Ученые впервые экспериментально подтвердили существование новых групп метаногенов
Группа ученых из Университета штата Монтана впервые экспериментально доказала, что две новые группы микробов, обитающих в гидротермальных источниках Йеллоустонского национального парка, производят метан. Это открытие может в будущем способствовать разработке методов смягчения последствий изменения климата и дать представление о потенциальной жизни в других частях Солнечной системы.
Журнал Nature опубликовал результаты исследований лаборатории Роланда Хатценпихлера, доцента кафедры химии и биохимии MSU.
Две научные статьи описывают проверку исследователями MSU первых известных примеров одноклеточных организмов, производящих метан, которые существуют за пределами линии Euryarchaeota, входящей в более крупную ветвь древа жизни Archaea.
Эти организмы называются метаногенами. В то время как люди и животные потребляют пищу, дышат кислородом и выдыхают CO2, метаногены потребляют небольшие молекулы, такие как углекислый газ или метанол, и выделяют метан. Большинство из них — строгие анаэробы, не способные выживать в присутствии кислорода.
Ученые с 1930-х годов знали, что многие анаэробные организмы внутри архей являются метаногенами, и десятилетиями считали, что все они относятся к единственному типу — Euryarchaeota.
Однако около 10 лет назад микробы с генами метаногенеза начали обнаруживать в других типах, включая Thermoproteota. Этот тип содержит две микробные группы: Methanomethylicia и Methanodesulfokora.
"Все, что мы знали об этих организмах, — это их ДНК. Никто никогда не видел клетку этих предполагаемых метаногенов; никто не знал, используют ли они на самом деле свои гены метаногенеза или растут каким-то другим способом", — сказал Хатценпихлер.
Исследователи взяли пробы из отложений горячих источников Йеллоустона с температурой от 61 до 72 °C. Докторант Энтони Котц и постдок Виола Крукенберг вырастили эти микробы в лаборатории. Микробы не только выжили, но и процветали — и производили метан.
Параллельно исследовательская группа под руководством Лей Ченга из Китая и Дианы Соуза из Нидерландов успешно вырастила еще один из этих новых метаногенов, над проектом они работали шесть лет.
"До наших исследований, за исключением секвенирования ДНК, никакой экспериментальной работы с этими микробами не проводилось", — отметил Хатценпихлер.
Значение открытия и дальнейшие вопросы
В то время как одна из новых групп, Methanodesulfokora, по-видимому, ограничена горячими источниками и глубоководными гидротермальными жерлами, Methanomethylicia широко распространены. Их находят на очистных сооружениях, в пищеварительном тракте жвачных животных, морских отложениях, почвах и водно-болотных угодьях.
Это значимо, поскольку метаногены производят 70% мирового метана, а метан, по данным Агентства по охране окружающей среды США, в 28 раз эффективнее CO2 удерживает тепло в атмосфере.
"Уровень метана растет гораздо быстрее, чем уровень углекислого газа, и люди выбрасывают метан в атмосферу с большей скоростью, чем когда-либо прежде", — сказал Хатценпихлер.
Эксперименты породили много новых вопросов. Например, неизвестно, полагаются ли Methanomethylicia в неэкстремальных условиях на метаногенез для роста или используют другие способы.
"Мое предположение: иногда они растут, производя метан, а иногда делают что-то совершенно иное, но мы не знаем, когда, как или почему. Теперь нам нужно выяснить, когда они вносят вклад в цикл метана, а когда нет", — сказал ученый.
В отличие от большинства метаногенов внутри Euryarchaeota, которые используют CO2 или ацетат, Methanomethylicia и Methanodesulfokora используют такие соединения, как метанол. Это свойство может помочь ученым научиться изменять условия в разных средах их обитания, чтобы сократить выбросы метана.
Осенью лаборатория начнет сотрудничать с учебно-исследовательской фермой MSU для изучения метаногенов в образцах от крупного рогатого скота. Новые аспиранты также будут определять, производят ли ли вновь обнаруженные археи метан в сточных водах, почвах и болотах.
Уникальная клеточная архитектура
Methanomethylicia обладают уникальной клеточной архитектурой. В сотрудничестве с учеными из ETH Zurich было показано, что микроб образует ранее неизвестные межклеточные трубки, соединяющие две или три клетки друг с другом.
"Мы понятия не имеем, зачем они их образуют. Подобные структуры редко встречаются у микробов. Возможно, они обмениваются ДНК; возможно, химическими веществами. Мы пока не знаем", — сказал Хатценпихлер.