Метаногрызущие микроорганизмы взаимодействуют с металлами
На континентальных окраинах, где морское дно опускается на сотни метров ниже поверхности воды, низкие температуры и высокое давление удерживают метан внутри кристаллов льда. Эти кристаллы, называемые гидратами метана, являются потенциальным источником энергии, но также и потенциальным источником глобального потепления, если огромные количества метана высвободятся во время землетрясения или из-за повышения температуры океана.
Пара взаимодействующих микробов на дне океана «поедает» этот метан уникальным способом. Новое исследование проливает свет на их удивительные пищевые потребности. Изучение того, как эти организмы выживают в экстремальных условиях, может дать подсказки о том, как глубоководная среда может измениться в условиях потепления.
Учёные уже понимали некоторые детали базовой биохимии того, как эти два организма потребляют метан, но детали процесса оставались загадкой. Новое исследование показало, что редкий следовой металл — вольфрам, также используемый в нитях ламп накаливания, — может играть важную роль в расщеплении метана.
«Это первое свидетельство существования микробного фермента на основе вольфрама в низкотемпературных экосистемах», — сказала Дженнифер Гласс, доцент Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии.
Исследование недавно было опубликовано в журнале Environmental Microbiology. Работа финансировалась Министерством энергетики, Институтом астробиологии NASA и Национальным научным фондом. Гласс проводила исследование, работая постдокторантом NASA по астробиологии в Калифорнийском технологическом институте в лаборатории профессора Виктории Орфан.
Метаногрызущие организмы, живущие в симбиозе, потребляют метан и выделяют углекислый газ.
«По сути, они его едят», — говорит Гласс. — «Они используют часть метана в качестве источника углерода, а большую его часть — в качестве источника энергии».
С филогенетической точки зрения, один микробный партнёр принадлежит к Bacteria, а другой — к Archaea, представляя два различных домена жизни. Архея называется ANME (анаэробная метанотрофная архея), а другой организм — сульфат-утилизирующая дельтапротеобактерия. Вместе организмы образуют «красивые скопления».
Для детального изучения процессов на морском дне исследовательская группа использовала подводный робот Jason. Это беспилотный дистанционно управляемый аппарат (ROV), который может оставаться под водой в течение нескольких дней. Экспедиция, в которой участвовала Гласс, стала на тот момент самым длительным непрерывным подводным путешествием Jason — четыре дня подряд.
Выделяемый микробами углекислый газ реагирует с минералами в воде с образованием карбоната кальция. Как увидели исследователи через камеры Jason, за сотни лет карбонат кальция сформировал на дне океана экзотический ландшафт.
«На морском дне есть гигантские горы из карбоната кальция. Они великолепны. Это похоже на горный пейзаж», — говорит Гласс.
Находясь на морском дне, роботизированная рука Jason собрала образцы осадка.
В лаборатории исследователи секвенировали гены и белки в этих образцах. Совокупность генов составляет метагеном осадка, а белки — метапротеом. Команда обнаружила свидетельства того, что фермент, используемый микробами для «поедания» метана, может нуждаться в вольфраме для работы.
Этот фермент (формилметанофурандегидрогеназа) является последним в пути превращения метана в углекислый газ — важнейший шаг для окисления метана.
Микроорганизмы в низкотемпературных средах обычно используют молибден, который имеет сходные с вольфрамом химические свойства, но обычно гораздо более доступен (вольфрам находится прямо под молибденом в периодической таблице). Почему эти археи, по-видимому, используют вольфрам, неизвестно. Одно из предположений — вольфрам в метановых сипах может находиться в форме, более удобной для использования организмами, но этот вопрос предстоит выяснить в будущих экспериментах.
«Мы не знаем точно, почему организмы, по-видимому, производят белок, связывающий редкий элемент вольфрам, вместо более часто используемого молибдена», — говорит Гласс.
В настоящее время Гласс готовит заявку на грант для изучения аналогичного процесса в северных торфяниках — обширных территориях воды и мёртвого органического материала. Эти торфяники, расположенные в высоких широтах Канады, Европы и России, являются значительными источниками метана, и его поток может увеличиться с ростом температур. Гласс также планирует расширить свои исследования на зоны с минимальным содержанием кислорода, где вырабатываются большие количества закиси азота. Закись азота является важным парниковым газом и разрушает озоновый слой.
«Мы хотим понять на генном и химическом уровнях, что происходит в этих процессах, а затем понять, как это изменится в будущем с глобальным потеплением и ростом CO2», — говорит Гласс.