Метанообразующие микроорганизмы не всегда ограничены метаном
Исследование под руководством микробиологов из Дрезденского технического университета (TU Dresden) показывает, что метаногенные археи не всегда нуждаются в образовании метана для выживания. Возможно обойти метаногенез с помощью, казалось бы, более простого и экологически безопасного ацетогенного энергетического метаболизма. Эти новые данные свидетельствуют о том, что метаногены не так метаболически ограничены, как считалось ранее, и предполагают, что метаногенез мог эволюционировать из ацетил-КоА пути — важный шаг к полному пониманию экологии, биотехнологии и эволюции архей.
Археи — это мелкие одноклеточные микроорганизмы, образующие один из трёх доменов клеточной жизни наряду с бактериями и эукариотами. Они не обладают ядром и поэтому, как и бактерии, относятся к прокариотам. Метанообразующие археи формируют метан как конечный продукт своего энергетического метаболизма (катаболизма). Метан — важный промежуточный продукт в глобальном углеродном цикле, воздействие которого на климат во много раз сильнее, чем у диоксида углерода. Метаногены встречаются в основном на болотах, рисовых полях, в навозе и в пищеварительном тракте жвачных животных.
До сих пор считалось научно установленным, что метаногены не имеют альтернативных способов сохранения энергии и поэтому должны производить метан. Восстановительный ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) путь, который имеет несколько общих этапов с метаногенезом и отвечает за синтез клеточных компонентов (анаболизм) у метаногенов, мог бы представлять такую альтернативу. Действительно, это единственный метаболический процесс, который может быть задействован как в катаболизме, так и в анаболизме.
Профессор Михаэль Ротер, микробиолог из Дрезденского технического университета, и его команда вместе с коллегами из Гёттингена, Лейпцига и Хельсинки исследовали любопытное явление у метаногенной археи Methanosarcina acetivorans: при росте на монооксиде углерода (CO) M. acetivorans образует мало метана, и клеточный поток углерода значительно отклоняется от метаногенного пути в сторону ацетил-КоА. Ацетат, образующийся из ацетил-КоА пути, напрямую позволяет синтезировать аденозинтрифосфат (АТФ) путём субстратного фосфорилирования.
Команда Ротера хотела выяснить, можно ли полностью «заставить» метаболизм организма перейти в ацетогенез, то есть действительно ли метаногенный признак является обязательным. Команда добилась успеха и в итоге отобрала мутанта, который рос без значительного образования метана, то есть превратился в ацетоген. Генетический, геномный и протеомный анализ отобранного штамма показал, что хотя ключевые компоненты дыхательной цепи теперь отсутствовали, фермент, производящий её субстрат (гетеродисульфид), по-прежнему был необходим для выживания.
«Это кажущееся противоречие можно объяснить только ранее неизвестной анаболической — и существенной — ролью гетеродисульфида, которую нам теперь предстоит выяснить», — говорит профессор Ротер, добавляя: «Это нечто особенное — опровергнуть такую старую парадигму, а именно то, что все метаногены являются облигатными метаногенами. На самом деле они, вероятно, не так ограничены в энергетическом метаболизме, как считалось ранее. Более того, возможность преобразования метаногенного метаболизма в, казалось бы, более простой ацетогенный метаболизм предполагает, что метаногенез мог эволюционировать из древней версии ацетил-КоА пути».
Если гибкость энергетического метаболизма, наблюдаемая у M. acetivorans, более распространена, чем считалось ранее, это может привести к разработке подходов для сокращения антропогенных выбросов метана без необходимости полного подавления этих важных организмов.