на разных уровнях. В целом, оно изменяет межмолекулярные расстояния и конформации, но не влияет на длины ковалентных связей или валентные углы. Структуры пептидов, липидов и сахаров значительно нарушаются только выше 2 ГПа. С другой стороны, ассоциация белков с ДНК менее стабильна при повышенном давлении, а сама двойная спираль ДНК переходит в более плотные формы, что влияет на транскрипцию и экспрессию.

Хотя большая часть глубин океана очень холодна, температура в районах гидротермальных источников может достигать 400 °C. В сочетании с давлением выше 30 МПа создаются условия, соответствующие термодинамическому сверхкритическому состоянию воды. Сверхкритическая вода имеет повышенную диэлектрическую проницаемость, вязкость, плотность и гидратацию ионов. В результате растворимость полярных и ионных соединений снижается, а неполярных молекул — усиливается. Следствие этого — эффективная концентрация пребиотических молекул и более высокая вероятность их реакций.

Как только примитивные металл-катализируемые метаболические реакции закрепились, а аминокислоты смогли полимеризоваться в рудиментарные белки, можно проследить эволюцию базовых белковых укладок, лежащих в основе древней метаболической сети. Таковы, например, укладка ферредоксина, связывающая железо-серные кластеры, и укладка «Россмана», связывающая нуклеотиды. Есть свидетельства, что эти две укладки могли иметь общего предка и, возможно, были первым метаболическим ферментом жизни в том виде, в каком мы её знаем.

Почему же высокое давление важно для нас сегодня? Во-первых, гипербарическая терапия рекламируется как потенциальное решение многих проблем. Все самые роскошные суперъяхты имеют гипербарическую камеру для декомпрессии после глубоководного погружения. Также её предлагали использовать для разрушения амилоидных фибрилл при болезни Альцгеймера. Но насколько это разумно?

Проблема в двойственном эффекте высокого давления на агрегацию белков: с одной стороны, оно может индуцировать промежуточные состояния, склонные к агрегации, а с другой — предотвращать агрегацию и диссоциировать агрегаты. Чувствительность белковых агрегатов к давлению во многом зависит от степени структурного порядка агрегата. Свежие, аморфные агрегаты более чувствительны к давлению и склонны к рефолдингу в нативное состояние, чем зрелые амилоидные фибриллы. Помимо болезни Альцгеймера, эти соображения могут осложнить и другие усилия, например, попытки уничтожить инфекционные прионные агрегаты с помощью высокого давления.

Другое интригующее применение — потенциальная возможность деконтаминации пищевых продуктов предварительной обработкой высоким давлением. Возможно, ещё более актуальной была бы способность избирательно инактивировать различные инфекционные вирусы, подобные гриппу, с помощью давления.