Как метанотрофы справляются с токсичным действием сероводорода?

Метанотрофы — организмы, которые растут, потребляя метан, — кажутся идеальными для смягчения глобального потепления, поскольку на метан приходится около 30% этого эффекта. Однако на буровых площадках, где природный газ в основном состоит из метана, также содержится сероводород (H₂S), который ингибирует рост метанотрофов. В новом исследовании учёные обнаружили, что у метанотрофа Methylococcus capsulatus Bath есть фермент, который помогает ему расти в присутствии небольших количеств H₂S.

«Сероводород — это серьёзная проблема в нефтегазовой отрасли. Если мы хотим разработать биологические решения для снижения выбросов метана, нам необходимо понять, как метанотрофы реагируют на сероводород», — сказал Кристофер Рао, профессор химической и биомолекулярной инженерии. «Это одно из первых исследований того, как метанотрофы перепрограммируют свой метаболизм в ответ на H₂S».

«Метанотрофы — главные поглотители метана в природе, поскольку они используют метан в качестве источника углерода, в отличие от других бактерий, таких как Escherichia coli, которые используют глюкозу», — сказал Сихон Пей, первый автор статьи. «Изучая метанотрофы, мы можем понять, а затем и сконструировать их, чтобы увеличить потребление метана и помочь смягчить парниковый эффект».

M. capsulatus Bath в настоящее время используется в коммерческих целях: его кормят чистым метаном для производства одноклеточного белка, используемого в кормах для животных. Хотя эти бактерии хорошо изучены для этой цели, неясно, как они работают на природном газе, который, помимо метана, содержит диоксид углерода, азот и H₂S.

«H₂S настолько токсичен и коррозионен, что нефтехимической промышленности приходится удалять его из природного газа на этапе, называемом "очисткой"», — сказал Пей. «Однако мы знаем, что существуют метанотрофы, живущие в горячих источниках с высокими концентрациями метана и H₂S. Эти бактерии должны обладать естественной устойчивостью к соединениям серы, что означает, что их использование позволяет исключить процесс очистки и сэкономить деньги».

Хотя другие исследователи изучали ингибирующее действие H₂S на M. capsulatus Bath, они использовали только физиологические тесты, измеряя скорость роста бактерий в присутствии газа. В текущем исследовании группа изучила транскрипцию — процесс, с помощью которого клетки используют ДНК для создания матричной РНК, — чтобы глубже исследовать влияние H₂S на метаболизм этих бактерий.

Сначала исследователи использовали разные концентрации H₂S, чтобы определить, какие из них являются ингибирующими. Хотя M. capsulatus Bath мог расти при 0,1% H₂S, скорость роста снижалась при концентрациях 0,5% и 0,75%, а при 1% H₂S рост полностью подавлялся. «Мы пытались найти "золотую середину", где бактерии могли бы переносить H₂S, не испытывая чрезмерного стресса», — сказал Пей.

Затем исследователи выращивали бактерии с разными концентрациями H₂S (0%, 0,1%, 0,5% и 0,75%) и наблюдали за изменениями в уровнях РНК и малых молекул. Они обнаружили, что при 0,75% H₂S бактерии переключаются с использования кальций-зависимой метанолдегидрогеназы mxaF на лантанид-зависимую метанолдегидрогеназу xoxF.

«Эти бактерии растут на метане, сначала превращая его в метанол, который затем с помощью фермента метанолдегидрогеназы превращается в формальдегид», — пояснил Пей. «Ген xoxF был идентифицирован десять лет назад, и он использует элемент лантанид. Мы увидели, что транскрипция xoxF увеличилась в пять раз по сравнению с mxaF».

Лантанид обычно встречается в природе в очень низких концентрациях — обычно в микромолярном диапазоне. Возникает вопрос: почему бактерии зависят от фермента, использующего лантанид? «Три миллиарда лет назад атмосфера Земли в основном содержала метан и H₂S. Вероятно, древние микроорганизмы содержали ферменты, приспособленные к этим суровым условиям. Одна из гипотез заключается в том, что бактерии унаследовали ген xoxF, который производит этот относительно древний фермент, позволяющий им функционировать в условиях, богатых сульфидом».

Хотя у этих бактерий есть xoxF, они в основном зависят от mxaF, потому что он более эффективен. Однако исследователи показали, что при воздействии сульфида бактерии переключаются на использование xoxF. «Ранее такое переключение наблюдалось только тогда, когда исследователи добавляли лантанид», — сказал Пей. «Я считаю, что за этим переключением стоит интригующий механизм, и это всего лишь один элемент головоломки».

Исследование опубликовано в журнале Applied Microbial and Cell Physiology.